The concept of a robotic manipulator is widely used throughout many industries. In this project, a manipulator of the type SCARA, selective compliance articulated robot arm, is constructed. The aim was to examine how such a robot could be constructed using 3D-printing and how accurate it would be. Other than 3D-printing, parts in the form of guiding rods, lead screw, bearings, pulleys and timing belts were used. Together with a microcontroller, the robot operates using three stepper motors. In the end it resulted in a SCARA with reasonable accuracy considering the methods used, more specifically the largest average error was 3.6cm in the X direction and 2.3 cm in the Y direction. The largest drawback of the final construction was the negative balance between tightening the belts and friction in the inner joint. Tightening the belts meant larger friction and thereby undesired movement properties. Doing the opposite meant that the belts could start slipping and enabled backlash. / Konceptet av en robotarm används brett inom många industrier. Detta projekt syftar till att konstruera en robot avtypen SCARA, selective compliance articulated robot arm. Målet var att undersöka hur en sådan robot kan 3D-printas och dess precision. Förutom 3D-printade delar användes även guidestänger, kullager, kamremmar och remskivor. Robotens rörelser styrs tillsammans med en mikrokontroller och tre stegmotorer. Med tillvägagångssätten i åtanke resulterade projektet in en SCARA med rimlig precision. Mer specifikt var medelfelet 3.6 cm i X-led och 2.3 cm i Y-led. Den största nackdelen med den slutgiltiga konstruktionenvar den negativa jämvikten mellan att spänna kamremmarna och friktionen i den inre armleden. Att spänna kamremmarna innebar en ökning i friktion och därmed oönskade rörelseegenskaper. Att göra tvärtom innebar att bältena löpte större risk att glida ur och möjliggjorde dödgång.

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire. / Biomechanical analysis of human movement using optoelectronic system and skin markers considers body segments as rigid bodies. However the soft tissue motion relative to the bone, including muscles, fat mass, results in relative displacement of markers. This displacement is the results of two components, an own component which corresponds to a random motion of each marker and an in-unison component corresponding to the common movement of skin markers resulting from the movement of the underlying wobbling mass. While most studies aim to minimize these displacements, computer simulation models have shown that the movement of the soft tissue motion relative to the bones reduces the joint kinetics. This observation is only available using computer simulations because there are no methods able to distinguish the kinematics of wobbling mass of the bones kinematics. The main objective of this thesis is to develop a numerical method able to distinguish this different kinematics. The first aim of this thesis was to assess a local optimisation method for estimating the soft tissue motion using intra-cortical pins screwed into the humerus in three subjects. The results show that local optimisation underestimates of 50% the marker displacements. Also it leads to a different marker ranking in terms of displacement. The limit of local optimisation comes from the fact that it does not consider all the components of the soft tissue motion, especially the in-unison component. The second aim of this thesis was to develop a numerical method that accounts for all the component of the soft tissue motion. More specifically, this method should provide similar kinematics and estimate large marker displacement and distinguish the two components to conventional approaches. The lower limb is modeled using a 10 degree of freedom chain model reconstructed using global optimisation and the markers placed only on the pelvis and the medial face of the shank. The original estimate of joint kinematics without considering the markers placed on the thigh and on the calf avoids the influences of these markers displacement on the kinematic model reconstruction. This method was tested on 13 subjects who performed hopping trials and obtained up to 2.1 times of marker displacement depending the method considered ensuring similar joint-kinematics. A vector approach shown that marker displacements is more induce by the in-unison component. A matrix approach combining the local optimisation and the kinematic model shown that the wobbling mass moves around the longitudinal axis and along the antero-posterior axis of the bone. The originality of this thesis is to numerically distinguish the bone kinematics from the wobbling mass kinematics and the two components of the soft tissue motion. The methods developed in this thesis increases the knowledge on soft tissue motion and allow future studies to consider their movement in joint kinetics calculation.

Les avancées récentes en matière d'animation ont permis le déploiement de personnages virtuels à des fins diverses et variées. Les signeurs virtuels sont des personnages en trois dimension s'exprimant en langue des signes et permettant la diffusion de messages aux personnes sourdes et malentendantes signantes de manière anonyme et modulaire. Cependant, la génération d'animations pour ces personnages dépend de la description lexicale des signes, modèle linguistique dépendant du système de génération. Les signes décrits par ces modèles sont généralement des réalisations parfaites et géométriques menant à des mouvements robotiques et peu naturels de la part du signeur. Cette thèse s'intéresse à l'addition d'informations anatomiques au squelette de contrôle du personnage virtuel de manière à le faire signer de manière plus humaine et réaliste. Ces informations supplémentaires sont regroupées sous l'appellation de "modèle anatomique" et sont divisées en cinq contributions principales : une nouvelle représentation informatique du squelette, une étude anthropométrique sur la main, l'unification de dépendances articulatoires, un nouveau modèle de complexe carpo-métacarpien permettant l'opposition aisée du pouce et enfin un modèle calculant le confort d'une posture. Ces apports sont intégrés à une plateforme de génération au moyen de techniques adaptées aux contraintes imposées par les modèles linguistiques. Les travaux sont conclus par une évaluation du système ainsi qu'une réflexion sur les travaux futurs pouvant être élaborés à partir de cette thèse. / Recent progresses in animation have allowed the use of virtual character to many extents. Virtual signers (or signing avatars) are three-dimension characters expressing themselves in sign language. These characters allow the the broadcasting of audio information to deaf and hearing-impaired signers in an anonymous and modular fashion. However, automatic generation of animation for such characters strongly rely on the lexical description of signs. Signs described through these models are usually perfect and geometric performances leading to robotic and unrealistic movements. These thesis focuses on adding information to the control skeleton of the signer to help him perform signs in a more human and realistic way. Such information are grouped under the name of "anatomic model" and are divided in five main contributions : a new computer-based description of the skeleton, an anthropometric study of the hand, the merging of articulatory dependencies, a new model of the carpo-metacarpal complex allowing an easier opposition of the thumb and finally a model computing posture comfort. These contributions are then implemented in a generation system through linguistic contraints-adapted techniques. The study ends with an evaluation of the system and a the presentation of future prospects.

3D-skrivare är inte längre något som endast stora företag har råd att använda sig av, utan någonting som har tagit sig ända till konsumentmarknaden. Detta har givit både hobbyanvändare och småföretag tillgång till ett kraftfullt verktyg för iterativ design. Det görs idag även stora framsteg inom robotik som ger upphov till möjligheter för tillämpningar av både industri- och konsumentrobotar i framtiden. Komplexiteten i robotar gör 3D-skrivare till användbara verktyg när det kommer till att ta fram robotprototyper. Målet med detta projekt var därför att analysera fördelar och nackdelar med 3D-skrivning i samband med prototypframtagning av en robotarm med sex axlar som kunde utföra enkla pick-and-place-rörelser. Roboten designades i Fusion360 och skrevs ut med 3D-skrivare i PETG. En Arduino MEGA användes till att styra stegmotorer i robotens axlar och styrningen implementerade en analytisk lösning till robotens kinematisk modell. Resultatet var en fungerande prototyp som kunde programmeras till att flytta och rotera föremål. Ett antal förbättringar av prototypen går att göra, till exempel går det att öka robotens rörlighet genom att designa om delar för att tillåta att axlar rotera längre och att implementera ytterligare funktionalitet i programmet som accelerationsrampning av stegmotorer och rörelse längs förvald bana. Utifrån analys av 3D-skrivningens inverkan på projektet framgick det att 3D-skrivning verkar användbart i prototypframtagning om dess möjlighet till iterativ design är önskvärd, men att det passar ännu bättre till mindre projekt då robotens storlek hindrade möjligheten till att utnyttja iterativ design till fullo och på så sätt hindrades även effektiviteten i 3D-skrivningsprocessen.

Le nombre de robot humanoïde s’est accru ces dernières années pour pouvoir collaborer avec l’homme ou le remplacer dans des tâches fastidieuses. L’objectif de cette thèse est de transférer aux robots humanoïdes, des habilités ou compétences humaines, en particulier pour des mouvements impliquant une coordination entre les deux bras. Dans la première partie de la thèse, un processus de conversion d’un mouvement humain vers un mouvement de robot, dans un objectif d’imitation est proposé. Comme les humains possèdent beaucoup plus de degrés de liberté qu’un robot humanoïde, les mouvements identiques ne peuvent pas être produits, les caractéristiques(longueurs des corps) peuvent aussi être différentes. Notre processus de conversion prend en compte l’enregistrement des localisations de marqueurs attachés aux corps de l’humain et des articulations pour améliorer les processus d’imitation. La deuxième partie de la thèse vise à analyser les stratégies de génération du mouvement utilisées par l’homme. Les mouvements humains sont supposés optimaux et notre objectif est de trouver un critère à minimiser pendant les manipulations. Nous faisons l’hypothèse que ce critère est une combinaison de critères classiquement utilisés en robotique et nous recherchons les poids de chaque critère qui représente au mieux le mouvement humain. De cette façon, une approche de commande cinématique optimale peut ensuite être utilisée pour générer des mouvements du robot humanoïde. / The number of humanoid robots has increased in recent years to be able to collaborate with humans or replace them in tedious tasks. The objective of this thesis is to transfer to humanoid robots, skills or human competences, in particular for movements involving coordination between the two arms. In the first part of the thesis, a process of conversion from a human movement to a robot movement, with the aim of imitation is proposed. Since humans have much more freedom than a humanoid robot, identical movements cannot be produced, the characteristics (body lengths) canal so be different. Our conversion process takes into account the recording of marker locations attached to human bodies and joints to improve the imitation processes. The second part of the thesis aims at analyzing the strategies used by humans to generate movement. Human movements are assumed to be optimal and our goal is to find criteria minimized during manipulations. We hypothesize that this criterion is a combination of classical criteria used in robotics and we look for the weights of each criterion that best represents human movement. In this way, an optimal kinematic control approach can then be used to generate movements of the humanoid robot.

SOFIA (Studies On FIssion with Aladin - Études de fission avec ALADIN) est un projet expérimental qui se propose de mesurer systématiquement les rendements isotopiques de fission, ainsi que l'énergie cinétique totale des fragments, pour une large gamme de noyaux fissionnants. Le travail de thèse présenté ici prend part au projet SOFIA, et a pour objet l'étude de la fission de noyaux dans la région des actinides : ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁷Np et ²³⁸Np.L'expérience SOFIA est menée au GSI, un accélérateur d'ions lourds situé à Darmstadt en Allemagne. Cette installation fournit un faisceau relativiste et intense d'uranium-238. Par une réaction de fragmentation de ce faisceau primaire, il est créé un faisceau secondaire contenant une large variété d'ions, dont, pour certains, la fission va être étudiée. Les ions de ce faisceau secondaire sont triés et identifiés dans le séparateur de fragments FRS, un spectromètre de recul de haute résolution qui est réglé pour sélectionner les ions d'intérêt.Ensuite, les ions fissiles sélectionnés continuent leur vol jusqu'à la Cave-C, une aire expérimentale où l'expérience de fission elle-même a lieu. À l'entrée de la cave, l'ion du faisceau secondaire est excité par interaction Coulombienne alors qu'il traverse une cible; les voies de dé-excitation possibles incluent la fission de basse énergie. Lors d'une fission, les deux fragments sont émis dans un cône étroit dans le référentiel du laboratoire, dû à l'impulsion relativiste qui leur est transmise par le système fissionnant. Un spectromètre de recul complet a été développé par la collaboration SOFIA autour du dipôle existant ALADIN. L'identification des fragments est réalisée par des mesures de perte d'énergie, de temps de vol et de déviation dans l'aimant. Les deux fragments de fission sont identifiés simultanément et complètement (en masse et en charge). Ce document présente l'analyse menée pour (1) l'identification du système fissionnant, (2) l'identification des deux fragments de fission - évènements par évènements -, et (3) l'extraction des observables de fission : rendements, énergie cinétique totale, multiplicité total en neutrons prompts. Ces résultats concernant les actinides sont discutés, et l'ensemble des données extraites est fourni. / SOFIA (Studies On FIssion with Aladin) is an experimental project which aims at systematically measuring the fission fragments' isotopic yields as well as their total kinetic energy, for a wide variety of fissioning nuclei. The PhD work presented in this dissertation takes part in the SOFIA project, and covers the fission of nuclei in the region of the actinides : ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁷Np and ²³⁸Np.The experiment is led at the heavy-ion accelerator GSI in Darmstadt, Germany. This facility provides intense relativistic primary beam of 238U. A fragmentation reaction of the primary beam permits to create a secondary beam of radioactive ions, some of which the fission is studied. The ions of the secondary beam are sorted and identified through the FR-S (FRagment Separator), a high resolution recoil spectrometer which is tuned to select the ions of interest.The selected - fissile - ions then fly further to Cave-C, an experimental area where the fission experiment itself takes place. At the entrance of the cave, the secondary beam is excited by Coulomb interaction when flying through an target; the de-excitation process involves low-energy fission. Both fission fragments fly forward in the laboratory frame, due to the relativistic boost inferred from the fissioning nucleus.A complete recoil spectrometer has been designed and built by the SOFIA collaboration in the path of the fission fragments, around the existing ALADIN magnet. The identification of the fragments is performed by means of energy loss, time of flight and deviation in the magnet measurements. Both fission fragments are fully (in mass and charge) and simultaneously identified.This document reports on the analysis performed for (1) the identification of the fissioning system, (2) the identification of both fission fragments, on an event-by-event basis, and (3) the extraction of fission observables: yields, TKE, total prompt neutron multiplicity. These results, concerning the actinides, are discussed, and the set of data extracted is provided.

Orientador: Suely Cunha Amaro Mantovani / Resumo: No estudo dos manipuladores são utilizados os conceitos da cinemática direta e a inversa. No cálculo da cinemática direta tem-se a facilidade da notação de Denavit-Hartenberg, mas o desafio maior é a resolução da cinemática inversa, que se torna mais complexa conforme aumentam os graus de liberdade do manipulador, além de apresentar múltiplas soluções. As variáveis angulares obtidas pelas equações da cinemática inversa são utilizadas pelo controlador, para posicionar o órgão terminal do manipulador em um ponto específico de seu volume de trabalho. Na busca de alternativas para contornar estes problemas, neste trabalho utilizam-se os Modelos Adaptativos de Inferência Neuro-Fuzzy - ANFIS para a resolução da cinemática inversa, por meio de simulações, para obter o posicionamento de um manipulador robótico de 5 graus de liberdade, composto por sete servomotores controlados pela plataforma de desenvolvimento Intel® Galileo Gen 2, usado como caso de estudo. Nas simulações usamse ANFIS com uma arquitetura com três e quatro funções de pertinência de entrada, do tipo gaussiana. O desempenho da arquitetura da ANFIS implementada foi comparado com uma Rede Perceptron Multicamadas, demonstrando com os resultados favoráveis a ANFIS, a sua capacidade de aprender e resolver com baixo erro quadrático médio e com precisão, a cinemática inversa para o manipulador em estudo. Verifica-se também, que a performance das ANFIS melhora, quanto à precisão dos resultados, demonstrado pelo desvio médio d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In the study of manipulator’s, the concepts of direct and inverse kinematics are used. In the computation of forward kinematics, it has of the ease of Denavit-Hartenberg notation, but the biggest challenge is the resolution of the inverse kinematics, which becomes more complex as the manipulator's degrees of freedom increase, besides presenting multiple solutions. The angular variables obtained by the inverse kinematics equations are used by the controller to position the terminal organ of the manipulator at a specific point in its work volume. In the search for alternatives to overcome these problems, in this work, the Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Models (ANFIS) are used to solve the inverse kinematics, by means of simulations, to obtain the positioning of a robot manipulator of 5 degrees of freedom, consisting of seven servomotors controlled by the Intel® Galileo Gen 2 development platform, used as a case's study . In the simulations ANFIS's architecture are used three and four Gaussian membership functions of input. The performance of the implemented ANFIS architecture was compared to a Multi-layered Perceptron Network, demonstrating with the favorable results the ANFIS, its ability to learn and solve with low mean square error and with precision, the inverse kinematics for the manipulator under study. It is also verified that the performance of the ANFIS improves, as regards the accuracy of the results in the training process, , demonstrated by the mean deviation of the... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

The heaviest fragments, recoils, have been studied in proton and deuteron induced 28Si reactions and proton-20Ne reactions at 100-300 MeV per nucleon. Inclusive charge and angular distributions and coincidences between He nuclei and recoils have been compared to two theoretical models, Dubna Cascade Model and JAERI Quantum Molecular Dynamics. The overall agreement was good for the reactions with 28Si, however the angular distributions of He fragments could not be reproduced. For the 20Ne reactions the recoil angular distributions were only reproduced for large angles. There was a significant underestimation at small angles and low recoil charge. α-clustering in the bombarding nucleus is a possible explanation for the deviations. In the 100 MeV per nucleon reactions all assumptions of the models may not be valid and the agreement was worst for these reactions. In proton-natXe reactions intermediate mass fragments have been studied from 200 to 1400 MeV. Slow ramping was used to scan the energy. Charge distributions and a caloric curve have been compared to Cascade Fragmentation Evaporation Model. Charge distributions showed good agreement for fragments with Z<8 but the heavier fragments were underestimated.

Robots moving about in complex environments must be capable of determining and performing difficult motion sequences to accomplish tasks. As the tasks become more complicated, robots with greater dexterity are required. An increase in the number of degrees of freedom and a desire for autonomy in uncertain environments with real-time requirements leaves much room for improvement in the current popular robot motion planning algorithms. In this thesis, state of the art robot motion planning techniques are surveyed. A solution to the general movers problem in the context of motion planning for robots is presented. The proposed robot motion planner solves the general movers problem using a sample-based tree planner combined with an incremental simulator. The robot motion planner is demonstrated both in simulation and the real world. Experiments are conducted and the results analyzed. Based on the results, methods for tuning the robot motion planner to improve the performance are proposed.

Motion planning for redundant manipulators poses special challenges because the required inverse kinematics are difficult and not complete. This thesis investigates and proposes methods for motion planning for these systems that do not require inverse kinematics and are potentially complete. These methods are also compared in performance to standard inverse kinematics based methods.