La modulation de frottement par vibrations ultrasoniques est une des méthodes utilisées pour produire une stimulation tactile. L’amplitude de vibration est modulée en fonction de la position du doigt pour donner l’illusion à l’utilisateur de toucher une texture. L’objectif de cette thèse est de développer une interface tactile permettant de simuler la sensation tactile de textures complexes telles que des surfaces textiles. Pour ce faire, nous avons tout d’abord implanté une méthode de contrôle robuste du stimulateur tactile du L2EP grâce au développement d’un modèle du comportement vibratoire. Ce contrôle assure également le suivi de la fréquence de résonance afin d’optimiser l’efficacité énergétique du dispositif. Dans un second temps et après avoir évalué la relation entre les aspects tribologiques de l’interaction doigt/stimulateur et la perception des stimuli, nous avons prouvé par une étude statistique que le «contraste en frottement» est le paramètre le plus significatif et donc celui à programmer pour qualifier la variation de perception du frottement. Cette étude nous a menés à concevoir un nouveau dispositif tactile appelé SmartTac, intégrant des nouveaux capteurs de force permettant de mesurer et contrôler directement le coefficient de frottement qu’il soit adaptatif au doigt du sujet. Enfin, après avoir décrit une méthode d’extraction des propriétés tribologiques de trois surfaces textiles très différentes, la simulation de ces textures est entreprise avec le SmartTac. Notre approche est testée par la réalisation d’une expérience psychophysique sur la correspondance entre surfaces simulées et surfaces réelles: un taux de réussite de 78% valide notre démarche. / The friction modulation produced by ultrasonic vibrations is one of the methods which produce the tactile stimulation. The vibration amplitude is modulated depending on the finger position to give the illusion of touching a texture. This thesis aims at developing a tactile device able to simulate the sensation of touching complex textures such as textile fabrics. For this aim, we modelled first the vibration behaviour and proposed a new strategy to track the resonance frequency of the tactile device and to improve the robustness of the control. On the other hand, the relationship between the tribological aspects of interaction finger / stimulator and the perception of stimuli is assessed to define the most perceived tribological criteria. The tribological parameter named “friction contrast” is introduced. Following this tribological study, we developed a new tactile device called SmartTac integrating new force sensors to measure and control directly the coefficient of friction and to make it adaptive to the user’s finger. Last, a method for extracting the tribological properties of three various textile fabrics is applied to simulate them. Our method is validated by conducting a psychophysical experiment with a success rate of 78%, matching the simulated surfaces to real surfaces.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La modélisation de robots souples est extrêmement difficile, à cause notamment du nombre théoriquement infini des degrés de liberté. Cette difficulté est accentuée lorsque les robots ont des configurations complexes. Ce problème de modélisation entraîne de nouveaux défis pour la calibration et la conception des commandes des robots, mais également de nouvelles opportunités avec de nouvelles stratégies de détection de force possibles. Cette thèse a pour objectif de proposer des solutions nouvelles et générales utilisant la modélisation et la vision. La thèse présente dans un premier temps un modèle cinématique à temps discret pour les robots souples reposant sur la méthode des éléments finis (FEM) en temps réel. Ensuite, une méthode de calibration basée sur la vision du système de capteur-robot et des actionneurs est étudiée. Deux contrôleurs de position en boucle fermée sont conçus. En outre, pour traiter le problème de la perte d'image, une stratégie de commande commutable est proposée en combinant à la fois le contrôleur à boucle ouverte et le contrôleur à boucle fermée. Deux méthodes (avec et sans marqueur(s)) de détection de force externe pour les robots déformables sont proposées. L'approche est basée sur la fusion de mesures basées sur la vision et le modèle par FEM. En utilisant les deux méthodes, il est possible d'estimer non seulement les intensités, mais également l'emplacement des forces externes. Enfin, nous proposons une application concrète : un robot cathéter dont la flexion à l'extrémité est piloté par des câbles. Le robot est contrôlé par une stratégie de contrôle découplée qui permet de contrôler l’insertion et la flexion indépendamment, tout en se basant sur un modèle FEM. / The modeling of soft robots which have, theoretically, infinite degrees of freedom, are extremely difficult especially when the robots have complex configurations. This difficulty of modeling leads to new challenges for the calibration and the control design of the robots, but also new opportunities with possible new force sensing strategies. This dissertation aims to provide new and general solutions using modeling and vision. The thesis at first presents a discrete-time kinematic model for soft robots based on the real-time Finite Element (FE) method. Then, a vision-based simultaneous calibration of sensor-robot system and actuators is investigated. Two closed-loop position controllers are designed. Besides, to deal with the problem of image feature loss, a switched control strategy is proposed by combining both the open-loop controller and the closed-loop controller. Using soft robot itself as a force sensor is available due to the deformable feature of soft structures. Two methods (marker-based and marker-free) of external force sensing for soft robots are proposed based on the fusion of vision-based measurements and FE model. Using both methods, not only the intensities but also the locations of the external forces can be estimated.As a specific application, a cable-driven continuum catheter robot through contacts is modeled based on FE method. Then, the robot is controlled by a decoupled control strategy which allows to control insertion and bending independently. Both the control inputs and the contact forces along the entire catheter can be computed by solving a quadratic programming (QP) problem with a linear complementarity constraint (QPCC).

Dans la majeure partie des travaux effectués dans le domaine de la surveillance des systèmes, les outils servant à la détection et à la localisation des défauts sont synthétisés à partir d'une représentation en boucle ouverte du système. Or, la réalité des applications industrielles fait que les systèmes sont majoritairement insérés dans une boucle de régulation ou d'asservissement. Dans ce contexte, la tâche de diagnostic s'avère particulièrement délicate pour différentes raisons. D'une part, le contrôleur peut atténuer l'effet des défauts ce qui rend difficile leur détection. D'autre part, les entrées du système étant corrélées avec les sorties à cause du bouclage cela engendre une difficulté pour la localisation.<br />Les travaux présentés dans cette thèse se scindent en deux parties: la première porte sur l'analyse systématique de la sensibilité des différents signaux de la boucle de régulation par rapport aux défauts (paramétriques et non paramétriques). L'objectif est de sélectionner ceux qui contiennent le plus d'information sur les défauts pour être exploités par la procédure du diagnostic. La deuxième propose une méthode de détection et de localisation de défauts des systèmes linéaires en boucle fermée soumis à des défauts additifs. Le principe de la méthode consiste à découpler les défauts des sorties afin que chaque défaut affecte une seule sortie ce qui facilite leur localisation.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’apparition de robots de service de plus en plus complexes ouvre de nouvelles perspectives quant aux tâches de manipulation d’objets. Malgré les progrès récents des techniques de planification de mouvement, peu d'entre elles s'intéressent directement à des systèmes multi-bras comme les torses humanoïdes. Notre contribution à travers cette thèse porte sur trois aspects. Nous proposons une technique de planification de mouvement performante basée sur la coordination des mouvements du système multi-bras. Elle exploite au mieux la structure du système en la divisant en parties élémentaires dont les mouvements sont planifiés indépendamment du reste du système. La fusion des différents réseaux élémentaires générés est ensuite réalisée dans le but d’obtenir un graphe prenant en compte le robot tout entier. Une seconde contribution porte sur l'extension des méthodes de planification pour des robots présentant des chaînes cinématiques fermées. Ces boucles cinématiques apparaissent dans le système lorsque, par exemple, le torse humanoïde saisit un objet avec plusieurs bras. Cette méthode traite explicitement les configurations singulières des manipulateurs, offrant ainsi une meilleure maniabilité de l’objet. Finalement, nous proposons deux approches pour la planification de tâches de manipulation d'objets par un torse humanoïde. La première concerne la résolution d’une tâche de prise et pose d'objets par un torse humanoïde à deux bras dans le cas où les contraintes imposées par la tâche nécessitent le passage par une double prise afin de transférer l'objet d'une main à l'autre. La seconde porte sur la résolution du même type de tâche par un manipulateur mobile. La thèse, effectuée dans le cadre du projet européen Phriends, présente les résultats d'expérimentations réalisées sur le robot Justin, démonstrateur du projet. / The emergence of new more and more complex service robots opens new research fields on objet manipulation. Despite the recent progresses in motion planning techniques, few of them deal directly with multi-arm systems like humanoid torsos. Our contribution through this thesis focuses on three aspects. We present an efficient motion planning technique based on the multi-arm system motion coordination. It takes advantage of the system's structure by dividing it into elementary parts of which movements are planned independently of the rest of the system. Generated elementary networks are then fused to obtain a roadmap that takes into account the whole robot. The second contribution consists of the extension of motion planning methods for a robot under loop closure constraints. These kinematic loops appear in the system when, for example, the humanoid torso grasps an objet with two arms. This method treats explicitly the singular configurations of the manipulators, providing better handling of the object. Finally, we present two approaches for planning object manipulation tasks by humanoid torsos. The first concerns solving pick and place task by humanoid torso where the imposed task constraints require a passage through a double grasp to transfer the object from one hand to the other. The second approach concerns the resolution of the same type of task by a mobile manipulator. The presented methods have been integrated on a real platform, Justin, and validated with experiments in the frame of E.U. FP-6 PHRIENDS project.

Le but de la thèse est de développer des stratégies de contrôle efficaces pour la réduction de la trainée aérodynamique des véhicules terrestres. Nous examinons expérimentalement les effets d’un forçage fluidique sur le sillage d’un modèle de véhicule simplifié à culot droit. Le forçage est effectué par des jets pulsés aux arêtes et16 capteurs de pression répartis à la surface arrière permettent d’estimer la traînée instantanée. Nous abordons le problème difficile du contrôle de l’écoulement turbulent non linéaire---qui est souvent au-delà des capacités de la modélisation réduite---par le développement d'une stratégie de contrôle sans modèle: le contrôle via la programmation génétique linéaire (LGPC) dirigé par les données. Cette méthode explore et exploite la dynamique fortement non linéaire d'une manière non supervisée avec pas ou peu de connaissances antérieures sur le système.Le problème est de trouver une logique de contrôle qui optimise une fonction de coût donnée. Cette optimisation est réalisée par la programmation génétique linéaire comme un solveur de régression simple dans un espace de recherche de grande dimension. En particulier, cette recherche fait progresser et généralise les études antérieures sur le contrôle via la programmation génétique en incluant le forçage multi-fréquences, le signal des capteurs,l’historique des informations temporelles et leurs combinaisons dans l'espace de recherche de contrôle. La performance de LGPC est démontrée avec succès sur les expériences de contrôle de traînée du modèle de véhicule simplifié où le sillage turbulent présente une symétrie latérale et une asymétrie normale à la paroi. Environ 33% de récupération de pression au culot associée à 22% de réduction de trainée est obtenue dans toutes les classes de loisde contrôle considérées. L'énergie consommée du forçage ne représente que 30% de l'énergie aérodynamique récupérée. Dans ce travail, nous étudions également les sillages turbulents ayant une asymétrie latérale: un sillage intermittent et bi-modal à dérapage nul et un sillage asymétrique avec un angle de dérapage modéré de 5 degrés.Pour le sillage intermittent, un contrôle de rétroaction en opposition basé sur la physique est déduit à partir des essais précédents de contrôle en boucle ouverte. Le contrôleur supprime avec succès la bi-modalité du sillage et rend le sillage symétrique avec une réduction de traînée concomitante. Pour le sillage asymétrique en dérapage,nous construisons un contrôle bi-fréquence à l’arête au vent à partir des résultats de forçage à fréquence unique. Ce forçage bi-fréquentiel comprend deux fréquences ayant une différence d'un ordre de grandeur. Il combine les effets favorables de la vectorisation du sillage et le contrôle de l'équilibre des couches de cisaillement. Il est important de noter que la stratégie LGPC est également appliqué à cette situation en dérapage et converge vers le même forçage bi-fréquentiel. Les stratégies de contrôle proposées dans cette étude ouvrent de nouveaux chemins prometteurs pour le contrôle de la réduction de la traînée dans des conditions plus complexes de vitesse amont variable ou de rafale. / The thesis aims to develop effective active flow control strategies for aerodynamic drag reduction of road vehicles.We experimentally examine the effects of fluidic actuation on the wake past a simplified square-back car model.The actuation is performed with pulsed jets at trailing edges and the flow is monitored with 16 pressure sensors distributed at the rear side. We address the challenging nonlinear turbulence control---which is often beyond the capabilities of model-oriented approach---by developing a simple yet powerful model-free control strategy: the data-driven linear genetic programming control (LGPC). This method explores and exploits strongly nonlinear dynamics in an unsupervised manner with no or little prior knowledge about the system. The control problem is to find a control logic which optimizes a given cost function by employing linear genetic programming as an easy and simple regression solver in a high-dimensional control search space. In particular, the present work advances and generalizes the previous studies of genetic programming control by comprising multi-frequency forcing, sensor-based feedback including also time-history information feedback and combinations thereof in the control search space. The performance of LGPC is successfully demonstrated on the drag control experiments of the car model where the investigated turbulent wake exhibits a spanwise symmetry and a wall-normal asymmetry. Approximately 33% base pressure recovery associated with 22% drag reduction is achieved in all considered classes of control laws. The consumed actuation energy accounts for only 30% of the aerodynamic power saving. In this research, we also study the turbulent wakes having a lateral asymmetry: an intermittent bi-modal wake at zero yaw and an asymmetric wake at a moderate yaw angle of 5 degree. For the bimodal wake exhibiting are flectional symmetry-breaking, a physics-based opposition feedback control is inferred from the previous open loop control tests. The controller successfully suppresses the bi-modality of the wake and renders a symmetrized wake with a concomitant drag reduction. For the asymmetric wake at yaw, we infer from the single-frequency forcing results a bi-frequency control at the windward edge comprising two frequencies having one order of magnitude difference. This bi-frequency actuation combines the favorable effects of fluidic boat-tailing and balance control of the shear layers. Importantly, LGPC is also applied to this yawed situation and converges to the same bi-frequency actuation. The control strategies proposed in the present study open promising new paths for the control of drag reduction in more complex conditions such as the varying oncoming velocity and wind gust.

Cette thèse s'attache à la commande de certains systèmes écologiques en chemostat (appareil de culture de micro--organismes en laboratoire). Nous commençons par un aperçu des modèles de compétition et de chaîne trophique dans le chemostat ainsi qu'un rappel des concepts basiques de la théorie de la commande adaptée aux équations du chemostat. Ceci nous permet de montrer quelques applications pratiques et aussi de mettre en évidence la complexité mathématique de la commande.<br /><br />La première partie considère la commande robuste d'un chemostat simple qui présente des imprécisions déterministes tant dans le modèle que dans la sortie, ainsi que des retards dans la sortie. Nous construisons une famille de boucles de rétroaction qui stabilise le modèle dans un polytope déterminé<br />par la grandeur des imprécisions. Cette famille stabilise aussi la sortie autour d'une consigne en présence des retards, mais en l'absence d'imprécision<br />sur le modèle et la sortie.<br /><br />La deuxième partie considère la commande en boucle<br />fermée d'un modèle de compétition entre espèces<br />qui permet la coexistence de celles--ci. Nous généralisons un résultat proposé par P. De Leenher et H.Smith dans deux directions: considération de fonctions de croissance plus générales et prise en compte de la mortalité des espèces.<br /><br />La troisième partie considère la commande en boucle ouverte d'une chaîne trophique dans un chemostat. Nous présentons une méthode de réduction de dimension qui permet de caractériser l'ensemble d'atteignabilité du système et d'obtenir un <br />résultat sur la commandabilité partielle de la chaîne.

Le contexte de ce travail est la reconstruction 3D d'images binaires en tomographie X à partir d'un faible nombre de vues. En contrôle non destructif, une première expertise peut révéler la présence d'une seule zone défectueuse, ou occlusion dans un milieu homogène. Le défaut est alors considéré comme un objet compact et homogène. Sa reconstruction est sous-déterminée car les projections sont limitées en nombre et en angles. Il est alors indispensable d'apporter de l'information a priori sur l'objet et/ou le milieu pour obtenir une solution acceptable. Une approche possible est la modélisation probabiliste de cette information et la méthodologie bayésienne. Nous distinguons deux classes de méthodes. Les premières, plus classiques, modélisent l'image par un champ binaire et estiment les valeurs de ses voxels à partir des données. Les secondes modélisent directement le contour de l'objet, et réalisent son estimation à partir des données. Compte tenu du contexte, nous optons pour ces dernières car elles permettent de limiter le nombre de paramètres et d'exploiter explicitement la compacité de l'objet. La régularisation porte alors sur la douceur locale du contour. Après une présentation des deux approches, de leurs avantages et limitations, nous étudions les approches par contour en sélectionnant des paramétrisations adaptées. Nous optons pour des modélisations locales, dont chaque paramètre ne contrôle qu'une portion du contour, afin de reconstruire des surfaces complexes. En particulier, nous utilisons la représentation polyédrique. Ce choix est conforté par des aspects algorithmiques, et notamment l'étude des projections du polyèdre. Nous concevons une méthode originale de reconstruction qui s'appuie sur l'estimation directe de la position des sommets du polyèdre à partir des données, sans recourir à une représentation par voxel de la scène examinée. Nous discutons son efficacité et sa capacité à reconstruire des objets de forme complexe de façon rapide.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la simulation numérique des transferts de chaleur par conduction dans les parois, par rayonnement et par convection thermosolutale dans des cavités fermées ou dans des conduites. Dans la plupart des cas pratiques, les trois modes de transfert de chaleur sont fortement couplés lorsque le fluide en mouvement est un mélange de gaz. Le transfert de chaleur par convection naturelle associé à la condensation surfacique dans une cavité à deux dimensions, remplie d'air humide a été étudié numériquement. Les parois verticales, d'épaisseur finie, sont en contact avec une ambiance extérieure froide. La modélisation faiblement compressible permet à la fois de tenir compte de la diminution de la masse du mélange et de la pression thermodynamique. Egalement, une étude de la convection mixte associée à l'évaporation d'un film liquide ruisselant sur les deux parois d'un canal vertical a été menée. Les effets des forces d'Archimède thermique et solutale sur le développement de l'écoulement ont été montrés. Les résultats ont été obtenus en considérant que les propriétés du mélange sont constantes ou basées sur la règle d'un tiers. Deux mélanges binaires de gaz parfaits air-vapeur et air-hexane ont été considérés en vertu de diverses conditions aux limites