This thesis presents the computer implementation of a multi resolutional concurrent, design inference network, whose nodes are refined by PNDN (Petri Net Based Design Inference Network) modules. The extended design network is named as N-PNDN and consists of several embedded PNDN modules which models the information flow on a functional basis to facilitate the design automation at the conceptual design phase of an engineering design. Information flow in N-PNDN occurs between parent and child PNDN modules in a hierarchical structure and is provided by the token flow between the modules. In this study, computer implementation of the design network construction and token flow algorithms for the N-PNDN structure is restored and therefore the previous DNS (Design Network Simulator) is adapted for the multi layer design and decomposition of mechatronic products. The related algorithms are developed by using an object oriented, visual programming environment. The graphical user interface is also modified. The further developed DNS has been used for the application of the N-PNDN structure in the conceptual design of 5 mechatronic systems. In the guidance of this study, it has been understood that the further developed DNS is a powerful tool for designers coming from different engineering disciplines in order to interchange their ideas.

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.

Unternehmen werden zu digitalen Unternehmen. Das verlangt nach neuen Maschinen und Anlagenkonzepten, wodurch neue Anforderungen an den Anlagen- und Maschinenbau entstehen. Gefordert werden digitale Planung und Simulation, Integration in industrielle Kommunikationsnetzwerke, Anbindung an höchste Sicherheitsfunktionalitäten und durchgängige Datenschnittstellen für neue Servicekonzepte. [... aus dem Text]

Les systèmes mécatroniques sont caractérisés par la combinaison synergique de la mécanique, de l'électronique et de l'informatique en temps réel. Ils possèdent leur propre cycle de vie et doivent associer des expertises métiers et des technologies très variées, ce qui rend leur conception plus complexe et nécessairement plus intégrée. Afin de mettre en œuvre une approche permettant d’assurer une meilleure intégration fonctionnelle et spatiale des systèmes mécatroniques, et plus particulièrement sur l’axe développement de produit en assurant une meilleure combinaison des expertises métier, deux types de problématiques doivent être surmontés. La première problématique a trait aux données de conception alors que la seconde est relative aux processus. La contribution de nos travaux de thèse s’appuie sur deux concepts complémentaires. Le premier, un modèle d’interfaces multidisciplinaires, est proposé pour répondre à la problématique relative aux données de conception. Ces interfaces s’appuient sur l’architecture du système et précisent quels transferts existent entre les composants conçus par les différentes disciplines. Instanciées dans le modèle de données, les interfaces multidisciplinaires permettent d’échanger et de partager les informations entre les différentes disciplines. Le second concept concerne la méthode de conception basée sur le modèle d’interfaces multidisciplinaires. Cette méthode est définie pour pouvoir établir le processus d’ingénierie et permettre une meilleure intégration des expertises métiers tout au long de la conception des systèmes mécatroniques. Enfin, les deux propositions sont implémentées par l’intermédiaire d’un démonstrateur basé sur 3DEXPERIENCE Platform. Un système de mesure 3D, combinaison synergique de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique et l’optique, est utilisé afin de démontrer et de valider les contributions par nos travaux en termes d'intégration multidisciplinaire des expertises métier lors de la conception des systèmes mécatroniques. / Mechatronic system is considered as a synergetic combination of mechanical engineering, electronic engineering and computer engineering. Such mechatronic system has its own lifecycle and should integrate different disciplines and various technologies. Therefore the design of mechatronic systems becomes increasing complex. In order to propose an approach to achieve a better functional and spatial integration of mechatronic systems, especially to achieve a higher integration of different disciplines during the design process of mechatronic systems, two kinds of problems must be overcome. The first problem is related to design data of mechatronic systems while the second is related to the design process. The contribution of the thesis is based on two complementary concepts. The first contribution, the multi-disciplinary interface model, is proposed to address the issue of design data. These interfaces are based on the system architecture and specify which transfers exist between components designed by the project teams of different disciplines. Instantiated in the data model, multi-disciplinary interfaces enables a better data exchange and sharing among the engineers of different disciplines. The second concept concerns the design method based on the multi-disciplinary interface model. This method is proposed to establish the process for mechatronic engineering in order to achieve a better multi-disciplinary integration for the design of mechatronic systems. Finally, the two propositions are then implemented in a demonstrator developed based on 3DEXPERIENCE Platform. A 3D measurement system, considered as a synergistic combination of mechanical engineering, electronic engineering, computer engineering and optical engineering, is used to demonstrate and validate the propositions of the thesis in terms of multi-disciplinary integration for the design of mechatronic systems.

This theses deals with mechatronic approach to a vehicle dynamics. It is divided into two main parts. There are prepared vibration analysis, measurement and analysis of functions of truck powertrain in the first part. The second part describes the creation of computational models allowing to simulate driving conditions, vibrations of the vehicle and its extension for the development of mechatronic systems. There are shown different driving modes to control created algorithm of mechatronic system. The main tool for the development of mechatronic systems is the created simulator of vehicle enabling testing of computational models in real time.

Cette thèse a pour objectif le développement d’une méthode de pré-dimensionnement des systèmes mécatroniques prenant en compte l’aspect vibratoire sans passer par des techniques de conception coûteuses en temps de calculs et de mise en œuvre, telles que la CAO 3D et la méthode des éléments finis.Dans la phase amont de choix d’architecture du processus de conception des systèmes mécatroniques, des modèles analytiques simples sont nécessaires à l’architecte du système mécatronique afin de lui permettre de faire des choix d‘architecture prenant en compte les contraintes multi-physiques, notamment les vibrations. Dans ce but, une bibliothèque de modèles analytiques d’éléments mécaniques flexibles simples a été développée dans cette thèse en utilisant le langage de modélisation Modelica.Pour démontrer les possibilités de cette approche, une étude des réponses vibratoires de certains systèmes mécatroniques a été réalisée. Cette approche de pré-dimensionnement a ainsi été appliquée dans un premier temps à un système mécatronique simple formé d’une plaque rectangulaire supportant des composants tels que des moteurs et des cartes électroniques, puis dans un second temps à une éolienne représentant un système mécatronique complet.Les résultats obtenus lors des simulations ont été comparés avec ceux obtenus par la méthode des éléments finis ainsi qu’avec les résultats d’études présentes dans la littérature scientifique. Ces simulations nous ont permis de prouver que les modèles compacts développés fournissent à l’architecte du système mécatronique des résultats très précis avec un besoin en ressources informatiques faibles. / This thesis focuses on the development of a method for the preliminary design of mechatronic systems, taking into account the vibratory aspect, without going through costly design techniques, such as 3D CAD and finite element method.In an early stage of the design process of mechatronic systems, simple analytical models are necessary to the architect engineer in Mechatronics, for important conceptual decisions related to multi-physics coupling and vibration. For this purpose, a library of flexible elements, based on analytical models, was developed in this thesis, using the Modelica modeling language.To demonstrate the possibilities of this approach, we conducted a study of the vibration response of some mechatronic systems. Therefore, the pre-sizing approach was applied in a first phase to a simple mechatronic system, formed with a rectangular plate supporting electrical components such as electric motors and electronic cards, and in a second phase the approach was applied to a wind turbine, considered as a complete mechatronic system. Simulation results were compared with the finite elements method and other studies found in the scientific literature. Simulation results have enabled us to prove that the developed compact models assist the mechatronic architect to find results of simulation with an important accuracy and a low computational cost.

La conception d’un système mécatronique est un problème d’optimisation multidisciplinaire et multi-objectif. Les approches d’optimisation actuellement utilisées, pour l’optimisation des systèmes multidisciplinaires, sont coûteuses en temps de calcul, difficiles à mettre en œuvre et non flexibles avec la phase de conception préliminaire, où les objectifs et les contraintes de conception changent fréquemment. D’où la nécessité de chercher une nouvelle technique plus simples à mettre en œuvre, moins coûteuse et qui permet d’adapter dynamiquement une solution suite à un changement des spécifications. C’est dans ce contexte que cette thèse se focalise sur le développement d’une approche multi-agents de conception qui, se basant sur les connaissances disciplinaires et par un comportement coopératif, permet de trouver collectivement une solution optimale qui satisfait les contraintes et les performances demandées.L'approche proposée est basée sur un processus de conception pour faciliter la conception collaborative distribué des systèmes mécatroniques. Cette approche est appliquée à la conception préliminaire d'un véhicule électrique pour illustrer comment l'utilisation du paradigme multi-agent aide les concepteurs à prendre des décisions efficaces et de parvenir à une décision optimale de l'ensemble du problème. Une étude comparative avec les méthodes classiques d'optimisation est faite afin de démontrer la validité et l'efficacité de l’approche proposée. / The design of a mechatronic system is a multidisciplinary and multi-objective optimization problem. Optimization approaches currently used for the optimization of multidisciplinary systems are expensive in computation time, difficult to implement, and inflexible with the preliminary design phase, in which the objectives and design constraints change frequently. It is therefore necessary to look for new techniques easier to implement and less expensive, that enable to adapt dynamically a solution due to a change in specifications. In this context that this thesis focuses on the development of a multi-agent design approach, based on disciplinary knowledge and cooperative behavior; make possible to collectively find an optimal solution that satisfies the required constraints and performance.The proposed approach is based on a design process to facilitate collaborative distributed design of mechatronic systems. This approach is applied to the preliminary design of an electric vehicle to illustrate how the use of the multi-agent paradigm helps designers in making effective decisions and to achieve an optimal decision of the overall problem. A comparative study with traditional optimization methods is made to demonstrate the validity and effectiveness of the proposed approach.

Unternehmen werden zu digitalen Unternehmen. Das verlangt nach neuen Maschinen und Anlagenkonzepten, wodurch neue Anforderungen an den Anlagen- und Maschinenbau entstehen. Gefordert werden digitale Planung und Simulation, Integration in industrielle Kommunikationsnetzwerke, Anbindung an höchste Sicherheitsfunktionalitäten und durchgängige Datenschnittstellen für neue Servicekonzepte. [... aus dem Text]

Abstract The goal of this project was to design a submarine that could be operated using a wireless game controller. To accomplish this, we used an Playknowlogy board connected to a USB-Host Shield that recieves signals from the game controller and sends them to a USB connected to the USB-Host Shield. The Arduino's built-in libraries interpret the signals, which are then used to control the submarine's movements in three-dimensional space. / Målet med detta projekt var att designa en ubåt som kan styras med en trådlös spelkontroll. För att uppnå detta använde vi en Playknowlogy bräda som var kopplad till en USB-Host Shield. Denna mottog signaler från spelkontrollen och skickade dem sedan vidare till en USB-anslutning på USB-Host Shield. Arduinos inbyggda bibliotek tolkar signalerna, vilka sedan används för att styra ubåtens rörelser i det tredimensionella rummet.

To define art is no easy task. Quotes such as ”Art is the elimination of the unnecessary” and ”A picture is worth a thousand words”, implies that art has something to do with conveying information. This is compatible with the fact that instructions are often conveyed in the form of images instead of text. Regardless of the definition and purpose of art, the interest of creating is with us from a young age. The idea behind this project was to broaden the limits of creation by evaluating possible ways of creating a robot able to paint a large flat horizontal surface, with primary focus on mobility, color application and position regulation. The project proved to be design-heavy since the system utilizes many components which demand synergy. All components were created and assembled in Solid Edge before additive manufacturing was used to produce them. The code was developed and tested successively in modules that were later meshed and executed between three separate Arduino microcontrollers in order to reduce delay. In the end mecanum wheels were used to achieve a movement pattern resembling that of a so called inkjet printer, allowing the robot to paint an image through parallel lines. The robot’s position is regulated using color sensors placed on the bottom side of the chassis and a spray can apply liquid chalk using a servo motor. The prototype is able to paint and follow a solid monochromatic line, but due to integration problems the images produced are non coherent. During continuous tests the chassis has been worn down which has lead to cracks and decreased stiffness, due to the choice of material. / Att definiera begreppet konst är ingen lätt uppgift. Citat som ”Konst är eliminering av allt onödigt” och ”En bild säger mer än tusen ord”, antyder att konst har något med förmedling av information att göra. Detta är förenligt med det faktum att instruktioner ofta förmedlas i form av bilder istället för text. Oavsett vad konst är och vad den används till så finns det hos de flesta sedan ung ålder ett intresse att skapa. Tanken med detta projekt var att vidga gränserna för skapandet genom att utvärdera möjliga sätt att skapa en robot med uppgift att måla en stor horisontell yta, med huvudfokus på rörlighetsförmåga, färgapplicering och positionsreglering. Projektet visade sig vara designtungt då systemet innehåller många komponenter vars funktionalitet kräver samordning. Ingående delar konstruerades och monterades ihop i Solid Edge innan additiv tillverkning utnyttjades för att framställa dem. Koden skapades och testades successivt i moduler som sedan samordnades och utfördes mellan tre separata Arduino mikrokontroller för att reducera fördröjningar. I slutänden användes mecanumhjul för att uppnå ett rörelsemönster som påminner om en så kallad inkjet-skrivare, vilket tillåter roboten att rita en bild genom flera parallella linjer. Robotens position regleras genom färgsensorer placerade på chassits undersida och en sprayburk applicerar flytande krita med hjälp av en servo motor. Prototypen kan måla och följa en heldragen enfärgad linje, men på grund avi ntegrationsproblem är bilderna den ritar osammanhängande. Kontinuerliga tester har medfört slitage på chassit, vilket har lett till sprickor och minskad styvhet, på grund av materialval.