Les interactions physiques comportent divers gestes dextres et sont sources d’échanges d’informations très variées. Différentes interfaces haptiques ont été développées pour reproduire ces mouvements dextres et ces interactions. Cependant il est impossible actuellement de concevoir une interface simulant tous les types d’interactions avec un retour haptique réaliste. Je propose d’identifier les interactions les plus importantes et les zones de la main les plus intéressantes à stimuler, et ensuite d’étudier comment associer certains dispositifs pour améliorer le ressenti de l’utilisateur. Il semble intéressant de développer une interface se concentrant sur : la transition entre les mouvements de l’utilisateur en espace libre et au contact d’un objet, le retour d’effort, et enfin la déformation locale et globale de la pulpe, et ce sur 4 zones : les phalanges distales du pouce, de l’index et de l’annulaire, et le côté extérieur de l’index. Afin de rendre cela réalisable dans le cadre d’une thèse, j’ai entrepris de développer une interface à retour d’effort à contacts intermittents sur le pouce et l’index, tout en prenant en compte l’ajout futur d’un retour plus complet. Pour cela, j’ai tout d’abord élaboré un effecteur instrumenté permettant d’acquérir, sans contact, la position de la dernière phalange d’un doigt en 6D. Puis j’ai dimensionné une interface de type gant à deux doigts, capable de déplacer, en 6D, ces effecteurs dans l’ensemble de l’espace de travail des doigts et de générer un retour d’effort quand cela est nécessaire. Enfin j’ai étudié la commande de ce système lors de ses différentes phases de fonctionnement et ses performances ont été évaluées. / Physical interactions involve highly dexterous movements and exchanges of diverse information. Numerous haptic interfaces were developed with the aim to reproduce these dexterous gestures and each of these interactions. However, it is technically impossible to date to design an interface simulating all of them with a realistic haptic feedback.I propose to identify the most important interactions and the hand areas the most interesting to stimulate, and then to study how associate different devices to improve the feeling of an operator. I decided to focus on: the transition between user’s movements in free space and in contact with an object, force feedback, and finally local and global deformation of the fingers’ pulp, with an emphasis on the four following areas: distal phalanges of the thumb, index and middle finger, plus the external side of the index finger. To make this possible during a PhD, I finally decided to focus on an intermittent contact force feedback interface for the thumb and index fingers, by taking into account the future integration of more complete feedback. Therefore, I first developed instrumented end-effectors able to remotely measure the 6D configuration of the distal phalanx of the fingers without any contact with them. Then I dimensioned and designed a glove-type haptic interface with two fingers. This device allows controlling the position and orientation of the intermittent contact end-effectors in 6D throughout the whole fingers workspace. It is also able to generated force feedback when necessary. Finally, I studied the control laws of this interface in all its operating phases and its performances were evaluated.

Le projet de recherche, initié en automne 2014 par le Centre des Technologies Avancées de Sherbrooke, partenariat entre Bombardier Recreational Products (BRP) et l’Université de Sherbrooke, se focalise sur le système de transmission d’un véhicule de sport-tourisme à trois roues dans le but de réduire, d’une part la consommation énergétique de ce dernier et d’autre part le niveau de vibration de ce dernier. La première partie du projet de recherche vise à imaginer, modéliser, dimensionner, optimiser, concevoir et contrôler (end-to-end) un nouvel actionneur d’embrayage électrique innovant et moins énergivore que l’actuel actionneur d’embrayage électrohydraulique utilisé dans la transmission manuelle automatisée (AMT) du véhicule. Grâce à une stratégie de commande avancée, cette rupture technologique doit permettre d’être écoénergétique tout en ayant un niveau de performance élevé et pour un coût acceptable. La deuxième partie du projet de recherche vise à investiguer le sens physique et mathématique d’un phénomène d’oscillations transverses de la courroie de transmission – transmettant le couple du bloc moteur à la roue arrière – observé sur le véhicule pour certains régimes moteurs. Puis, proposer une solution mécatronique innovante, basée sur une stratégie de contrôle spécifique de l’actionneur d’embrayage du véhicule, afin de supprimer ces oscillations de courroie sans altérer l’expérience de conduite. Ce document regroupe l’ensemble des travaux effectués et les résultats obtenus pour les deux projets de recherche. Dans un premier temps, la revue de l’état de l’art sur les embrayages, leurs actionnements et leurs stratégies de contrôle sont présentés. Puis, le nouveau dispositif d’actionnement d’embrayage dimensionné et optimisé et sa stratégie de contrôle sont développés. Ensuite, une nouvelle méthode agile et faible coût pour évaluer expérimentalement la consommation d’énergie d’un dispositif d’actionnement virtuellement intégré à un véhicule sur un cycle normalisé est exposée et appliquée à notre cas d’étude. Par la suite, les travaux réalisés pour comprendre le phénomène d’oscillations de courroie et la solution mécatronique proposée pour supprimer celui-ci sont présentés. Puis, la stratégie de contrôle spécifique de l’actionneur d’embrayage conçue, dans notre cas, pour supprimer les oscillations de courroie est développée en détail. Pour finir, les travaux effectués pour ces deux projets de recherche sont conclus en fin de document.

Ce mémoire présente la conception et la validation expérimentale d'un système mécatronique visant à faciliter la manipulation de composantes lourdes dans des situations industrielles d'assemblage, par exemple l'assemblage de panneaux de fuselage d'avion. Le principe de la redondance sous-actionnée est utilisé pour que l'interaction entre l'opérateur humain et le robot soit sécuritaire, intuitive et réactive, tout en permettant une charge utile relativement élevée. Ce principe consiste à utiliser un mécanisme passif à basse impédance couplé à un système actif avec la charge utile à manipuler directement attachée à l'effecteur du mécanisme passif. Lors du fonctionnement du dispositif, l'opérateur humain manipule directement la charge utile et induit ainsi des mouvements dans le mécanisme passif. Les variations mesurées dans les articulations passives sont ensuite utilisées pour contrôler les articulations actives à haute impédance du robot. Dans les travaux réalisés antérieurement, le principe a été appliqué aux mouvements translationnels. Le but de ce mémoire est donc d'appliquer le principe de la redondance sous-actionnée aux mouvements rotatifs a n d'orienter une charge utile dans l'espace tridimensionnel. Tout d'abord, le principe est appliqué à un manipulateur plan à un degré de liberté pour évaluer la validité du concept pour les mouvements rotatifs. Ensuite, il est appliqué à un manipulateur spatial à deux degrés de liberté. Des contrepoids actifs sont utilisés pour équilibrer statiquement les deux manipulateurs. Il est à noter que le dernier mouvement rotatif n'est pas étudié puisqu'il est facile à implémenter ; l'équilibrage statique n'étant pas requis pour la rotation autour de l'axe vertical. Finalement, le système rotatif obtenu précédemment est combiné avec un système translationnel existant dans le but de manipuler librement une charge utile dans l'espace à six dimensions. Les validations expérimentales sont présentées pour montrer que le manipulateur est intuitif, réactif et sécuritaire pour l'opérateur humain. / This Master's thesis presents the design and experimental validation of a mechatronic system aimed at facilitating the handling of heavy components in industrial assembly situations, for example the assembly of aircraft fuselage panels. The principle of underactuated redundancy is used to make the interaction between the human operator and the robot safe, intuitive and responsive, while allowing a relatively high payload. This principle consists in using a low-impedance passive mechanism paired with an active system with a payload directly attached to the passive mechanism's end e ector. In the operation of the device, the human operator directly manipulates the payload and thereby induces movements in the passive mechanism. The measured joint variables in the passive mechanism are then used to control the high-impedance active joints of the robot. In previous works, the principle of underactuated redundancy has been applied to translational movements. The aim of this Master's thesis is therefore to apply the principle of underactuated redundancy to rotations in order to rotate a payload in three-dimensional space. First, the principle is applied to a one-degree-of-freedom planar manipulator in order to evaluate the validity of the concept for rotational motions. Then, it is applied to a two-degree-of-freedom spatial manipulator. Active counterweights are used to statically balance the two manipulators. It should be noted that the last rotational motion is not studied since it is easy to implement; static balancing is not required for the rotation around the vertical axis. Subsequently, the rotational system obtained previously is combined with an existing translational system with the objective of freely manipulating a payload in six-dimensional space. The experimental validations are presented to show that the manipulator is safe, intuitive and responsive for the human operator.

Les systèmes simples et les systèmes plus évolués tels que les robots aident l’être humain à accomplir plusieurs tâches depuis fort longtemps. Dans certains cas, le système en question remplace carrément l’humain alors que dans d’autres, le système agit en coopération avec celui-ci. Dans le dernier cas, le système représente plus un outil servant à augmenter les performances ou bien à éviter des tâches ingrates. L’avantage principal de cette augmentation humaine est de laisser à l’opérateur une certaine latitude dans le processus décisionnel de la tâche. Les forces propres aux humains et aux robots sont donc combinées afin d’obtenir une synergie, c’est-à-dire d’obtenir un meilleur système que la somme de ses composantes. Cependant, accomplir des tâches de coopération complexes de manière intuitives représente un défi de taille. Alors qu’auparavant les robots étaient isolés et donc conçus et programmés en conséquence, la nouvelle génération de robots doit être capable de comprendre son environnement et les intentions de l’humain, et d’y répondre adéquatement et de manière sécuritaire, intuitive, conviviale et ergonomique. Ceci apporte de nombreux débouchés dans différents domaines tels que la manutention, l’assemblage manufacturier, la réadaptation physique, la chirurgie, l’apprentissage via des simulations haptiques, l’aide aux personnes handicapées et bien d’autres. Cette thèse comporte trois parties. La première traite de la commande des robots d’interaction physique. L’approche pour parvenir à une commande intuitive, les bonnes pratiques, un algorithme d’interaction s’adaptant aux intentions de l’humain et l’adaptation d’une commande par couple pré-calculé à l’interaction humain-robot sont présentés. La deuxième partie traite de systèmes mains sur la charge qui sont plus intuitifs à utiliser pour l’opérateur. Le développement de ces systèmes comprend des innovations mécaniques et de commande avancées. La troisième partie traite finalement d’éléments de sécurité. Elle présente d’abord le développement d’un algorithme d’observation et de contrôle des vibrations et ensuite le développement d’un capteur détectant à distance la proximité humaine. Cette thèse se propose d’apporter plusieurs contributions, tant dans un esprit scientifique que pour des applications industrielles requérant des réponses immédiates. / For a long time, simple and advanced systems such as robots have been helping humans to accomplish several tasks. In some cases, the system simply replaces the operator while in other cases, the system cooperates with him/her. In the latter case, the system is more a tool used to increase performance or to avoid unpleasant tasks. The principal advantage of this human augmentation is to leave a certain latitude to the operator in the task decision process. Specific strengths of humans and robots are then combined to obtain a synergy, that is obtaining a more complete system than the sum of its parts. However, achieving complex tasks in a way that is intuitive to the human represents a huge challenge. While robots were previously segregated from humans and then designed and programmed accordingly, the new generation of robots must be able to perceive their environment and the human intentions and to respond to them safely, adequately, intuitively and ergonomically. This leads to several opportunities in a wide range of fields such as materials handling, assembly, physical rehabilitation, surgery, learning through haptic simulations, help to disabled people and others. This thesis comprises three parts. The first one deals with the control of physical interaction robots. The approach to an intuitive control, good practices, an interaction algorithm adapting to human intentions and the adaptation of a computed-torque control scheme for human-robot interaction are presented. The second part presents hands on payload systems which are more intuitive to use for the operator. These system developments include mechanical and advanced control innovations. The third part introduces safety features. First, the development of a vibration observer/controller algorithm is presented and then the development of a sensor detecting human proximity is reported. This thesis attempts to provide contributions, in a scientific spirit as much as for industrial applications requiring immediate solutions.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception des systèmes mécatroniques. Les travaux se positionnent dans les premières phases du cycle de conception, là où les principaux efforts méthodologiques sont à mener pour améliorer la qualité et la fonctionnalité des produits, et reposent sur le prototypage virtuel (modélisation et simulation). Une approche méthodologique envisageable est de reformuler le problème de conception sous une forme inverse, pour directement utiliser les spécifications du cahier des charges, usuellement exprimées sur les sorties, pour calculer les inconnues du problème. Dans ce contexte, le laboratoire Ampère développe une méthodologie de conception et dimensionnement, basée sur l'inversion de modèle, utilisant le formalisme bond graph, pour proposer une démarche reposant sur des critères dynamiques et énergétiques, et dont la principale originalité est sa phase d'analyse structurelle, permettant une hiérarchisation d’analyse suivant différents niveaux de la structure physique du modèle (topologie, phénoménologie, paramétrage). L'objectif est de contribuer au développement de cette méthodologie, en l’étendant aux modèles appartenant à la classe des systèmes singuliers, porté par la velléité de décliner la démarche à la conception fonctionnelle du châssis automobile et de ses sous-systèmes, comportant un certain nombre d'abstractions de modélisation et d'idéalisations. Cette déclinaison est proposée, d’une part, au niveau de la structure du modèle et, d’autre part, à un niveau considérant sa phénoménologie et ses lois de comportement. Elle requiert la mise en place préalable d'un référentiel algébrique, essentiellement issu de travaux sur la commande des systèmes, pour constituer une base de validation des extensions graphiques (digraphe et bond graph) proposées. En plus de la généralisation qu'ils constituent à la classe des modèles singuliers, les présents travaux proposent une uniformisation des précédentes approches de la méthodologie, originellement appliquées respectivement aux modèles directs et aux modèles inverses, de sorte qu'il n'est à présent plus nécessaire de les différencier. / The context of this PhD thesis is the modeling and design of mechatronic systems. The study is positioned in the early design stage of the conception cycle (V-Cycle), where the main efforts have to be produced in terms of methodology, to enhance the quality and the functionality of the products, and based on virtual prototyping (modeling and simulation). One of the possible methodology is to reformulate the design problem as an inverse problem, in order to directly use the design specification of the product, usually given in terms of the system outputs, and then solve the design problem. In this context, the Ampere laboratory of INSA Lyon has developed a conception and design methodology, based on inverse approach and using the bond graph formalism, to propose a step-by-step method based on dynamic and energetic criteria, with a structural analysis phase that allows hierarchical analysis steps, depending on the structural physical layout of the model (topological, phenomenological, parameter set). The aim of the present works is to contribute to the development of this methodology, by enhancing it to the class of descriptor systems. This choice is led by the aim to apply the methodology in the context of chassis design and vehicle dynamics, where, among other, multi-body models represented as a differential-algebraic equation (DAE) system could occur. The contributions are proposed at the level of the topology of the model, as well as at the level of the phenomenological / behavioral aspects. A preliminary step is to enhance the existing algebraic framework to support graphical extension (in term of digraph and bond graph). The overall methodological extensions allow, firstly, a generalization of the approach to the class of descriptor systems, and, secondly, to reach a standardization of the procedures, previously dedicated to direct or inverse models, so as no mandatory differences between those models have to be done anymore.

Ce travail de thèse adresse une problématique industrielle qui s'articule autour de la modélisation de la chaîne logistique, composée essentiellement de groupements de PME mécatroniques, afin d'analyser les caractéristiques organisationnelles et comportementales et d'en évaluer la performance. Le développement de la solution de modélisation s'inscrit dans une démarche de raffinement itératif et d'intégration progressive de modèles. Le cadre de cette démarche constitue le fondement du processus de développement adopté « ArchMDE » basé sur l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM). Par conséquent, les travaux de cette recherche sont caractérisés par une contribution double. Dans la première contribution, il s'agit de la proposition d'un métamodèle générique de la chaîne logistique. En puisant dans la littérature nous avons proposé une méthodologie de conceptualisation incrémentale et générique qui permet la génération d'un modèle conceptuel de la structure d'une chaîne logistique ainsi que les relations entre ses différentes entités. L'application de cette démarche a donné lieu à la construction d'un métamodèle décrivant le champ d'application étudié (PME mécatroniques). La seconde contribution permet de formaliser le comportement dynamique des concepts générés lors de la première étape en adoptant le paradigme multi-agent. Ainsi, nous avons proposé une agentification du métamodèle du domaine en se basant sur l'analogie naturelle entre la chaîne logistique et le système multi-agent. Cette agentification a donné lieu à un métamodèle du domaine agentifié avec une mise en place des protocoles d'interaction visant à synchroniser et piloter la chaîne logistique. L'étude des relations et du comportement dynamique des différents concepts a permis d'aboutir à un métamodèle d'implémentation qui exprime à la fois les deux vues statique et dynamique du domaine d'application. Ce dernier artefact a fait l'objet d'une instanciation et d'une implémentation d'un cas industriel réel dans un environnement JAVA.

Cette étude se focalise principalement sur la modélisation et l’amélioration d’un accumulateur industriel de bande. Le premier chapitre présente la modélisation non-linéaire, puis la linéarisation autour d'un point de fonctionnement, d’un accumulateur industriel comportant un chariot pneumatique ou motorisé. Cette modélisation complète prend en compte les non-linéarités des différents types d’actionneurs du chariot. Les paramètres mécaniques les plus influents sur les performances de ces accumulateurs sont mis en évidence, puis les stratégies de commandes industrielles classiques sont testées sur ces accumulateurs. Le second chapitre présente l’optimisation des performances de l’accumulateur. Des améliorations de la commande sont réalisées : prise en compte de la robustesse, optimisations multi-objectifs, nouvelles structures de commandes. Ces améliorations montrent un net gain des performances concernant la tension de bande à la sortie de l'accumulateur. De nouvelles structures d’accumulateurs incluant un danseur sont proposées, améliorant fortement les performances. Une comparaison des performances des différents accumulateurs est présentée. Le dernier chapitre présente l’étude du frottement bande textile/rouleau. Le comportement au frottement de bandes textiles glissant sur un rouleau est identifié. L'évolution du coefficient de frottement est déterminée expérimentalement pour différents paramètres et types de bandes. Suite à ces mesures, un modèle de bande défilant sur un rouleau, incluant coefficient de frottement et perte d’adhérence est proposé et montre l’influence du coefficient de frottement sur la réponse du système à une variation de vitesse de bande. / This study focuses mainly on modeling and optimization of industrial web accumulators. The chapter one presents the nonlinear model of an industrial accumulator including a pneumatic actuated or a motorized carriage. The nonlinear model is then linearized around a working point. This model takes into account nonlinearities of both carriage actuators. The most influent mechanical parameters on the accumulator performances are highlighted and then, classical industrial control strategies are tested on the modeled accumulators. The chapter two concerns the accumulator performances optimization. Firstly, controllers are improved by taking into account the robustness against parameter variations, by using multi-objective controllers optimization or by using new control strategies. All these improvements show drastic performances gain. New accumulator structures including a dancer roll are proposed and improve also the accumulator performances. A performances comparison of the entire presented accumulator is presented at the end of this chapter. The last chapter presents the study of the friction between textile fabric and roll. The friction behavior of a web sliding on a roll is identified. The friction coefficient evolution is experimentally determined for different experimental parameters and kind of webs. These measures have permitted to build a model of a web sliding on a roll. This model, including the friction coefficient and the adherence loss between web and roll highlights the response of the web/roll system against web velocity variation.

L'augmentation des cadences de production nécessite la recherche de performances dynamiques toujours plus élevées pour les dispositifs de positionnement, conduisant à l'utilisation d'axes multi-actionneurs parallèles. Une configuration bi-actionnée en gantry est une solution mécanique qui permet de conférer une accélération élevée à l'axe, mais pose la problématique de la synchronisation des actionneurs mis en collaboration. Un état de l'art de la commande de tels dispositifs électromécaniques met en évidence un manque général de prise en compte du couplage mécanique entre les deux actionneurs, conduisant à des architectures de commande complexes sur le plan structurel et du réglage. L'approche proposée dans cette étude constitue une alternative à ces commandes en mettant en œuvre une approche graphique structurée selon les lois de la causalité physique. Dans un premier temps, l'axe en gantry sert de support à l'étude de propriétés graphiques du formalisme Graphe Informationnel Causal (GIC) développé au L2EP. L'ordonnancement des représentations selon la causalité intégrale conduit à une simplification globale de l'analyse structurelle des systèmes physiques, facilitant le choix des variables d'état indépendantes à contrôler. La modélisation dynamique proposée pour l'axe considéré, associée à des méthodes d'identification expérimentale, est exploitée pour la déduction d'architectures de commande et de méthodes de réglage permettant d'améliorer les performances de synchronisation dynamique des deux actionneurs par une meilleure gestion du couplage. Les problématiques de la modélisation et de la compensation des ondulations de force générées par les moteurs linéaires synchrones à aimants permanents, ainsi que de la gestion énergétique de l'ensemble de l'axe sont également abordées.

La mécatronique est définie par l'utilisation simultanée et en étroite symbiose de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique,... pour concevoir et produire de produits toujours plus innovants. Cette approche doit s'accompagner aujourd'hui de la garantie de sûreté de fonctionnement (SdF) des systèmes conçus. Or, la fiabilité, élément déterminant de la SdF, est relativement peu maîtrisée dans le développement des systèmes mécatroniques. Nous avons développé une méthodologie globale permettant de modéliser et d'évaluer la fiabilité prévisionnelle, expérimentale et opérationnelle des systèmes mécatroniques. C'est un outil d'aide à la décision dans les différentes phases des cycles de développement et de vie du système mécatronique, en valorisant l'évaluation quantitative de la fiabilité. La fiabilité prévisionnelle est calculée à partir du modèle Réseaux de Petri Stochastiques Déterministes (RdPSD) du système mécatronique, qui prend en considération la modélisation fonctionnelle, la modélisation dysfonctionnelle (à l'aide d'une analyse AMDE, AD,...) et les recueils des données pour chaque composant. Les fiabilités expérimentale et opérationnelle sont déterminées à l'aide de la méthode d'estimation bayésienne BRM qui tient compte des données obtenues lors des essais et issues du REX. Un exemple d'application sur l'antiblocage des roues (ABS) illustre cette méthodologie globale d'estimation de la fiabilité.

Classiquement deux approches sont utilisées pour simuler les systèmes électroniques de puissance. La première, dite à topologie fixe, assimile les semi-conducteurs à des impédances de faible ou forte valeur en fonction de leur état. Les équations topologiques du système restent ainsi inchangées. Malgré sa simplicité, cette approche pose de sérieux problèmes de compromis entre précision des résultats et stabilité des méthodes numériques d'intégration. La deuxième, dite à topologie variable, assimile les semi-conducteurs à des connexions qui s'établissent ou disparaissent en fonction de l'état des semi-conducteurs. Il n'y a plus de problèmes de stabilité d'intégration ou de précision mais les équations topologiques du système sont dépendantes de l'état des interrupteurs. La détermination des conditions de transition (commutations) et la ré-écriture des équations sont des points délicats. Dans ce travail nous proposons une nouvelle approche, dite à topologie pseudo-variable qui combine les avantages des approches classiques sans en avoir les inconvénients. Les semi-conducteurs sont traités comme des dipôles comme dans les méthodes à topologie fixe, mais en fonction de leur état ils sont assimilés à des sources, de tension ou de courant, de valeur nulle ce qui leur donne une caractéristique idéale, comme dans les méthodes à topologie variable. La principale difficulté de cette nouvelle approche réside dans les contraintes algébriques, variables en fonction du temps, que les sources qui représentent les semi-conducteurs introduisent sur les variables d'état du circuit. Pour cette raison elle n'a, à notre connaissance, jamais été proposée. En adaptant au cas que nous traitons les techniques de partitionnement des coordonnées utilisées en mécanique de systèmes multicorps, nous montrons que ces contraintes peuvent être facilement prises en compte. Nous aboutissons ainsi à un algorithme de simulation à la fois très performant et bien adapté à la simulation des systèmes électromécaniques.