Les technologies de contrôle modernes ont reçu beaucoup d’attention depuis les trente dernières années et avec elles revient un intérêt grandissant envers les fluides magnétorhéologiques et les applications connexes. Cet ouvrage porte sur le développement d’un outil de conception et d’optimisation d’embrayages magnétorhéologiques à disques pour les produits de nouvelle génération. D’abord, un modèle d’écoulement de fluide magnétorhéologique est implémenté dans le logiciel COMSOL®, un outil de résolution numérique basé sur la méthode des éléments finis. Le comportement liquide du fluide magnétorhéologique est évalué à partir du modèle viscoélastique de Casson, où la contrainte d’écoulement et la viscosité varient avec le taux de déformation et la densité de flux magnétique dans le fluide. L’implémentation numérique s’appuie également sur l’approche de Bercovier-Engelman, c’est-à-dire que le comportement solide du fluide est pris en compte par un liquide très visqueux. La symétrie de révolution de l’embrayage est alors exploitée pour ramener la définition du problème à un espace bidimensionnel et les équations qui en découlent sont introduites dans COMSOL® sous leur forme faible. Ultimement, la résolution du profil de vitesses en régime permanent dans l’interface de fluide permet de calculer le couple transmis. Par la suite, un modèle d’embrayage magnétorhéologique à disques est développé afin de prédire les caractéristiques (masse, couple, température, etc.) d’embrayages quelconques définis à partir de paramètres décrivant leur géométrie simplifiée, leurs matériaux et leur source d’alimentation électrique. Le modèle d’écoulement établi au préalable dépend de la densité de flux magnétique qui est alors évaluée dans COMSOL®. Ce dernier est également utilisé pour estimer la température de l’embrayage qui s’avère déterminante lors de son dimensionnement. Enfin, une séquence d’optimisation basée sur les prédictions du modèle d’embrayage magnétorhéologique est mise en place avec l’objectif de maximiser le couple massique. Pour mieux comprendre l’impact qu’ont certains paramètres sur les performances et mieux orienter la recherche, l’espace de solution est d’abord exploré de façon aléatoire. Un algorithme évolutionniste permet alors de mettre au jour une conception optimisée pour les besoins spécifiques du projet. / Modern day control technologies have received much attention since the last thirty years and with them comes a growing interest in magnetorheological fluids and related applications. This work focuses on the development of a design and optimization tool for magnetorheological disc clutch, aimed toward next generation products. First, a flow model of magnetorheological fluid is implemented in COMSOL®, a numerical resolution tool, based on the finite element method. The liquid behavior of the magnetorheological fluid is evaluated based on Casson’s viscoelastic model, where the yield stress and the viscosity vary with the rate of deformation and the magnetic flux density in the fluid. The numerical implementation is also based on Bercovier-Engelman’s approach, that is to say, the solid behavior of the fluid is taken into account by a highly viscous liquid. The axial symmetry of the clutch is then exploited to bring the definition of the problem to a two-dimensional space and the resulting equations are introduced into COMSOL® under their weak form. Ultimately, the resolution of the steady-state velocity profile in the fluid gap is used to calculate the transmitted torque. Thereafter, a magnetorheological disc clutch model is developed to predict the characteristics (mass, torque, temperature, etc.) of any clutches defined from parameters describing their simplified geometry, their materials and their electrical source. The flow model previously established depends on the magnetic flux density, which is therefore evaluated in COMSOL®. The latter is also used to estimate the temperature of the clutch, a decisive factor in sizing. Finally, an optimization sequence based on the predictions of the magnetorheological clutch model is set up with the aim of maximizing the torque-to-weight ratio. To better understand the impact of some parameters on the performance and better orient the search, the solution space is first explored randomly. An evolutionary algorithm is then used to bring foward an optimized design for the specific needs of the project.

Les exosquelettes sont des robots mobiles assistant les humains de multiples façons, que ce soit pour la réadaptation, l’augmentation de la force ou la réduction du coût métabolique. Plusieurs exosquelettes sont maintenant commercialisés et utilisés dans des domaines militaires, médicaux et industriels. Ces dispositifs doivent interagir avec l’humain, et donc posséder un haut niveau de transparence mécanique qui est atteint ultimement lorsque les mouvements humains ne sont pas affectés par le robot. Cette aptitude constitue en fait le plus grand défi de conception d’un exosquelette. Les deux caractéristiques qui définissent une bonne transparence sont une bande passante élevée et une bonne réversibilité du mécanisme. Pour atteindre ces deux critères, le système de distribution de puissance, constitué de l’actionnement et de la transmission, doit être léger, doit posséder peu d’inertie reflétée et peu de friction. Les systèmes de distribution de puissance utilisés actuellement dans les exosquelettes comportent par contre un compromis fondamental entre une bonne densité de force et un bon niveau de transparence; en général, les exosquelettes forts ne sont pas transparents, et vice-versa. Certaines applications requièrent par contre à la fois force et transparence, un exosquelette pour la course en est un bon exemple. Dans le but de pallier cette problématique, ce mémoire présente le développement et la caractérisation d’un système de distribution de puissance possédant une bonne densité de force ainsi qu’un bon niveau de transparence. Ce système est composé d’embrayages magnétorhéologiques (MR) couplés à une transmission hydrostatique comportant des cylindres à membranes déroulantes. Les embrayages MR possèdent une bonne bande passante (>50 Hz), une bonne densité de force et peu d’inertie reflétée. Couplée aux embrayages MR, la transmission hydrostatique est très rigide, possède peu de friction ainsi qu’une faible inertie. La transparence a été évaluée expérimentalement et à l’aide d’un modèle analytique et numérique. Les résultats obtenus démontrent que le système est à la fois fort et transparent, ce qui lui confère un haut potentiel d’être employé dans les exosquelettes. Les essais expérimentaux ont été effectués sur une interface haptique à un degré de liberté prenant la forme d’un joystick. Les résultats démontrent une bonne transparence du système avec une bande passante supérieure à 40 Hz et des niveaux des forces restrictives (inertie et friction) ne dépassant pas 11 % de la force maximale (bonne réversibilité du mécanisme) de 112 N au bout du joint haptique. Le modèle analytique et numérique élaboré confirme ces résultats et sert également de guide à la conception en fournissant des tendances de bande passante et de forces restrictives en fonctions de différents paramètres de la transmission hydrostatique. Enfin, les performances de ce système ouvrent la voie à de nombreuses applications d’exosquelettes transparents, forts, peu coûteux et versatiles.