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

Certains athlètes pratiquant la course en fauteuil roulant utilisent des gants durs pour obtenir l’adhérence nécessaire leur permettant de pousser le fauteuil avec leurs bras et le balancement de leur corps d’avant en arrière. Dans le cadre d’un projet de recherche visant à améliorer les performances des athlètes, une étude portant sur le contact gant – cerceau a été menée. Plusieurs opportunités d’amélioration sont présentées pour améliorer les gants durs et ainsi éviter les glissements en condition de pluie et les rebonds de la main sur le cerceau. Deux paramètres majeurs influent sur la performance : la forme du gant et le matériau permettant l’adhérence avec le cerceau. La forme du gant optimale dépend de la configuration de l’assise de chaque athlète ainsi que de la manière de pousser. À la suite d’une étude théorique et expérimentale, il a été conclu qu’une rainure en forme de V modelée directement dans un gant dur augmente la force normale aux surfaces et ainsi contribue à améliorer l’adhérence sur le cerceau. Cette rainure placée sur l’avant du gant, dans la zone d’impact, ne doit pas présenter un angle d’ouverture trop resserré pour permettre une sortie rapide du cerceau dans la zone de dégagement située en arrière du gant. Le matériau permettant l’adhérence sur le cerceau doit avoir des aspérités de tailles adaptées à la vitesse d’impact du gant sur le cerceau, et à la présence potentielle d’eau. Le matériau recherché doit également résister à l’usure de frottement pour permettre à l’athlète de terminer la course sans difficulté. Au final, le matériau suède semble répondre à tous ces critères : assez résistant, il présente un revêtement qui garde une certaine adhérence sur le cerceau en condition de pluie.

En robotique, lorsque les exigences de dextérité et de polyvalence sont élevées, les effecteurs terminaux traditionnels montrent vite leurs limites et les mains robotisées humanoïdes semblent une alternative séduisante. Malheureusement, si l'on sait aujourd'hui fabriquer de telles mains satisfaisantes sur le plan mécanique, leur utilisation pose toujours problème car leur contrôle est difficile. Dans cette thèse, on s'est intéressé à trois problèmes relatifs au contrôle des mains robotisées humanoïdes : le contrôle du mouvement de l'objet saisi et des efforts qui lui sont appliqués, le maintien de l'objet en cas de perturbations extérieures, et la raideur de la prise, c'est-à-dire son comportement élastique. Pour la manipulation de l'objet, on propose une nouvelle loi de contrôle, basée sur un problème d'optimisation sous contraintes, qui a l'avantage de synthétiser des couples articulaires moteurs réalisant un compromis entre les différents objectifs de contrôle, possiblement conflictuels ou non atteignables, tout en respectant les limitations de la physique et du robot. Pour garder prise sur l'objet en cas de perturbation, on propose une méthode pour calculer les forces de serrage qui assurent la robustesse de la prise à la plus grande perturbation possible, dans la direction où cette plus grande perturbation possible est la plus petite : une sorte de perturbation critique pour la prise. Enfin, on donne une modélisation de la raideur de l'objet en fonction de celle des doigts, dans le cas où un mouvement relatif de roulement est possible entre les doigts et l'objet. On montre que cette raideur dépend aussi des forces de contact et des courbures des surfaces en contact.

La scoliose infantile est une déformation rachidienne évolutive survenant chez l'enfant de moins de 3 ans. La technique de correction la plus répandue actuellement est celle des « tiges de croissance ». Cependant, la rigidité du matériel provoque la dégénérescence des disques intervertébraux, ce qui di-minue l'efficacité du traitement. Des études récentes ont montré l'effet bénéfique d'implants flexibles sur les disques. Notre équipe a donc développé le concept d'une suspension implantable qui permet de garder la mobilité axiale des segments instrumentés, associé à un nouveau système de fixation rotulée. Cepen-dant, quelle valeur de raideur permet de préserver les disques tout en corrigeant efficacement la sco-liose ? Cette thèse a donc pour objectifs de démontrer l'intérêt d'une suspension pour les disques inter-vertébraux et d'obtenir des informations quantifiables sur la valeur optimale de raideur. Pour cela des prototypes de suspension avec fixation rotulée, implantables chez le mammifère quadrupède et l'Homme, ont été développés afin d'étudier in vivo et in silico plusieurs gammes de flexibilité. Une étude in vivo sur chèvres adultes saines a été menée pour tester ces prototypes pour 2 raideurs différentes. L'état des disques intervertébraux après 6 mois a été évalué par IRM et par coupes histologiques. En parallèle la biomécanique d'un rachis humain sain puis scoliotique, instrumenté avec différents disposi-tifs (tiges classiques, suspensions, avec ou sans rotules), a été étudiée avec un modèle numérique mul-ti-corps rigides, préalablement validé par comparaison avec des données in vitro de la littérature. Les résultats de l'étude in vivo n'ont pas montré de différence significative entre les différentes instrumentations testées. Un temps d'essai plus long semble nécessaire pour voir apparaître la dégéné-rescence discale. Les simulations numériques ont montré une nette amélioration de la mobilité des segments ins-trumentés avec une suspension rotulée. La majorité de la mobilité est cependant assuré par le nouveau système de fixation et non par la présence d'une plus grande souplesse axiale. La suspension permet néanmoins un gain supplémentaire pour certains mouvements du rachis. Aucune différence significative n'a été constatée entre les 2 valeurs de raideurs étudiées. La présence de fixations rotulée diminue par contre fortement la correction obtenue lors des simulations de chirurgie de distraction. La suspension seule présente un intérêt certain lors de la correc-tion en diminuant les efforts transmis au matériel. Les développements futurs s'orienteraient donc vers une suspension combinée à des fixations rotulées présentant également des raideurs en rotation pour conserver correction et mobilité / Infantile scoliosis is a progressive spinal deformity occurring in children under 3 years-old. The most common currently correction technic is the "growing rods" one. However, the implant rigidity causes intervertebral discs degeneration, which decreases the treatment efficiency. Recent studies have shown the benefic effect of flexible implants on discs. Our team has developed the concept of an implantable suspension that keeps the axial mobility of the instrumented segments, associated with a new fastening ball joint system. However, which is the stiffness value that preserves discs while correcting scoliosis? This thesis goal is to demonstrate the effectiveness of a suspension device for preserving inter-vertebral discs health and obtain quantifiable information on the optimum stiffness value. Prototype suspensions with ball joint fastenings, implantable in quadruped mammals and humans, have been de-veloped to study several ranges of stiffness values in vivo and in silico. An in vivo study on healthy adult goats was conducted to test these prototypes for two different stiffness values. The intervertebral discs health after 6 months was evaluated by MRI and histological sections. In parallel the biomechanics of a human spine was studied with a rigid multi-body numerical model previously validated against in vitro literature data. Healthy and scoliosis subjects instrumented with different devices (traditional rods, sus-pensions, with or without the ball) were modeled. The results of the in vivo study showed no significant difference between the several instrumen-tations. A longer test time seems necessary to observe the onset of disc degeneration. Numerical simulations have shown a marked mobility improvement for the segments in the in-strumented area with a suspension device associated with a ball joint system. However, the majority of the mobility is provided by the new fixing system and not by a greater axial flexibility. The suspension still allows additional gain for certain spine movements. No significant differences were found between the two studied stiffness values. The presence of a ball joint fastening decreases strongly the correction obtained during surgery distraction simulations. The suspension has an interest during correction by reducing the forces trans-mitted to the material when used alone. Future developments thus would lead to a suspension device associated with ball joint fasten-ings that also have rotational stiffness to keep both good scoliosis correction and segments mobility

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

: Les travaux présentés dans cette thèse traitent du contrôle de systèmes dynamiques soumis à des excitations harmoniques et transitoires en utilisant des absorbeurs de type Nonlinear Energy Sink (NES). Plusieurs aspects ont été développés : la conception et la réalisation d'un nouveau design pour le NES cubique, l'étude de la location et du transfert irréversible d'énergie sur un NES bistable et le développement d'un critère de conception pour un NES à Vibro-Impact (VI). Dans un premier temps, un critère de conception est proposé pour le NES à raideur cubique. Le design proposé est basé sur des ressorts coniques ou des ressorts à pas variable. Un mécanisme à raideur négative est aussi introduit pour supprimer la partie linéaire et avoir une raideur cubique pure. Dans un deuxième temps, le concept du NES est validé expérimentalement par des essais statiques et des essais dynamiques. Une analyse de sensibilité est aussi menée sur la longueur des ressorts précontraints, elle dénote parfois un état bistable de l'oscillateur. Ensuite, le NES bistable ainsi obtenu est étudié plus en détail. Ce type d'absorbeur s'avère être très robuste pour différents types d’excitation. Des études expérimentales sont aussi menées afin d'explorer le comportement dynamique. Enfin, un critère de conception est proposé pour le NES à Vibro-Impact. Des calculs analytiques détaillés sont proposés pour contrôler les vibrations sous différentes excitations. L'étude expérimentale montre une bonne cohérence avec les résultats théoriques. / The work presented in this thesis deals with the passive control of dynamics systems subjected to harmonic and transient excitations using a Nonlinear Energy Sink (NES). Several research aspects have been developed: design theory and experimental study of a novel NES, efficient Targeted Energy Transfer (TET) of bistable NES and design criteria for optimally tuned Vibro-Impact (VI) NES. Firstly, a design criterion intended to provide optimal nonlinear stiffness is proposed. Then a novel design of NES system yielding cubic stiffness with conical springs or variable pitch springs and negative stiffness mechanism is developed. Secondly, the experimental procedures for static and dynamic test are presented and applied to validate the concept of NES system. Then a sensitivity analysis is performed with respect to the pre-compressed length of springs. Thirdly, the optimal design of the above device with negative stiffness (termed as bistable NES) is studied. This type of NES is proved to work robustly for different types of excitation, and experimental study of semi-active control are explored. Finally, design criteria for optimally tuned VI NES are studied. Detailed analytical calculations of clearance to control the vibration under different excitations are proposed. A good correspondence between theoretical and experimental results is observed.

Ce mémoire traite de la modélisation tridimensionnelle des champs électriques et des champs magnétiques par la méthode des éléments finis. <br />Le premier chapitre consacré à l'étude des problèmes scalaires comporte, outre la formulation scalaire, une analyse exhaustive de l'application de cette formulation à la détermination directe des grandeurs intégrales. Les flux, les capacités et les inductances sont calculés à l'aide de la notion de co-énergie. L'évaluation des forces et couples fait appel au principe des travaux virtuels. La philosophie dégagée de cette méthodologie, nous a amené à imaginer une méthode d'évaluation de l'influence des paramètres géométriques et physiques sur les grandeurs intégrales.<br />Dans le deuxième chapitre nous étudions la formulation variationnelle des problèmes de magnétostatique dans lesquels le champ dérive d'un potentiel vecteur. Les conditions aux limites sont l'objet d'une attention particulière. Le problème de l'unicité de la solution est résolu en introduisant une formulation variationnelle qui utilise le principe de pénalité. Cette formulation est développée à la fois en coordonnées cartésiennes et cylindriques : ces dernières sont particulièrement bien adaptées à l'étude des machines tournantes. Bien entendu l'application de cette formulation au calcul des grandeurs intégrales découle de la méthode directe décrite dans le premier chapitre.<br />Dans le troisième chapitre, nous abordons l'étude de l'organisation générale des logiciels de calcul des champs. Nous proposons une structure de logiciel qui permette, en bidimensionnel comme en tridimensionnel, d'aborder les problèmes d'optimisation automatique ou assistée dans les meilleures conditions.

Le syndrome de Schwartz-Jampel (SJS) est une pathologie autosomique récessive rare car seulement plus de 100 cas ont été décrits dans la littérature. Elle est caractérisée par une raideur musculaire permanente et généralisée associée à une chondrodystrophie. Elle est due à des mutations perte de fonction dans le gène HSPG2 codant pour le perlecan, un héparane sulfate protéoglycane ubiquitaire présent dans les membranes basales et les matrices extracellulaires. Une autre pathologie, la dysplasie dissegmentaire de type Silvermann-Handmaker (DDSH) est due à des mutations perte de fonction dans ce gène, et est caractérisée par une chondrodysplasie très sévère menant à la mort du patient dès les premiers jours de vie. Dans une première partie de mon introduction, je décrirai les signes cliniques de ces deux pathologies et les mutations du gène HSPG2 actuellement connues pour chacune. Le perlecan est une des plus grandes protéines connues. Avec une séquence protéique de plus de 4300 acides aminés et un poids moléculaire de plus de 450kDa, il subit des modifications post-traductionnelles et peut alors atteindre un poids moléculaire de 800kDa. Cette protéine immense assure de multiples interactions et fonctions dans les membranes basales dans lesquelles elle est ubiquitairement présente. Afin de mieux comprendre quel rôle cette protéine peut jouer dans la détermination du phénotype dans le SJS, je détaillerai dans une seconde partie les différentes molécules avec lesquelles le perlecan interagit et les fonctions qu'il assume dans les deux principaux tissus d'intérêt de la pathologie : le cartilage et le muscle. Enfin, je décrirai le phénotype de mutants d'orthologues de gène HSPG2 dans les trois organismes modèles que sont la drosophile, le nématode et la souris. Au cours de ma thèse, je me suis plus particulièrement intéressée au phénotype neuromusculaire du SJS. Pour une meilleure compréhension de mes travaux, je rappellerai dans une troisième et dernière partie de mon introduction, la structure, le développement et le fonctionnement de la jonction neuromusculaire, ainsi que les pathologies humaines congénitales associées.

L'objectif de cette thèse était d'appréhender les effets de la croissance et de l'expertise sur les propriétés biomécaniques des membres inférieurs de l'Homme. Pour ce faire, une série d'expérimentations se basant sur un modèle "masse-ressort" associé à des tâches de sauts verticaux ont été menées dans des conditions de terrain. Nous avons démontré dans un premier temps qu'un système accélérométrique transportable et autonome pourrait être utilisé, in situ, d'une manière fiable et valide afin d'estimer l'ensemble des paramètres mécaniques et indices neuromusculaires étudiés au cours de ce travail de recherche. Ensuite, au cours d'une étude croisée, nous avons identifié un âge d'or pour la maturation des paramètres neuromusculaires des membres inférieurs qui se situe autour de 15-16 ans, âge de début de différenciation fille/garçon et d'évolution des propriétés neuromusculaires du cycle étirement-renvoi vers l'âge adulte. Enfin, nous avons étudié l'effet de l'expertise sur les qualités physiques du sportif. Les résultats montrent clairement que le comportement neuromécanique des membres inférieurs évolue avec l'expertise sportive, d'une façon spécifique à l'activité.

Un des outils numériques les plus utilisés en ingénierie est la méthode des éléments finis, qui peut être mise en o euvre grâce à l'utilisation de nombreux codes de calcul. Toutefois, une difficulté apparaît lors de l'utilisation de la méthode des éléments finis, spécialement en géotechnique, lorsque la structure étudiée est en interaction avec un domaine de dimensions infinies. L'usage courant en ingénierie est alors de réaliser les calculs sur des domaines bornés, mais la définition de la frontière de tels domaines bornés pose de sérieux problèmes. Pour traiter convenablement les problèmes comportant des frontières à l'infini, l'utilisation d'éléments discrets "infinis" est maintenant souvent délaissée au profit de la méthode des équations intégrales ou "méthode des éléments de frontière" qui permet de résoudre un système d'équations aux dérivées partielles linéaire dans un domaine infini en ne maillant que la frontière du domaine à distance finie. La mise en oeuvre du couplage entre la méthode des éléments finis et la méthode des éléments de frontière apparaît donc comme particulièrement intéressante car elle permet de bénéficier de la flexibilité des codes de calcul par éléments finis tout en permettant de représenter les domaines infinis à l'aide de la méthode des éléments de frontière. La méthode est basée sur la construction de la "matrice de raideur" du domaine infini grâce à l'utilisation de la méthode des équations intégrales. Il suffit alors d'assembler la matrice de raideur du domaine infini avec la matrice de raideur du domaine fini représenté par éléments finis. L'utilisation de la méthode la plus simple de traitement des équations intégrales, dite méthode de " collocation " conduit à une matrice de raideur non-symétrique. Par ailleurs, la méthode dite "Singular Galerkin" conduit à une formulation symétrique, mais au prix du calcul d'intégrales hypersingulières. La thèse porte sur une nouvelle formulation permettant d'obtenir une matrice de raideur symétrique sans intégrales hypersingulières, dans le cas de problèmes plans. Quelques applications numériques sont abordées pour des problèmes courants rencontrés en géotechnique