Nos activités quotidiennes impliquent des déplacements sur différents types de sol. Pour des personnes souffrant d'un trouble d’équilibre ou de perte d'autonomie, marcher sur certains sols pourrait s’avérer difficile. Il est d’ailleurs connu que 44% des chutes surviennent en trébuchant ou en glissant sur une surface. Ainsi, en raison du risque de chute que représenteraient certains sols, le premier facteur de risque qui devrait être étudié serait le type de sol. Dans cette thèse, nous présentons l'utilisation d'une chaussure interactive pour la différenciation automatique de six types de sol qui possèdent des propriétés physiques différentes. L'analyse de leur vibration lors du coup de talon a permis de les différencier. En effet, un coup de talon au sol donne une approximation de la réponse impulsionnelle du sol, qui peut être analysée aussi bien dans le domaine temporel que fréquentiel. À partir de ces analyses, un indice permettant la différenciation a été calculé. À l'aide d'un second prototype amélioré et adapté aux tailles des pieds, des personnes atteintes de la maladie de Parkinson (PAMP) ; des personnes âgées sans cette maladie et des jeunes adultes en bonne santé ont effectué deux tests cliniques sur différents types de sol. Un indice du risque de chute en fonction des paramètres d’équilibre est également calculé. De cette deuxième expérience, nous avons conclu que le type de sol affecte grandement l’équilibre humain, les paramètres de la marche et donc le niveau du risque de chute. Dans l’objectif de normaliser les paramètres de la marche, plusieurs recherches ont démontré les effets positifs d’une stimulation auditive et/ou visuelle sur les troubles d’équilibre en particulier chez les PAMP. Cependant, dans ces travaux, peu d'études ont évalué l’effet de la stimulation vibrotactile sous la plante du pied tout en la comparant aux autres types de stimulation. Ainsi, dans une troisième partie de notre thèse, nous avons utilisé et comparé trois types de stimulation (auditive, visuelle et vibrotactile). La fréquence de la stimulation a été fixée à 10% au-dessus de la cadence calculée sur le sol ayant le plus faible risque de chute. En fonction de la cadence obtenue, le second prototype (une semelle interactive) peut activer une stimulation vibrotactile visant à améliorer la marche et le contrôle de l'équilibre. Afin d’évaluer l’effet des stimulations utilisées sur le niveau du risque de chute sur un sol, nous avons comparé ces derniers résultats (avec stimulation) avec ceux obtenus dans la deuxième expérimentation (sans stimulation). Nos résultats suggèrent qu'une stimulation appropriée pourrait contribuer à la réduction d’un niveau du risque de chute sur un sol. Nous avons trouvé une différence significative et une diminution des risques de chutes calculés pour la plupart des types de sol en particulier pour les sols déformables qui peuvent faire chuter une personne présentant un trouble de la marche ou en perte d'autonomie. Our daily activities imply displacements on different types of soil. For people with a balance disorder or losing functional autonomy, walking on some types of soil could be difficult. It is known that 44% of falls occur by stumbling or sliding on a surface. Thus, due to the risk of falling of some soils, the first risk factor that should be studied would be the type of soil. In this thesis, we present the use of an interactive shoe for the automatic differentiation of six types of soil with different physical properties. The analysis of their vibration during the heel strike allows differentiating them. Indeed, a heel strike on the soil gives an approximation of the impulse response of the soil, which can be analyzed both in the temporal and frequency domain. From these analyzes, an index allowing differentiation was computed. Using a second improved prototype adapted to the size of the feet, people with Parkinson's disease (PD); the elderly without this disease and healthy young people carried out two clinical tests on different types of soil. An index of the risk of falling as a function of the gait parameters is also computed. From this second experiment, we concluded that the types of soil greatly affect the human balance, the walking parameters and therefore the level of risk of falling. To regulate walking and balance parameters, several studies have demonstrated the positive effects of auditory and/or visual stimulation on balance disorders, particularly in PD participants. However, in these works, few studies have evaluated the effect of vibrotactile stimulation under the sole of the foot while comparing it with other types of stimulation. Thus, in a third part of our thesis, we used and compared three types of stimulation (auditory, visual and vibrotactile). The frequency of stimulation was set at 10% above the cadence evaluated on the soil with the lowest risk of falling. Based on this cadence, the second prototype (an interactive insole) could activate a vibrotactile stimulation to improve walking and balance control. To evaluate the effect of the stimulations on the level of risk of falling over the soil, we compared these results (with stimulation) with those obtained in the second experiment (without stimulation). Our results suggest that an appropriate stimulation may contribute to reducing the risk of falling on soil. We found a significant difference and reduction in the risk of falls computed for most types of soil, particularly for deformable soils that can lead a person with a walking disorder or losing functional autonomy to fall.

Notre projet de recherche consiste à détecter des postures et des mouvements contraignants menant à l’apparition des troubles musculo-squelettiques en milieu de travail. Ce problème de détection a été considéré comme étant un problème de classification supervisée dont le classificateur est un réseau de neurones et les classes sont les différentes postures et mouvements adoptés par un opérateur lors de la réalisation de ses tâches quotidiennes en milieu de travail. Un problème de classification supervisée se réalise en général en trois étapes : 1) l’étape de l’acquisition des signaux, 2) celle du prétraitement, et enfin, 3) celle de la classification. À la première étape, l’acquisition des signaux consiste à mesurer les postures et les mouvements de l’opérateur à l’aide d’un instrument de mesure non-invasif, non-intrusif capable de fonctionner dans son milieu de travail in-situ. L’étape de prétraitement consiste à réduire les signaux acquis à un ensemble de caractéristiques permettant de bien distinguer entre les différentes classes. Pour recueillir les caractéristiques, nous avons utilisé une méthode directe, qui regroupe les caractéristiques globales du déplacement du centre de pression utilisées généralement dans les études de posturologie et d’autres caractéristiques relatives aux accélérations de la tête. Nous avons également proposé une nouvelle méthode, dite graphique qui consiste à discrétiser la surface de la semelle sur laquelle le centre de pression se déplace. D’autre part, afin de réduire le nombre de ces caractéristiques et n’en retenir que les plus pertinentes, nous avons mis en place un nouveau modèle hybride de sélection des caractéristiques dont la singularité réside dans la combinaison de techniques utilisées. Enfin, lors de l’étape de classification, il s’agit d’utiliser les caractéristiques retenues à l’étape de prétraitement comme entrées pour le réseau de neurones. Les résultats de classification obtenus à la fin sont de 95% avec 11 caractéristiques (huit (8) provenant de la méthode directe et trois (3) de la méthode graphique). Bien qu’utilisées seules, les caractéristiques de la méthode graphique ne nous donnent pas les meilleurs résultats de classification (près de 60%), en les ajoutant aux caractéristiques de la méthode directe, le taux de reconnaissance est passé de 90% à 95%. Sans l’étape de réduction de dimensionnalité, nous n’aurions pas pu dépasser un taux de reconnaissance de 70% avec seulement huit (8) caractéristiques de la méthode directe. Enfin, nous avions également développé nos propres fonctions de validation croisée et de sélection de caractéristiques sur MatLAB, ce qui a nettement amélioré nos résultats, en passant de 85% (comme étant le meilleur taux de classification obtenu), à 95% à l’aide de nos propres fonctions.

L’aluminium primaire est produit à partir de l’alumine (Al2O3) selon le procédé Hall-Héroult. Le procédé consiste à la réduction de l’alumine en aluminium par le carbone dans des cuves électrolytiques. L’anode de carbone représente donc un élément incontournable dans ce processus. Non seulement elle est source de carbone, mais elle joue le rôle de conducteur électrique. La qualité des anodes en carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse représente ainsi l'un des paramètres les plus importants qui affectent la production de l'aluminium primaire. La pâte d’anode, qui est préparée en utilisant un mélange de coke de pétrole, de brai de houille et de matériaux recyclés, est compactée dans un vibro-compacteur pour former des anodes crues. Dans leur fabrication, le brai agit comme un liant. Sa bonne distribution aura forcément un impact positif sur leur qualité. Ces anodes sont cuites dans des fours de cuisson avant leur utilisation dans les cuves électrolytiques. La qualité de la matière première et les paramètres du processus de fabrication ont un impact significatif sur les caractéristiques de l’anode, notamment la composition chimique, la conductivité électrique, la résistance aux chocs thermiques, l’homogénéité et les réactivités à l’air et au dioxyde de carbone (CO2). Aussi, la qualité des anodes joue un rôle majeur dans la consommation d’énergie, le coût de production et les émissions de gaz à effet de serre. Les études développées pour déterminer le niveau de brai dans les anodes crues utilisent pour la plupart le microscope électronique à balayage ou le microscope optique. Ce qui donne de bons résultats au laboratoire sur de petits échantillons. Toutefois, ces méthodes ne sont pas pratiques sur les lignes de production qui exigent des résultats instantanés. Ainsi, la détection de la distribution du brai sur une surface d'anode est faite visuellement dans les usines. L’objectif de cette étude est de développer une méthode pour déterminer de façon instantanée la répartition du brai sur la face des anodes industrielles crues par l’analyse d’images. Pour ce faire, un logiciel d'analyse d'images a été mis au point et peut rapidement déterminer la répartition du brai sur la surface de l'anode. Le logiciel peut déterminer si la surface de l’anode est en sur-brai ou en sous-brai. Il permet aussi de déterminer la non-homogénéité de la répartition du brai. La mise en oeuvre de ce logiciel est basée sur le fait que toute couleur résulte de la combinaison des trois couleurs primaires que sont le rouge, le vert et le bleu (RGB). Ainsi, en se fixant des seuils pour ces différentes couleurs primaires, il est possible de trouver quelques critères pour identifier le haut niveau de brai. Par ailleurs, le niveau de brai influence l’état de surface des anodes. L’algorithme de Canny est utilisé pour déterminer les limites de particules, et le filtre de Gauss permet d’annuler les bruits générés par l’algorithme de Canny. Le logiciel d’analyse d’images développé est utilisé pour analyser les images d’anodes crues obtenues à l’aide d’un système de prise d’images. Ce système est constitué essentiellement d’un dispositif d'éclairage pour l'éclairage uniforme de surface de l'anode et d’une caméra numérique pour la capture des images. Pour mener à bien cette étude, il a été nécessaire de travailler à l'aluminerie et au laboratoire de l'UQAC pour collecter des données de niveau de brai des anodes crues dans des conditions d’opération différentes et de les analyser. Il s’agit aussi de colliger les résultats de ces différentes analyses d’images avec les caractéristiques des anodes. C’est dans ce sens que plusieurs anodes industrielles avec différentes spécificités ont été fabriquées pour être analysées. Par ailleurs, des anodes de laboratoire avec différentes spécifications couvrant le pourcentage de brai dans les recettes, la répartition granulométrique et différentes conditions de fabrication de l'anode crue ont été produites à l’UQAC. Une analyse chimique a permis de confirmer les résultats de l’analyse d’images. Il s’agit par ailleurs d’une analyse spectrophotométrique des échantillons prélevés dans les zones d’anodes industrielles et de laboratoire indiquées en sur-brai ou en sous-brai par le logiciel d’analyse d’images. Ces zones ont été préalablement sectionnées et moulinées. Les échantillons obtenus ont ensuite été immergés dans du solvant durant un temps bien déterminé pour dissoudre le brai avant l’analyse au spectrophotomètre. Certains résultats de l’analyse chimique de l’ensemble de ces anodes ont permis de parfaire le logiciel d’analyse d’images, et les résultats non utilisés de l’analyse chimique ont été comparés avec ceux de l’analyse d’images pour la validation du logiciel. Primary aluminum is produced from alumina (Al2O3) using the Hall-Heroult process. The method consists of reducing alumina to aluminum using carbon in electrolytic cells. The carbon anode represents an essential element in this process. It is a source of carbon as well as an electrical conductor. The quality of the carbon anodes used in the electrolytic cells is one of the most important parameters that affect the production of primary aluminum. The anode paste, which is prepared by using a mixture of petroleum coke, coal tar pitch, and recycled material, is compacted in a vibro-compactor to form green anodes. These anodes are baked in furnaces before being used in the electrolytic cells. The quality of the raw material and the parameters of the manufacturing process have a significant impact on the anode properties such as the chemical composition, electrical conductivity, thermal shock resistance, homogeneity, and air and CO2 reactivities. The anode quality plays a major role in energy consumption, production cost, and emissions of greenhouse gases. During their manufacture, the pitch acts as a binder. A good distribution of pitch has a positive impact on anode quality. Most of published studies show the use of the optical or scanning electron microscope to determine the pitch distribution. This works well in the laboratory for small samples. The objective of this study is to determine the distribution of pitch on the surface of industrial green anodes by image analysis. To do this, an image analysis software using the Canny algorithm and the distribution of primary colors red, green and blue (RGB) has been developed that can rapidly determine the distribution of pitch on the surface of the anode. This software can determine if the surface of the anode is over-pitched or under-pitched. It can determine the non-homogeneity of the distribution of pitch on the anode surface. In addition, the Gauss filter is used to cancel the noise generated by the Canny algorithm. The developed image analysis software is used to analyze the images of green anode surfaces obtained using an image capture system. This system contains essentially a light for the uniform illumination of the anode surface and a digital camera for capturing images. This study was carried out partly in an aluminum smelter and partly in the carbon laboratory of the UQAC/AAI Chair in order to collect information on the pitch level of green anodes fabricated under different operating conditions, and the results were analyzed. These results from the image analyses were correlated with the characteristics of the anodes. For this purpose, a number of anodes with different properties were produced at the plant. In addition, laboratory anodes with different specifications, including the percentage of pitch, the distribution of particle size, and different green anode manufacturing conditions, were produced in the carbon laboratory at UQAC. A method based on chemical analysis was used to validate the results of the image analysis software developed in the current study. This involved the spectrophotometric analysis of samples taken from different parts of industrial and laboratory anodes that were identified as over-pitch and under-pitch by the image analysis software. The samples were crushed and then were soaked in solvent for a certain time to dissolve pitch before the analysis in the spectrophotometer. Some results of the chemical analysis of lab and industrial anodes helped further improve the image analysis software, and the remaining chemical analysis results allowed the validation of the software by comparing them with those of the image analysis.

Les machines asynchrones sont omniprésentes dans les systèmes de production automatisé à cause de leur robustesse et leur facilitée de mise en oeuvre. Néanmoins, ces moteurs électriques concèdent tout de même des défauts (ex : court-circuit entre spires, barre rotoriques rompues) menant à des arrêts non planifiés. Par conséquent, les industries manufacturières investissent des ressources importantes afin de les éviter avec des programmes de maintenance qui sont partiellement inefficace. C’est dans ce contexte que, depuis plusieurs décennies, des chercheurs proposent des travaux permettant de diagnostiquer l’état des machines asynchrones. Cependant, les solutions ne donnent que très rarement la localisation et l’estimation du degré de sévérité des anomalies qui ne permet pas de prioriser les actions pour l’amélioration de la maintenance. De plus, la majorité des moyens de diagnostic ne sont pas adaptifs à d’autres gammes de moteur et les études ne prennent pas en compte la commande des machines asynchrones pour les applications à vitesse et couple variables. Ainsi, nous proposons dans cette thèse une nouvelle approche pour l’amélioration du processus de maintenance par la reconnaissance des défauts de la machine asynchrone reposant principalement sur l’exploitation des modèles d’intelligence artificielle. Celle-ci permettra de détecter, de localiser et d’estimer le degré de sévérité des anomalies du moteur grâce à ses courants statoriques. La solution donnée dans cet ouvrage est adaptif et surtout a été testé pour une machine possédant une commande et un asservissement de vitesse avec des différents profils de vitesse et couple variables. Pour ce faire, la recherche proposée exploite les modèles mathématiques de la machine asynchrone et de ses défauts afin de simuler les différents comportements de celle-ci. Les simulations serviront à créer des bases de données grâce à l’extraction de caractéristiques issue du traitement des signaux. Chacune des séries de données appartient à une catégorie décrivant le défaut du moteur. Par la suite, des algorithmes de classification permettront de reconnaître les anomalies de la machine asynchrone. Nous présentons également une approche hiérarchique qui améliore le taux de reconnaissance des défectuosités du moteur à induction. Ce projet se situant à la frontière des domaines du génie électrique, du génie informatique et des mathématiques constitue un défi complexe et formidable de recherche scientifique. Induction machines are omnipresent in production systems because of their sturdiness and their ease of implementation. Nevertheless, these electrical motors still concede failures (e.g. inter-turn short circuit, broken rotor bar), which may lead to unplanned shutdowns. Consequently, manufacturing industries invest significant resources to avoid them with maintenance, which is partially inefficient. In this context, some studies propose solutions to abnormal diagnostic conditions of the induction machine. Nevertheless, they rarely localize the defect and estimate the severity of the failure, which does not allow prioritizing action for the maintenance improvement. In addition, solutions are not adaptive for other motors, and studies do not include the control part very useful for speed and torque variable applications. Thus, in this thesis, we propose a new approach improving the maintenance process by the recognition of the induction machine failures. It relies mainly on Artificial Intelligence models and will allow to detect, localize and to estimate the degree of severity of the asynchronous motor faults thanks to the exploitation of current signals. The solution given in this project is adaptive and have been tested for induction machines operating with a speed and drives control. In addition, several speed and resistant torque profiles have been applied. To do this, the research proposed exploits the mathematical models of the induction machine operating under the healthy and faulty conditions. Simulations allow creating some datasets thanks to the feature extractions and the signals processing. Each vector of data belongs to a category describing the failure. Then, classification algorithms will recognize the induction machine defects. We also present a hierarchical approach, which improves the recognition rate. This project being a mix of electrical engineering, informatics and mathematic is a complex and amazing challenge of scientific research.

Friction stir welding, FSW, is a solid-state joining method that is ideally suited for welding aluminum alloys. Welding of the aluminum is accomplished by way of a hardened steel tool that rotates and is pushed with great force into the work pieces. Friction between the tool and the aluminum causes heat to be generated, which softens the aluminum, rendering it easy to deform plastically. In recent years, the FSW process has steadily gained interest in various fabrication industries. However, wide spread acceptance has not yet been attained. Some of the main reasons for this are due to the complexity of the process and the capital cost to procure the required welding equipment and infrastructure. To date, little attention has been paid towards finding optimal process parameters that will increase the economic viability of the FSW process, thus offsetting the high initial investment most. In this research project, a robust and efficient numerical simulation code called SPHriction-3D is developed that can be used to find optimal FSW process parameters. The numerical method is meshfree, allowing for all of the phases of the FSW process to be simulated with a phenomenological approach. The dissertation starts with a focus on the current state of art. Next an in-depth development of the proposed meshfree formulation is presented. Then, the emphasis turns towards the presentation of various test cases along with experimental validation (the focus is on temperature, defects, and tool forces). The remainder of the thesis is dedicated to the development of a robust approach to find the optimal weld quality, and the associated tool rpm and advancing speed. The presented results are of engineering precision and are obtained with low calculation times (hours as opposed to days or weeks). This is possible, since the meshfree code is developed to run in parallel entirely on the GPU. The overall outcome is a cutting edge simulation approach for the entire FSW process. Le soudage par friction malaxage, SFM, est une méthode idéale pour relier ensemble des pièces en aluminium. Lors du procédé, un outil en acier très dur tourne à haute vitesse et est presser dans les plaques avec beaucoup de force. L’outil frotte sur les plaques et génère la chaleur, ce qui ramollie l’aluminium, ceci le rendant plus facile à déformé mécaniquement. Récemment, le SFM a connu une croissance de reconnaissance important, par contre, l’industrie ne l’as pas encore adopté unilatéralement. Il existe encore beaucoup de terrain à défricher avant de bien comprendre comment les paramètres du procédé font effet sur la qualité de la soudure. Dans ce travail, on présente une approche de simulation numérique sans maillage pour le SFM. Le code développé est capable de prendre en considération des grandes déformations plastiques, le ramollissement de l’aluminium avec la température, et la condition de frottement complexe. Cette méthode permet de simulé tous les phases du procédé SFM dans une seule modèle. La thèse commence avec un mis en contexte de l’état actuel de la simulation numérique du SFM. Une fois la méthodologie de simulation sans maillage présenté, la thèse concentre sur différents cas de vérification et validation. Finalement, un travail d’optimisation des paramètres du procédé est réalisé avec le code numérique. La méthode de simulation présentée s’agit d’une approche efficace et robuste, ce qui le rend un outil de conception valable pour les ingénieurs qui travaille dans le domaine de SFM.

Les robots ont un rôle fondamental dans la fabrication industrielle. Non seulement ils augmentent l'efficacité et la qualité des lignes de production, mais aussi diminuent considérablement la charge de travail des humains.Cependant, en raison des limites des robots industriels en termes de flexibilité, de perception et de sécurité,Leur utilisation est limitée à un environnement structuré bien connu. En outre, il n'est pas toujours rentable d'utiliser des robots autonomes industriels dans de petites usines à faibles volumes de production.Cela signifie que des travailleurs humains sont encore nécessaires dans de nombreuses chaînes d'assemblage pour exécuter des tâches spécifiques.Par conséquent, ces dernières années, une grande impulsion a été donnée à la co-manipulation homme-robot.En permettant aux humains et aux robots de travailler ensemble, il est possible de combiner les avantages des deux; La compréhension des tâches abstraites et la perception robuste typique d'un être humain avec la précision et la force d'un robot industriel.Une approche réussie pour faciliter la co-manipulation homme-robot, est l'approche de guides virtuels qui contraint le mouvement du robot sur seulement certaines trajectoires pertinentes. Le guide virtuel ainsi réalisé agit comme un outil passif qui améliore les performances de l'utilisateur en termes de temps de tâche, de charge de travail mentale et d'erreurs.L'aspect innovant de notre travail est de présenter une bibliothèque de guides virtuels qui permet à l'utilisateur de facilement sélectionner, générer et modifier les guides grâce à une interaction intuitive haptique avec le robot.Nous avons démontré, dans deux tâches industrielles, que ces innovations fournissent une interface novatrice et intuitive pour l'accomplissement des tâches par les humains et les robots. / Robots have a fundamental role in industrial manufacturing. They not only increase the efficiency and the quality of production lines, but also drastically decrease the work load carried out by humans.However, due to the limitations of industrial robots in terms of flexibility, perception and safety, their use is limited to well-known structured environment. Moreover, it is not always cost-effective to use industrial autonomous robots in small factories with low production volumes.This means that human workers are still needed in many assembly lines to carry out specific tasks.Therefore, in recent years, a big impulse has been given to human-robot co-manipulation.By allowing humans and robots to work together, it is possible to combine the advantages of both; abstract task understanding and robust perception typical of human beings with the accuracy and the strength of industrial robots.One successful method to facilitate human-robot co-manipulation, is the Virtual Guides approach which constrains the motion of the robot along only certain task-relevant trajectories. The so realized virtual guide acts as a passive tool that improves the performances of the user in terms of task time, mental workload and errors.The innovative aspect of our work is to present a library of virtual guides that allows the user to easily select, generate and modify the guides through an intuitive haptic interaction with the robot.We demonstrated in two industrial tasks that these innovations provide a novel and intuitive interface for joint human-robot completion of tasks.

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

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

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

Face à l'augmentation de la taille et de la complexité des systèmes logiciels, il convient de les décrire à un plus haut niveau d'abstraction (\ie au-delà du code) avant de concrètement les implémenter. Toutefois, l'utilisation de ces descriptions de haut niveau dans les processus de construction et de vérification des systèmes reste très rudimentaire, ne permettant pas de véritablement guider et faciliter le développement logiciel. Cette thèse propose une nouvelle approche pour rendre plus simple et plus sûr le développement de systèmes logiciels. Cette approche repose sur l'utilisation de langages dédiés et sur un couplage fort entre une couche de spécification et d'architecture et une couche d'implémentation. Elle consiste tout d'abord à décrire à un haut niveau d'abstraction différents aspects, à la fois fonctionnels et non fonctionnels, d'un système dans la couche de spécification et d'architecture. Ces descriptions sont ensuite analysées et utilisées pour personnaliser la couche d'implémentation, afin de faciliter la construction et la vérification du système logiciel. Nous illustrons notre approche dans le domaine de l'informatique ubiquitaire. À la suite d'une analyse complète du domaine, nous avons conçu deux langages dédiés à l'orchestration d'objets communicants, Pantaxou et Pantagruel.