Le projet de recherche financé par une subvention RDC du CRSNG et le CRIAQ est un partenariat entre Bombardier Aéronautique, Bell Helicopter, l'Université de Sherbrooke et l'Université Laval. Le principal objectif de ce projet est d'évaluer le potentiel de remplacer les actionneurs hydromécaniques par des actionneurs électromécaniques pour les commandes de vols primaires du Bell 407. La composante critique de l'actionneur électromécanique visé est un embrayage magnétorhéologique (MR). En effet, le fonctionnement de ce type d'embrayage est bien connu, mais la fiabilité ainsi que la durabilité de cette technologie restent à être prouvées. Le présent projet de maîtrise consiste donc à étudier la fiabilité ainsi que la durabilité d'un embrayage MR utilisé en glissement continu. Dans un premier temps, une analyse de fiabilité du système complet aux composantes (Top-Down) a été réalisée selon les méthodes et les techniques standards (FMEA et FTA) utilisées dans le domaine de l'aéronautique. Le manque d'informations concernant les modes de défaillance et la durabilité des embrayages MR a nécessité une étude expérimentale. Pour ce faire, un banc d'essais de longue durée complètement autonome a été conçu et fabriqué. Au total, 1750 heures de tests en glissement continu ont été réalisées sur des embrayages MR. Il y avait deux objectifs à ces tests. Le premier était d'étudier l'effet des paramètres d'opération (température, vitesse, couple) sur la durée de vie du fluide MR. Le deuxième était d'évaluer l'impact de la dégradation du fluide MR sur les performances d'un embrayage MR. Au final, le projet de recherche a permis de : 1. Évaluer les requis de fiabilité pour chacune des composantes d'un embrayage MR lorsqu'utilisé dans un système d'actuation pour des commandes de vol primaire d'un hélicoptère ; 2. Obtenir une compréhension plus fine du processus de dégradation du fluide MR et l'impact sur les performances des embrayages MR; 3. Doubler la durée de vie des embrayages MR par le développement d'une technique de circulation interne du fluide MR permettant l'utilisation d'un plus grand volume de fluide MR et ce, sans pénalité de poids, de volume et de coût.

Les fluides magnétorhéologiques (MR) sont des fluides intelligents dont la viscosité apparente peut être modifiée rapidement (<1ms) par l'application d'un champ magnétique externe. À l'aide de cette caractéristique unique, les embrayages MR permettent de moduler rapidement un couple entre deux surfaces sans contact mécanique direct. De construction simple et robuste, les embrayages MR offrent ainsi un potentiel remarquable d'innovation pour diverses applications robotiques nécessitant un contrôle rapide et une haute fiabilité, comme dans les domaines de l'automobile [10], de l'aéronautique [16] ou de l'interaction humaine [77]. À ce jour, les embrayages MR exploitent le fluide MR strictement en cisaillement pur. Dans de telles conditions, la densité de couple des embrayages est limitée par l'optimisation de la mécanique des embrayages (ex. : poids) [63] et les propriétés fondamentales des fluides MR (ex. : contrainte) [11]. Alors qu'en cisaillement pur, la contrainte des fluides MR est limitée à ∼100 kPa, des études récentes démontrent qu'elle peut être augmentée d'un ordre de grandeur (>1000 kPa) lorsque le fluide MR est soumis à une compression, avant d'être cisaillé [89]. La combinaison de la compression et du cisaillement du fluide MR pourrait ainsi décupler la densité de couple des embrayages MR, mais ce phénomène d'agrégation assistée par compression, aussi appelé squeeze-strengthening ou super-strong} (SS), est toujours très mal compris. Beaucoup d'incertitude persiste quant à l'origine exacte du phénomène [45], des conditions qui le favorisent [55] [75] et des effets qu'il engendre [31]. Dans le but ultime d'augmenter la densité de couple des embrayages MR à l'aide du phénomène SS, le présent projet de recherche vise à étudier le comportement rhéologique des fluides MR dans des conditions de compression et de cisaillement simultané afin d'en comprendre les conditions qui favorisent le phénomène d'augmentation des contraintes. Pour ce faire, un banc d'essai permettant la compression pure, le cisaillement pur et la compression-cisaillement simultanée des fluides MR est conçu et utilisé pour étudier le fluide MR lorsque soumis à des conditions de chargement typique des embrayages MR. Les résultats expérimentaux issus de cette vaste étude expérimentale permettront d'établir un lien direct entre ce phénomène et le celui de filtration, duquel un modèle prédictif sera proposé. À l'aide du modèle théorique, le phénomène SS sera étudié à l'aide de diverses compositions de fluide MR (ex. : concentration, taille des particules, viscosité) et différentes géométries de compression, ce qui permettra de valoriser le modèle pour la conception préliminaire d'embrayages MR qui exploitent le phénomène SS.

Le but principal de ce travail est la présentation de la formulation mathématique et l'analyse des propriétés viscoplastiques du fluide magnétorhéologique dans des conditions d'exploitation d'amortisseur ainsi que la détermination des dimensions optimum de l'orifice d'écoulement du fluide MR dans le dispositif de ce type. Une analyse particulière de la littérature a été effectuée. Nous nous sommes limités à deux types d'amortisseurs: l'amortisseur LORD RD 1005-3 et le prototype d'amortisseur T-MR SiMR 132 DG. Les résultats expérimentaux ont permis de déterminer la limite élastique et la contrainte maximale de cisaillement du fluide MR sous tension en fonction de différentes vitesses de cisaillement, différentes intensités du courant, températures et hauteurs d'orifice d'écoulement. Les modèles viscoplastiques identifiés ont permis de simuler le comportement du fluide MR et de comparer les résultats numériques avec ceux obtenus par des mesures. On a constaté une bonne concordance des courbes tracées dans ces deux cas, ce qui permet de conclure qu'il est possible d'utiliser les modèles viscoplastiques des métaux pour décrire le comportement du fluide magnétorhéologique.

Le but principal de ce travail est la présentation de la formulation mathématique et l’analyse des propriétés viscoplastiques du fluide magnétorhéologique dans des conditions d’exploitation d’amortisseur ainsi que la détermination des dimensions optimum de l’orifice d’écoulement du fluide MR dans le dispositif de ce type. Une analyse particulière de la littérature a été effectuée. Nous nous sommes limités à deux types d’amortisseurs: l’amortisseur LORD RD 1005-3 et le prototype d’amortisseur T-MR SiMR 132 DG. Les résultats expérimentaux ont permis de déterminer la limite élastique et la contrainte maximale de cisaillement du fluide MR sous tension en fonction de différentes vitesses de cisaillement, différentes intensités du courant, températures et hauteurs d’orifice d’écoulement. Les modèles viscoplastiques identifiés ont permis de simuler le comportement du fluide MR et de comparer les résultats numériques avec ceux obtenus par des mesures. On a constaté une bonne concordance des courbes tracées dans ces deux cas, ce qui permet de conclure qu’il est possible d’utiliser les modèles viscoplastiques des métaux pour décrire le comportement du fluide magnétorhéologique. / The main goal of this dissertation is a mathematical description and an analysis of viscoplasticproperties of magnetorheological fluid, in operational conditions of the damper’s work, as well as the determining the optimum, in view of indicated values of parameters, size of the gap for the MR fluid to flow, in these devices. A detailed analysis of literature was made. The scope of research work has been limited to two types of magnetorheological devices: the shock absorber LORD RD 1005-3 and the MR damper prototype T-MR SiMR -132 DG. On the basis of performed experiments, it has been estimated i.e.: conventional yield point and the maximum shear stress of analyzed MR fluid, including variable shear rate, intensity of current flowing in a solenoid, liquid’s temperature and the gap height. Identified viscoplastic models were used to develop a simulation that verifies the proposed mathematical model which describes the behaviour of MR fluid in operating gap of machine’s head, with data derived from performed experiments.

Afin de répondre à la problématique de la sécurité lors des interactions humain-robot, le Laboratoire IntRoLab de la Faculté de génie à l'Université de Sherbrooke a développé un actionneur basé sur l'agencement d'un système mécanique à double différentiel et de deux freins magnétorhéologiques. Ce nouvel actionneur a été baptisé ADDR pour Actionneur Double Différentiel Rhéologique. Contrairement aux actionneurs classiques, l'ADDR n'est pas conçu pour être simplement contrôlé en position, mais il offre la possibilité d'être contrôlé en couple indépendamment de sa vitesse de rotation. Cela, ainsi que sa faible inertie de sortie, lui confère une grande sécurité lors de ses déplacements, même dans des environnements inconnus ou dynamiques. Ce mémoire présente la mise au point de l'électronique embarquée de contrôle de l'ADDR lui permettant d'interagir de façon sécuritaire avec des humains. Une première carte électronique est réalisée pour démontrer la faisabilité de contrôle de ce nouvel actionneur et caractériser ses performances. Le contrôle d'interaction étudié est le contrôle d'impédance par lequel un actionneur cherche à reproduire la réponse dynamique d'un système mécanique réel connu. Par la suite, l'électronique de contrôle est revue et miniaturisée afin d'être intégrée à l'intérieur même de l'ADDR. La large bande passante en couple mesurée permet de conclure que l'ADDR est tout à fait approprié pour être utilisé pour des interactions humain-robot par le biais du contrôle d'impédance. De plus, la réalisation d'une interface haptique qui ajoute un retour d'informations visuelles à l'utilisateur améliore la sensation de toucher de la dynamique du système mécanique simulé. Dans l'avenir, il serait intéressant d'utiliser plusieurs ADDR et leur contrôle d'impédance pour la conception d'un système mécanique tel qu'un bras robotique. Ainsi, les interactions humain-robot pourraient être plus complexes tout en apportant une très grande sécurité par rapport au même bras robotique réalisé à partir d'actionneurs classiques.

La grande majorité des robots actuels sont utilisés dans le domaine industriel. Ils doivent travailler à l’intérieur d’un environnement contrôlé afin de ne pas blesser les gens qui les entourent. Les robots industriels sont habituellement rigides et ne sont pas adaptés pour travailler dans des environnements non contrôlés. Afin de pallier à ce problème, une nouvelle branche de la robotique est en émergence. Qualifiée de robotique sécuritaire avec les humains, elle permet à des robots de travailler à proximité des humains et par le fait même, d’être utilisés dans plusieurs autres domaines dont l’environnement n’est pas contrôlé. L’utilisation d’actionneurs compliants est une approche utilisée pour la conception de robot souple. La majorité de ces types d’actionneurs possèdent une bande passante limitée en force ce qui est problématique pour plusieurs tâches nécessitant un contrôle à la fois précis en position et en force. Ce projet de maîtrise traite de l’élaboration et du contrôle d’un nouveau concept d’actionneur à grande densité de force utilisant la technologie magnétorhéologique (MR), et ce, dans un embrayage combiné à l’enroulement de tendons. Les embrayages MR permettent d’avoir de larges bandes passantes en force, d’isoler l’inertie du moteur avec le joint externe, de distribuer la puissance d’une seule source d’énergie cinétique et possède une grande densité de force. En combinant les embrayages MR à l’enroulement de tendons, il est possible de repousser la masse du robot à sa base, ce qui réduit grandement l’inertie de la structure du système. En utilisant le fluide MR dans un embrayage, le contrôle du couple est plus simple à implémenter. Par exemple, il est possible d’effectuer des mouvements qui requièrent beaucoup de force dans un court intervalle de temps, tout en étant capable d’effectuer une tâche qui requiert une grande précision de mouvement. Cette combinaison, inexistante actuellement, pourrait mener à des changements importants dans le secteur de la robotique sécuritaire avec les humains et de la robotique mobile. En plus de combiner ces dernières technologies mécaniques, les techniques de contrôle doivent être adaptées afin d’exploiter le plein potentiel de ce type de système. Dans ce mémoire, la conception et la réalisation de prototypes et de techniques de contrôle sont présentés. Pour valider les performances du nouveau type d’actionneur, les performances de bande passante en couple de l’embrayage MR et en force en ajoutant le système de transmission par câble sont illustrées et discutées. Par la suite, un prototype complet utilisant quatre embrayages MR est présenté et caractérisé au niveau de la bande passante en force et en position. En plus de l’aspect mécanique, une technique de contrôle adaptée au nouveau système d’actionnement est présentée. Pour valider et développer l’algorithme de contrôle en position, un prototype utilisant des moteurs électriques est développé. La capacité à s’adapter au changement de configuration du système d’actionneur est illustrée et discutée. Les algorithmes de contrôle sont ensuite validés sur le prototype utilisant les embrayages MR.

Les liquides magnétorhéologiques sont des suspensions de particules magnétiques micrométriques dans des liquides amagnétiques. Lorsqu'un tel liquide est exposé à un champ magnétique, les particules s'agrègent sous la forme de "chaînes" qui augmentent de façon importante la résistance à l'écoulement. Dans ce mémoire de thèse, on présente la conception d'un frein discoïde à liquide magnétorhéologique et sa caractérisation dans deux cas de fonctionnement. Dans le premier, l'axe décrit des triangles de vitesse lentement variables à courant constant, ce dernier étant varié à l'arrêt entre deux triangles. On a pu observer que le couple doit typiquement croître jusqu'à un seuil pour que la rotation s'amorce, puis qu'il "chute" avant de croître de nouveau tandis que la vitesse augmente. On a également remarqué que les seuils de couple mesurés aux premiers triangles après les variations du courant sont différents de ceux mesurés aux triangles suivants, qui se repètent. Une modélisation du frein a été proposée, valable uniquement pour le courant maximum admissible et dans le cas où l'axe a déjà décrit au moins un triangle de vitesse. Cette modélisation, élaborée en utilisant le formalisme Graphe Informationnel Causal (G.I.C.), permet de rendre compte de l'évolution du couple à l'amorçage de la rotation pour le premier triangle de vitesse, mais pas pour les suivants. Dans le second cas de fonctionnement, le frein est alimenté en courant lentement variable à vitesse constante. Différents relevés de l'hystérésis du couple en fonction du courant ont été obtenus. On a pu rendre compte précisément de ces derniers sur la base d'un modèle Eléments Finis 2D du frein et d'un modèle de comportement hystérétique pour l'acier.

En France, 460000 nourrissons âgés d’un moins à deux ans, sont affectés par la bronchiolite aiguë chaque hiver. Cette infection virale, qui a pour conséquence une inflammation des voies respiratoires, est généralement traitée par des séances de kinésithérapie respiratoire (KR). Afin d’améliorer l’apprentissage des techniques de KR pédiatriques, un simulateur, représentatif d’un nourrisson de six mois présentant un encombrement moyen, a été réalisé au laboratoire SYMME. Ce premier simulateur permet aux kinésithérapeutes novices d’apprendre les gestes de base de la KR dans un environnement didactique et protégé. Ce travail s’inscrit dans la continuité de cette étude, et devra permettre à terme d’améliorer la formation, en proposant des situations didactiques variées. Dans un premier temps, un système permettant de reproduire sur le simulateur le mouvement de respiration du nourrisson a été réalisé. Puis nous avons travaillé sur la conception d’un mécanisme permettant d’obtenir un comportement mécanique variable au niveau du thorax, afin de permettre à l’apprenant de s’entrainer sur différents cas cliniques. Pour la réalisation d’un tel dispositif, nous nous sommes orientés vers des systèmes classiquement utilisés pour dissiper de l’énergie en modifiant la raideur et/ou l’amortissement de la structure. Deux dispositifs semi-actifs basés sur l’utilisation d’un vérin hydraulique ont été principalement étudiés. Ils se différencient par la façon dont l’écoulement du fluide entre les deux chambres du vérin est modifié : le premier par un changement de section de la canalisation, le deuxième par une modification des propriétés d’écoulement d’un fluide magnétorhéologique. La première solution a été validée partiellement par un kinésithérapeute référent mais n’est pas tout à fait satisfaisante. La seconde a été testée sur un banc d’essai spécifique et semble être une voie prometteuse pour la réalisation du simulateur à propriétés variables / In France, 460000 infants between one month and two years are affected by the acute bronchiolitis each winter. This viral infection which leads to an inflammation of the respiratory tract is generally treated during a respiratory physiotherapy(RP) session. In order to improve the technical learning of the paediatric RP, a simulator which represents a six month old infant with an average type of bronchiolitis was developed in the laboratory SYMME. This first simulator allows the physiotherapist students to learn the basic gestures of the RP in a didactic and safe environment. This research work follows the frame work of this study and should allow an improvement of the training by proposing various didactic situations. As a first step, a system that allows reproducing the breathing movement of an infant on the simulator was developed. Then we worked on the design of a mechanism that allows obtaining a variable mechanical behaviour of the thorax in order to enable the student to practice on different clinical cases. For the realisation of such a device, we focused on systems which are conventionally used to dissipate energy by modifying the stiffness and/or the damping of the structure. Two semi-active devices based on the usage of a cylinder/piston system were examined. They differ in the way the pressure difference between the two chambers of the cylinder is generated : first, by changing the flow geometry and second, by a modification of the fluid flow characteristics of a magnetorheological fluid. The first solution was partially validated by a physiotherapist but was not completly satisfying. The second solution was tested on a specific test bench and seems to be a promising way to realise a simulator with variable properties.

Le but de ce travail est d'établir les lois de comportement régissant l'écoulement de fluides magnétiques dans des capillaires et des milieux poreux et d'étudier les mécanismes de contrôle de ces écoulements par l'application d'un champ magnétique. Deux types de fluides magnétiques sont utilisés à cet effet: les ferrofluides et les fluides magnétorhéologiques (MR).<br />Le contrôle de l'écoulement est réalisé par l'effet du champ sur la surface libre ou sur la rhéologie de ces fluides et également par l'intermédiaire des forces magnétiques qui attirent le fluide dans les régions où le champ est le plus fort. On a établi les lois de comportement statique et dynamique de la surface d'un ferrofluide dans un capillaire en présence d'un champ magnétique homogène. Une diminution par un facteur deux du saut de pression sur le ménisque a lieu dans un fort champ longitudinal appliqué suivant l'axe du capillaire. La diminution du saut de pression dans un champ transversal induit un ralentissement de la pénétration capillaire du ferrofluide, ce qui permet de contrôler le temps de remplissage dans une plage de 60%.<br />On a généralisé le modèle de cisaillement simple d'un fluide MR, avec des agrégats en forme de chaînes, au cas d'un champ magnétique d'orientation quelconque par rapport à l'écoulement. Sur la base de ce modèle on a obtenu la dépendance théorique de la contrainte seuil dynamique en fonction de l'orientation du champ. Cette dépendance est utilisée pour calculer les profils de vitesse et les caractéristiques débit-pression dans des écoulements de Poiseuille d'un fluide MR dans des capillaires et des milieux poreux en présence d'un champ homogène d'orientation quelconque. Les courbes expérimentales débit-pression confirment bien la théorie et indiquent une possibilité d'augmenter la pression de trois ordres de grandeur.<br />On a appliqué un modèle d' écoulement biphasique pour simuler un blocage de l'écoulement d'un fluide MR dans un capillaire en présence d'une forte inhomogénéité de champ magnétique. Expérimentalement et théoriquement on a montré que la pression de blocage est à peu près 2 fois moins grande que la pression nécessaire pour relancer un écoulement bloqué.<br />Les résultats de ce travail forment une base théorique pour le développement de systèmes hydrauliques adaptatifs, et plus particulièrement de systèmes de vibroprotection.