Travaux d'études doctorales réalisées conjointement avec les travaux de recherches doctorales de Nicolas Leduc, étudiant au doctorat en génie informatique à l'École Polytechnique de Montréal. / Cette thèse vise le développement de GeoGebraTUTOR (GGBT), un espace de travail géométrique (ETG) qui intègre un système tutoriel pour l’obtention d’un milieu respectueux du raisonnement idiosyncratique de l’élève. Le raisonnement mathématique, comme l’apprentissage, ne s’exerce pas de manière linéaire, il repose sur un remaniement conceptuel continu. Il est donc peu étonnant qu’une approche séquentielle inflexible pour l’exercice de la démonstration en géométrie soit source d’embûches. Les systèmes tutoriels existants pour l’exercice de la démonstration en géométrie offrent une variété d’outils sans pour autant soulager l’élève de cette rigidité. Le design multidisciplinaire de GGBT repose sur une conception dans l’usage qui articule plusieurs cycles de recherche et de développement successifs. Cette méthodologie itérative et anthropocentrique confère à GGBT une intelligence qui nait d’une convergence d’analyses a priori et a posteriori successives. Cette thèse concerne les deux premiers cycles du développement de GGBT. La première phase du développement implique l’élaboration a priori d’un système capable de recevoir et d’analyser les démarches singulières de démonstration des élèves en fonction de solutions expertes préalablement identifiées. Ce premier prototype de GGBT est conçu en fonction d’une analyse de la relation didactique entre un enseignant réel et l’élève, et la relation didactique simulée entre un agent tuteur virtuel et ce même élève. Cette analyse théorique a priori établit un cadre conceptuel liminaire qui vise à encadrer la création d’un ETG idoine permettant à l’apprenti géomètre de se livrer à son travail mathématique. Cette version initiale de GGBT est mise à l’essai par des élèves réels guidés par leur enseignant ordinaire. Leurs interactions sont ensuite étudiées pour modéliser et implémenter un premier système tutoriel autonome à l’image des échanges témoignant du contrat didactique observé. Le second cycle de développement s’amorce avec la modélisation et la programmation d’une structure tutorielle autonome et d’une interface renouvelée, qui contribuent conjointement au design a priori d’un espace de travail géométrique. La deuxième version ainsi obtenue est également testée en contexte de classe réel. Cette fois, l’exercice empirique vise la validation de la gestion des messages par le système tutoriel et l’exploration des raisonnements instrumentés dans une perspective de précision du travail géométrique possible à l’interface de l’ETG qu’est GGBT. Ce parcours doctoral se clôt par l’exploration d’avenues de recherche potentielles pour la poursuite du développement et du raffinement de GGBT. / This thesis aims at modeling GeoGebraTUTOR, a geometrical workspace that relies on the works of a tutorial system for the definition of a milieu respectful of the student’s idiosyncratic reasoning. Mathematical reasoning, like learning, does not evolve in a linear fashion. It relies on continuous conceptual reorganizations. Therefore, it is little wonder that a linear and inflexible approach for the exercise of geometrical proof creates difficulties. Existing tutorial systems for the solving of geometrical proof problems offer a variety of tools without relieving the student of this rigidity. GGBT’s multidisciplinary design relies on a design in use approach that articulates a series of research and development cycles. This iterative anthropocentric methodology provides GGBT with an intelligence resulting from the confrontation of successive a priori and a posteriori analyses. This thesis is rooted in GGBT’s two first development cycles. The first phase of design implies the planning of a system able to take in singular student proofs and analyze their value compared to previously implemented expert answers. This first GGBT prototype is designed according to an analysis of the didactical relationship between the teacher and the student as well as the relationship that takes place between the student and the tutor agent who evolves within the didactical milieu. This a priori analysis establishes theoretical guidelines, which will steer the design of a geometrical workspace that enables the learning geometer to accomplish his mathematical work. A first GGBT prototype is put to the test with real students assisted by their regular teacher. Their interactions are then studied in order to model and implement a first self-governing tutorial system according to the dialogues reflecting the observed didactical contract. The second design cycle begins with the modeling and programming of a tutorial structure and of a renewed interface, both of which contribute to the planning of a geometrical workspace. This second prototype is also tested in a real class environment, although this time the empirical exercise aims, on the one hand, at validating the management of the tutor’s help messages, and on the other hand at exploring the student’s instrumented reasoning to specify the mathematical activity made possible by the GGBT geometrical workspace. This doctoral endeavor ends with the exploration of potential research avenues for the ongoing design and refining of GGBT.

The objective of this thesis is to analyze the kinematics of a mobile parallel robot with contribution that pertain to the singularity analysis, the optimization of geometric parameters and the optimal control to avoid singularities when navigating across singular geometric configurations. The analysis of the workspace and singularities is performed in a prescribed reference workspace regions using discretization method. Serial and parallel singularities are analytically analyzed and all possible singular configurations are presented. Kinematic conditioning index is used to determine the robot’s proximity to a singular configuration. A method for the determination of a continuous and singularity-free workspace is detailed. The geometric parameters of the system are optimized in various types of pipe-like structures with respect to a suitable singularity index, in order to avoid singularities during the navigation across elbows. The optimization problem is formulated with an objective to maximize the reachable workspace and minimize the singularities. The objective function is also subjected to constraints such as collision avoidance, singularity avoidance, workspace continuity and contact constraints imposed between the boundaries and the wheels of the robot. A parametric variation method is used as a technique to optimize the design parameters. The optimal design parameters found are normalized with respect to the width of the pipe-like structures and therefore the results are generalized to be used in the development phase of the robot. An optimal control to generate singularity-free trajectories when the robotic device has to cross a geometric singularity in a sharp 90◦ elbow is proposed. Such geometric singularity inherently leads to singularities in the Jacobian of the system, and therefore a modified device with augmented number of degrees of freedom is introduced to be able to generate non-singular trajectories.

Durant ces dernières années, les espaces de travail n'ont cessé de changer, en fonction du type de l'organisation ou du travail effectué, mais surtout suite à la mondialisation, aux préoccupations environnementales et aux technologies de l'information et de la communication. L'espace est inhérent à toute situation de gestion, l'important est de déceler son influence sur les acteurs. Le travail perd peu à peu sa notion d'accomplissement de soi et les entreprises font face aujourd'hui à un mal-être des salariés. Cependant, le travail' ne se cantonne pas au stress ou aux troubles psychosociaux, mais il peut être une réalisation ou un dépassement de soi. Conséquemment, nous nous demandons dans quelle mesure la perception de l'espace de travail, notamment de l'open space, influence les perceptions du bien-être du salarié au travail ainsi que sa performance. Nous avons choisi une méthodologie mixte ayant pour finalité la complémentarité des méthodes. Cette stratégie permet de mobiliser simultanément une approche qualitative exploratoire et une approche quantitative. Notre recherche tend à démontrer une corrélation entre la perception de l'espace de travail et les perceptions de bien-être et de performance. S'il existe une relation significative d'une part entre la perception de l'espace de travail et la perception du bien-être au travail et d'autre part entre la perception de ce bien-être et de la performance individuelle, ce n'est pas le cas entre la perception de l'espace et de la performance. Cependant, nous pouvons nous demander si le bien-être du salarié serait un médiateur de la relation espace de travail et performance individuelle. / In recent years, workspaces have continued to change, depending on the type of organization or work, but mostly due to globalization, environmental concerns and information and communication technologies. Space is inherent to any management situation, it is important to detect its influence on the actors. Work gradually loses its notion of self-fulfillment, and companies today face an ill-being of employees. However, the work is not confined to stress or psycho social problems, but it can be a self-fulfillment. Consequently, we ask ourselves to what extent the perception of the workspace, particularly the open plan office, influences perceptions of well-being at work and job performance. We have chosen a mixed research methodology. This strategy allows us to simultaneously mobilize an exploratory qualitative approach and quantitative approach. Our research tends to show a correlation between the perception of the workspace and perceptions of well-being and job performance. If there is a significant relationship between the perception of the work space and the perception of well-being at work and between the perception of well-being and job performance, it is not the case between the perception of space and job performance. However, we wonder if the well-being of the employee may be a mediator of the relation between workspace and job performance.

En 1995, le philosophe Ned Block a proposé de distinguer deux notions de conscience : une notion purement expérientielle, la « conscience phénoménale », qui désigne l’effet que cela fait d’être dans tel ou tel état mental, et une notion purement fonctionnelle, la « conscience d’accès », ou « accès cognitif » (Block, 2007), entendue comme la capacité du sujet à utiliser ses représentations pour le contrôle de ses opérations cognitives, et, via ces opérations, pour le contrôle de la parole et de l’action. Block défend depuis l’hypothèse très discutée selon laquelle l’expérience consciente, ou « conscience phénoménale », déborde l’accès cognitif du sujet. L’objet central de ce travail est de mettre cette hypothèse à l’épreuve de la recherche sur le rêve. Nous y soutenons principalement les trois arguments suivants : 1. Sous hypothèse d’une continuité entre les propriétés de la mémoire onirique et vigile, on peut objectiver la réalité d’expériences conscientes pendant le sommeil en s’appuyant sur le critère canonique de rapportabilité. De fait, de nombreuses études convergent pour montrer que les sujets peuvent rapporter un contenu onirique qui reflète de manière non équivoque un stimulus présenté plus d’une minute avant l’éveil – ce qui, au regard de l’extrême évanescence de la perception subliminale, ne pourrait pas être le cas si le rêve était un processus inconscient. Sachant que le sommeil s’accompagne d’une sévère désactivation des aires frontales, et en particulier du cortex dorsolatéral préfontal (DlPFC), un tel résultat tend à questionner le modèle neuropsychologique de « l’espace neuronal global de travail » (Dehaeneet Naccache, 2001 ; Dehaene et al, 2006) qui fait dépendre la perception consciente de l’activation de ces aires.2. Le fait même d’objectiver la réalité d’expériences conscientes pendant le sommeil à travers des récits de rêves recueillis à l’éveil implique cependant de reconnaître que ces mêmes expériences ont été remarquées par le dormeur et qu’elles relèvent en ce sens minimum de la conscience d’accès. Pour autant, certains désordres cognitifs de la conscience rêvante, tels notamment que la cécité au changement, suggèrent qu’il ne suffit pas qu’une expérience soit remarquée par le dormeur pour qu’elle relève de plein droit de la conscience d’accès : il fautencore qu’elle puisse être maintenue activement dans la mémoire de travail. Le phénomène bien connu des « dissociations identité-apparence » (Schwartz, 1999) suggère pareillement que la rapportabilité d’une expérience onirique n’assure pas qu’elle soit posée pour le contrôle des opérations cognitives dans le rêve.3. Dès l’instant où l’on a pu objectiver la réalité des expériences oniriques à travers le critère canonique de rapportabilité, il devient possible – là encore, sous hypothèse de continuité –d’inférer de façon empiriquement contraignante l’existence d’une vie consciente non rapportable du dormeur. Se pose alors la question de savoir si un tel vécu, dont on peut soutenir qu’il constitue une forme d’inconscient psychique, relève de plein droit de la conscience d’accès.Enfin, à travers ces trois arguments portant spécifiquement sur la conscience onirique, nous montrons que la recherche sur le rêve permet de questionner de façon privilégiée la notion d’une nécessaire rapportabilité de l’expérience consciente et de faire valoir le concept de modularité de la conscience qui sous-tend l’hypothèse blockéenne du débordement expérientiel (Block, 1995, 1997). / In 1995, the American philosopher Ned Block proposed to distinguish between two notions of consciousness: “Access-consciousness” and “Phenomenal-consciousness”. “P-consciousness” is experience: it refers to what it is like to be in a certain mental state. “Aconsciousness” is a purely functional notion. A mental state is A-conscious when it allows the subject to cognitively control its reasoning, speech and action. Since 1995, Block supports the controversial hypothesis according to which conscious experience overflows our cognitive access to it. The main goal of this work is to assess this hypothesis from the point of view of scientific research on dreaming. This PhD dissertation makes the three following points : 1. Assuming there is a continuity between waking and dreaming memory, one can objectively verify that dreams are conscious experiences that occur during sleep relying on the canonical criterion of reportability. Indeed, many studies show that subjects can report on a dream content that unequivocally reflects a stimulus that has occurred more than one minute before awakening – which couldn’t be had this dream content been unconsciously processed. Considering that sleeping involves a severe deactivation of the frontal areas of the brain, especially of the dorsolateral prefrontal cortex (DlPFC), this result seems to call into question the global neuronal workspace theory of consciousness. Indeed, according to this theory the activation of these very areas is a necessary condition for a conscious perception to occur(Dehaene & Naccache, 2001; Dehaene et al, 2006). 2. There is no way though to demonstrate scientifically that dreams are conscious experiences of the sleeper without implying they were noticed during sleep, which, in turn, implies an elementary level of access. Still, certain cognitive disorders of our dreaming consciousness, such as change blindness, suggest that, due to a severe weakness of working memory, noticing an experience during sleep might not suffice to constitute a genuine cognitive access to it. The well-known phenomenon called “identity-appearance dissociation” (Schwartz, 1999) also suggests that dreaming experiences that are reportable on awakening might not always be poised for cognitive control in the dream. 3. Once the reality of conscious experiences during sleep is objectively established relying on the criterion of reportability, it becomes possible – again under the assumption of continuity - to empirically infer the existence of dreaming experiences that the subject cannot report. The following question then arises: are these experiences, which can be seen as a form of unconscious mental life, access-conscious? Finally, and more generally, we show that the results of dreaming research offer a vantage point both to call into question the notion that conscious experience is necessarily reportable and to support the concept of modularity of our conscious selves (Nagel, 1971; Gazzaniga,1985) that underlies Block’s overflow hypothesis (Block, 1995, 1997)

Les environnements CAO fournissent des outils puissants pour la programmation graphique et la manipulation d’entités géométriques complexes. Dans cette thèse, nous proposons d’exploiter ce potentiel dans le domaine de la conception de robots parallèles. Ces robots sont considérés comme une alternative intéressante vis-à-vis de leurs homologues sériels dans différentes applications comme le « pick and place » et l’usinage. Cependant, leur utilisation industrielle est encore restreinte en raison d’un espace de travail limité, de modèles géométriques difficiles à résoudre et l’existence de configurations singulières délimitant leur domaine d’exploitation. L’analyse et la caractérisation de l’espace de travail jouent alors un rôle fondamental dans la phase de conception de robots manipulateurs parallèles. Dans ce travail de thèse, nous proposons des approches géométriques originales donnant lieu à un ensemble de méthodes et techniques basées CAO pour l’analyse et la caractérisation de l’espace de travail de robots parallèles plans et spatiaux. L’espace de travail est généré comme un solide dans l’environnement CAO à partir d’un paramétrage géométrique, d’esquisses et d’opérations élémentaires telles que le balayage hélicoïdal et l’intersection. Nous avons montré que ces méthodes constituent des outils pertinents et efficaces d’aide à la conception des mécanismes parallèles. Ils permettent également la résolution du problème géométrique direct et la génération de trajectoires libres de singularités. Plusieurs types de manipulateurs ont été considérés dans ce travail pour mettre en avant et illustrer les techniques CAO / Géométriques proposées : robots parallèles plans à 3 degrés de mobilité de type 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR et 3-PRR, robots parallèles spatiaux à 6 degrés de mobilité de type ou 3-CRS ou 3-PRRS. / CAD environments provide very powerful tools for graphical programming and manipulation of complex geometric entities. In this thesis, we propose to exploit such potential in the design of parallel robots. These robots are considered an attractive and important alternative towards their serials counterparts in various applications, like “pick and place” and machining. However, their industrial applications are restricted due to limited workspace, complexity related to resolution of the direct geometric model, and in addition the existence of the singular configurations which bound their application field. The analysis and the characterization of the workspace therefore play an essential role in the design phase of parallel robotic manipulators. In this thesis, we suggest original geometric approaches giving rise to a set of methodologies and techniques based on the use of CAD in order to analyze and characterize the workspace of planar and spatial parallel robotic manipulators. Workspace is generated as a solid in CAD environment by using a parametric geometric model, sketches, and elementary operations such as helical scanning and performing then Boolean intersection operation. We have shown in this thesis, that the proposed methodologies represent relevant and efficient tools which assist designers of parallel mechanisms. Moreover, they allow us to solve the direct geometric problem and to plan singularity-free trajectories. Several types of robotic manipulators have been considered in this work to highlight and illustrate the proposed CAD / Geometric techniques : planar parallel manipulators having three degree of freedom such as 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR, and 3-PRR, and spatial parallel robotic manipulators having six degree of freedom 3-CRS-type.

The objective of this thesis is to analyze the kinematics of a mobile parallel robot with contribution that pertain to the singularity analysis, the optimization of geometric parameters and the optimal control to avoid singularities when navigating across singular geometric configurations. The analysis of the workspace and singularities is performed in a prescribed reference workspace regions using discretization method. Serial and parallel singularities are analytically analyzed and all possible singular configurations are presented. Kinematic conditioning index is used to determine the robot’s proximity to a singular configuration. A method for the determination of a continuous and singularity-free workspace is detailed. The geometric parameters of the system are optimized in various types of pipe-like structures with respect to a suitable singularity index, in order to avoid singularities during the navigation across elbows. The optimization problem is formulated with an objective to maximize the reachable workspace and minimize the singularities. The objective function is also subjected to constraints such as collision avoidance, singularity avoidance, workspace continuity and contact constraints imposed between the boundaries and the wheels of the robot. A parametric variation method is used as a technique to optimize the design parameters. The optimal design parameters found are normalized with respect to the width of the pipe-like structures and therefore the results are generalized to be used in the development phase of the robot. An optimal control to generate singularity-free trajectories when the robotic device has to cross a geometric singularity in a sharp 90◦ elbow is proposed. Such geometric singularity inherently leads to singularities in the Jacobian of the system, and therefore a modified device with augmented number of degrees of freedom is introduced to be able to generate non-singular trajectories.

Final thesis on the design of the drive of a cutting mechanical two-point crank press with a nominal force of 6300 kN. After the theoretical definition of the area of mechanical crank presses and their drives at the beginning of the work, the actual design solution follows. The main idea of the design is the drive arrangement with the concurrent axis of the clutch shaft. The supplied torque is distributed on two longitudinally mounted drive units via a two-sided bevel gear. Solution of the construction design is aimed at enabling workspace variability while simultaneously unifying the maximum number of drive components. Drawing documentation of selected components and assemblies is the part of the thesis.

This work is concerned by the issue of calibrating a robotic workplace, including the localization of a calibration object for the purpose of calibrating a 2D or 3D camera, a robotic arm and a scene of robotic workplace. At first, the problems related to the calibration of the aforementioned elements were studied. Further, an analysis of suitable methods for performing these calibrations was performed. The result of this work is application of ROS robotic system providing methods for three different types of calibration programs, whose functionality is experimentally verified at the end of this work.

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