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This PhD. applies in the field of robotics for building inspection. Buildings are understood here as huge constructions such as bridges or churches. Using photogrammetry to analyses the structure of these kind of buildings is nowadays a common technique. To extend the analysis methodologies, we propose in this document to imagine a way to bring tools directly in contact with the buildings. Multiple solution possibilities are presented for a final choice. The chosen solution consists of designing a drone able to tilt its arms to bring the building inspection tool directly onto the wall of the construction. This leads to a double challenge. Firstly, the mechanical part of designing such a complex and non-common drone. Secondly,the development and real time testing of the control algorithm. Eventually, this manuscript proposes to use a particular software architecture joining fast experimentations and validation of the control laws. This platform being very versatile, it is also possible to consider re-using it for different applications in future works. The experimentations reveal good results, promoting the usage of the drone as a carrying vector to bring the tools onto the construction., Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la robotique pour l’analyse de la pathologie des structures pour le bâtiment et travaux publics. La réalisation de relevés photographiques est d’ores et déjà une technique largement utilisée pour faciliter le diagnostic des ouvrages. On cherche dans cette thèse à développer davantage la technique de relevé en permettant de faire un diagnostic au contact de la structure des ouvrages (allant d’un pont à une église en passant par les hôpitaux et écoles). La présentation de différentes solutions technologiques sera faite et permettra de faire un choix d’innovation technologique à investir. Le choix de solution retenu consiste à développer un drone à bras inclinable capable d’emporter la charge désirée (l’outil de mesure) sur la paroi. Cette étude pose un challenge à la fois sur le modèle mécanique non conventionnel mais également sur la conception d’un robot complexe. Une étude approfondie des lois de commande sera menée,implémentée et comparée dans cet ouvrage. Enfin, une plateforme informatique particulière a également été développée permettant le test rapide des différents algorithmes. Cette plateforme étant extrêmement versatile, elle pourra être réutilisée dans des travaux futurs. Enfin, ces travaux montrent le bon fonctionnement du vecteur drone pour réaliser la tâche qui lui incombe.

Many contexts require appropriate management of the interactions between a robot and its environment. However, the development of robotic manipulators suited for these interactions while fulfilling needs in terms of weight and compacity is still an open issue. In this thesis, we address this problem by exploiting tensegrity mechanisms, which are of interest for their resistance, their deployability and their compliance. We thus aim the development of tensegrity-based manipulators.To discuss this development, we study the analysis, the design, the control and the instrumentation of such manipulators. We then firstly propose tools and evaluation criteria dedicated to these particular systems. Two design methods are then elaborated to select the architecture of tensegrity-based manipulators. The first one is based on the assembly of elementary blocks while the second one uses an analogy with scissor structures. These methods are exploited to design two manipulators which respect a remote center of motion constraint, leading to the construction of prototypes and experimental evaluations. After that, we propose control laws which are adapted to these manipulators by exploiting the redundancy that can be obtained to optimize a given criterion of interest as well as guarantying that operating limits are not reached. Following this work, these contributions are used to address a need in the biomedical context. This work then leads to the development and the manufacturing of a manipulator dedicated to magnetic manipulation. Finally, a novel force sensor for contact management is proposed. A transducer with a null stiffness at the contact transition is designed and a new optical measurement cell exploiting components created by additive manufacturing is developed.; Un grand nombre de contextes nécessitent une gestion appropriée des interactions entre un robot et son environnement. Néanmoins, le développement de manipulateurs robotisés adaptés à ces interactions tout en répondant à des problématiques de légèreté et de compacité est toujours un problème ouvert.Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle solution à ce problème en exploitant des mécanismes de tenségrité, qui sont des mécanismes d’intérêt pour leur résistance, leur déployabilité et leur compliance. Nous visons ainsi le développement de manipulateurs en tenségrité.Pour discuter un tel développement, l’analyse, la conception, la commande et la perception sont abordées. Dans ce cadre, nous proposons tout d’abord des outils et des critères d’évaluation dédiés à ces systèmes particuliers. Deux méthodes de conception, la première basée sur un assemblage de blocs et la seconde sur une analogie avec les structures en ciseaux, sont ensuite élaborées pour effectuer le choix de l’architecture des manipulateurs. Ces méthodes sont exploitées pour concevoir deux manipulateurs respectant une contrainte de centre de rotation déporté, menant à la fabrication de prototypes et à des évaluations expérimentales. Après cela, nous mettons en place des commandes adaptées à la mise en mouvement de ces manipulateurs pour d’une part exploiter la redondance pouvant être présente en optimisant certaines performances d’intérêt, et d’autre part pour respecter les limites de fonctionnement. Suite à cela, ces contributions sont exploitées pour proposer une réponse préliminaire à un besoin dans le contexte biomédical. Ce travail mène ainsi au développement et à la fabrication d’un manipulateur dédié à une tâche de manipulation magnétique. Enfin, un capteur d’effort adapté à la gestion du contact est proposé. Pour cela, un transducteur avec une raideur nulle à la transition du contact est conçu et une nouvelle mesure optique exploitant des composants réalisés par fabrication additive est développée.

Composite materials, and especially sandwich structures, have been studied for decades. Indeed, the association between lightness and resistance of these structures leads to the development of their use. Their manufacturing method and their characterization remain as essential points in most studies. This work is part of the FUI SOLLICITERN project, which aims to design a composite water treatment tank for vehicles intended for this purpose. As a first step, and based on the classical filament winding principal, we aim to search designs that are best adapted to the fabrication of a curved sandwich material on a cylindrical mandrel, while respecting the process parameters of and their influence on structural properties. Since an optimal solution was validated, the constituent materials were studied by measuring mechanical properties. The objective is to help our industrial partner to validate a manufacturing solution and verify that such properties are the expected ones. For that, several static and dynamic characterizations were carried out on curved samples manufactured by the optimized process designed for our application. This part includes various experimental tests in order to validate the structure behavior with the most appropriate dimensions and material combinations, taking into account the manufacturing process. At the end, the best structural configuration is retained for the first tank prototype fabrication.; Les matériaux composites, et en particulier les sandwichs, sont très étudiés depuis des décennies. En effet, l'alliance entre légèreté et résistance de ces structures entraîne le développement de leur utilisation. Leur méthode de fabrication et éventuellement leur caractérisation restent des points essentiels dans la plupart des études. Ce travail s’inscrit dans le projet FUI SOLLICITERN qui vise à développer une citerne routière en matériau composite sandwich pour un véhicule d’hydrocurage. Comme première étape, et à partir du principe de l’enroulement filamentaire classique, l’objectif consiste à chercher des conceptions qui sont les mieux adaptées à l’enroulement d’un matériau sandwich sur un mandrin cylindrique, tout en respectant les paramètres de l’enroulement et leur influence sur la structure et les propriétés. La solution optimale étant validée, les matériaux constitutifs ont été étudié en mesurant de nombreuses propriétés mécaniques. L’objectif est de pouvoir aider le bureau d’étude à valider une solution de fabrication et de vérifier que les propriétés sont celles attendues. Pour ce faire, des caractérisations statique et dynamique ont menée sur des échantillons incurvés fabriqués par le procédé optimisé pour notre application. Cette partie comporte notamment différents essais expérimentaux dans le but de valider le comportement de la structure visée avec les dimensions et les combinaisons de matériaux les plus appropriées, en tenant compte du processus de fabrication. La meilleure configuration structurelle est retenue à la fin pour la fabrication de la citerne routière prototype.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L'hydraulique de puissance joue un rôle majeur dans l'ensemble des systèmes mécaniques nécessitant des puissances massiques élevées. Son champ d'application s'étend à de nombreux domaines tels que les transports de biens et de personnes, les travaux publics, les machines agricoles ainsi que les machines-outils. L'augmentation du prix de l'énergie, les contraintes environnementales ainsi que les exigences du marché mondial imposent aux fabricants d'équipements hydrauliques de produire des composants toujours plus compétitifs et de plus en plus performants. Face à ces exigences l'innovation est primordiale. La recherche et le développement ayant pour vocation la mise en ?uvre de solutions nouvelles ainsi que la compréhension des phénomènes physiques constituent la véritable pierre angulaire de la discipline. Les générateurs de débits, plus particulièrement les pompes à pistons font l'objet de nombreuses études dans le but d'améliorer leurs performances. Ces dernières sont dédiées à la caractérisation de l'évolution des différents paramètres physiques influencés par les conditions de fonctionnement. Elles concernent également la modélisation de leurs comportements ainsi que l'optimisation de la conception de certains de ses composants. Le développement conventionnel d'une pompe fait appel à la méthode expérimentale essais-erreurs avec itérations successives longues et couteuses. L'intégration de la simulation numérique très en amont permet une optimisation des produits par prototypage virtuel tout en réduisant considérablement le coût et le temps de développement. Le travail mené se situe au carrefour de ces deux méthodes de conception dans le but d'améliorer les performances des pompes hydrauliques à pistons. Il s'agit d'observer de quelle façon est mise à profit l'utilisation de la simulation numérique pour la conception de produits nouveaux. A partir des connaissances relatives aux caractéristiques d'une pompe hydraulique à pistons obtenues lors d'essais physiques, l'objectif est de modéliser le comportement de cette dernière. Ce modèle permet d'identifier les paramètres qui influencent de manière plus ou moins significative les performances de la pompe étudiée. Ces derniers constituent le socle sur lequel un travail d'investigation pourra être mené. Ce travail s'inscrira dans un processus de simulations auquel les plans d'expériences numériques permettront d'aboutir aux configurations optimales d'un nouveau produit.

My thesis aims at contributing to the development and improvement of the upper body of HYDROïD robot for bi-manual tasks, while basing on a bio-mechanical study of this part of the human being. To reach our major goal, this work adopts, at first, a novel hybrid structure of 4 degrees of freedom (DOF) for the trunk of the robot, distributed in three DOF at the lumbar level and one DOF at the thoracic level. This structure was identified after an analysis of the work-space of a multi-body model feigning the vertebral column of a human being, and an optimization study of that model allowing the synthesis of the envisaged structure. Secondly, an improvement of the kinematics of the robor arm was organized, by introducing the notion of the shoulder complex in the present structure. The choice of this new degree of freedom was the fruit of a systematic approach to increase the anthropomorphism geometry of the arm wished towards a humanitarian arm of the same size.The two proposed structures crossed afterward by the mechanical design phase while respecting all the geometrical constraints and by using the hydraulic energy as being the type of actuation of these systems. Finally, the Inverse Geometrical Model (IGM) for the generic solution of the trunk was established and its adaptation to our particular case was identified. An optimized solution for this mechanism based on 2 various criteria was then given., Ma thèse vise à contribuer au développement et l’amélioration de la cinématique de la partie supérieure du robot HYDROïD pour des tâches bi-manuelles, tout en basant sur une étude biomécanique de cette partie chez l’être humain.Pour atteindre notre objectif majeur, ce travail adopte dans un premier temps une nouvelle structure hybride de 4 degrés de liberté (ddl) pour le torse du robot, distribués en 3 ddl au niveau lombaire et un ddl au niveau thoracique. Cette structure était identifiée après une analyse de l’espace de travail d’un modèle multi-corps simulant la colonne vertébrale d’un être humain, et une étude d’optimisation de ce modèle permettant la synthèse de la structure envisagée.Dans un second temps, une amélioration de la cinématique du bras du robot a été mise en place, en introduisant la notion de l’épaule complexe au présente structure. Le choix de ce nouveau degré de liberté était le fruit d’une approche systématique pour augmenter l’anthropomorphisme géométrie du bras souhaité vers un bras humain de la même taille.Les 2 structures proposées ont passé par la suite par la phase de conception mécanique tout en respectant les contraintes géométriques et en se basant sur l’énergie hydraulique comme étant l’énergie d’ actionnement de ces systèmes. Enfin, le Modèle Géometrique Inverse (MGI) pour la solution générique du torse a été établi et son adaptation à notre cas particulier a été identifiée. Une solution optimisée pour ce mécanisme basée sur 2 différents critères a ensuite été donnée.

L’objectif de cette étude est la conception d’un préhenseur permettant le montage d’une paroi à lames croisées crantées. Le prototype conçu fonctionne avec le robot cartésien cinq axes de l’ENSTIB (Ecole Nationale Supérieure du Bois). Le préhenseur imaginé peut transporter des montants en bois à l’aide de pinces, mais aussi des panneaux d’isolants de type fibre de bois grâce à des préhenseurs à aiguilles. Enfin, des visseuses pneumatiques automatiques sont utilisées pour réaliser les assemblages. L’étude porte sur la conception mécanique du prototype ainsi que sur la programmation de l’assemblage d’une paroi de référence à l’aide du logiciel Lot1Engine. Une partie du projet s’intéresse également à l’exportation d’une paroi dessinée dans le logiciel Cadwork sous forme de fichier xml puis dans le logiciel Lot1Engine. Le but final du projet est de montrer la faisabilité de l’automatisation complète du montage d’une paroi constituée de couches de différents matériaux à l’aide d’un portique robotisé polyvalent tel que celui présent à l’ENSTIB.

In the past few years, much attention has been given to autonomous systems of micrometric size. The small size of these robots, or particles, makes it impossible to embed their energy sources. Wireless systems for actuating and control, in particular through magnetic effects, have been proposed. They usually operate in a liquid environment. This environment is favored due to the drag force which stabilizes a system and therefore makes it easier to control. However, this medium comes with a major limitation to the moving speed of these particles. In order to fully exploit the potential for high speed actuation inherent to the low inertia of these small-sized particles, this thesis proposes the design and control of a microrobotic system dedicated to high speed actuation.The design choices, such increasing the magnetic force, using ferromagnetic particles and choosing to work in an ambient environment increases the displacement speed. However, the dry environment leads to adhesion issues between the particle and the surface of the working substrate, and lack of knowledge-based model. Various solutions are proposed in this thesis to overcome or reduce adhesion forces in this environment, from the coupled actuation of the magnetic, to the mechanical structuring of the surface of the substrate. A closed-loop control has also been integrated to increase the accuracy of the positioning and orientation of the particles. An approach to the synthesis and implementation of a proportional regulation is proposed for the two control parameters. The chosen experimental approach makes it possible to quantify the issues related to the ambient environment and bring systematic solutions to them.This work is but a first step in the integration of microrobotic systems in ambient environments, but it offers a control methodology, which is adapted to its specificities., Ces dernières années une attention particulière a été portée sur les systèmes autonomes de taille micrométrique. La taille de ces robots, ou particules, rend impossible l’embarquement d’énergie. Des systèmes d’actionnement et de contrôle à distance, notamment par effets magnétiques, ont été proposés. Ils évoluent généralement dans le milieu liquide. Ce milieu est privilégié en raison de la force de trainée qui stabilise les systèmes et simplifie donc leur contrôle. En revanche, ce milieu induit une limitation majeure sur la vitesse de déplacement de ces particules. Pour exploiter pleinement le potentiel d’actionnement rapide lié à la faible inertie de ces particules de petite taille, cette thèse propose la conception et la commande d’un système microrobotique dédié à l’actionnement haute vitesse. Les choix de conception, notamment l’augmentation de la force magnétique, l’utilisation de particules ferromagnétiques et le choix d’un environnement de travail en milieu ambiant permettent d’atteindre de grandes vitesses de déplacements. Cependant, le milieu ambiant pose des problématiques d’adhésion entre la particule et le substrat de travail et d’absence de modèle de connaissance. Des solutions sont proposées pour vaincre ou réduire les forces d’adhésion dans ce milieu, allant de l’actionnement en couple de la particule magnétique à la structuration mécanique du substrat. Une est également implémentée pour augmenter la précision du positionnement et de l’orientation des particules. Une approche permettant de synthétiser et d’implémenter une loi de régulation proportionnelle des deux paramètres de contrôle est proposée. L’approche expérimentale adoptée permet de quantifier les problématiques rencontrées dans le milieu ambiant et de proposer des solutions systématiques. Ce travail n’est qu’un premier pas dans l’intégration des systèmes microrobotiques en milieu ambiant, mais il fournit des méthodologies de contrôle adaptées à ses spécificités.

Une modélisation de cotation fonctionnelle est proposée par l’utilisation du concept de groupe fonctionnel. Elle intègre les potentialités des interfaces présentes entre deux groupes de surfaces qui s’assemblent, en utilisant les propriétés des exigences de cotation. Son but est centré sur la description de l’état fonctionnel que doit satisfaire le mécanisme. Elle permet de récupérer des pièces rebutées aujourd’hui, alors qu’elles satisfont la fonction pour laquelle elles ont été conçues. La simulation informatique est utilisée pour valider ces nouvelles zones de tolérance. Une implémentation sur les modules de tolérancement des systèmes de CAO peut être envisagée.

Nowadays, the use of Additive Manufacturing processes keeps growing in the industry. Among the numerous kinds of AM processes, metallic additive manufacturing processes, and metallic Additive Layer Manufacturing in particular, are the most interesting from a mechanical designer point of view. Several research studies have been conducted on the topic of Design For Additive Manufacturing, mostly discussing the choice of AM processes or presenting the redesign of parts. There is no specific design methodology for ALM processes that takes their specificities into account.During this PhD thesis, the changes that ALM processes bring to the design space were investigated. The designer has the opportunity to easily manufacture thin parts, complex parts, lattice structures or mechanisms that don't need any assembly. These processes also have specific manufacturing constraints compared to conventional processes. The heat dissipation is the most important factor since it can cause distortions and porosities. Powder removal, surface and geometrical quality also need to be considered during design. A specific design for additive manufacturing methodology is necessary to take these changes into account.This work focuses on the Electron Beam Manufacturing process. Experiments were conducted and analyzed to assess the manufacturability regarding the thermal phenomena (during melting), the powder removal and the quality of the parts produced by EBM. The impact of the part geometry on manufacturing duration and manufacturing cost was also established.In order to use allow designers to use these pieces of information, we suggested a designing methodology. From the requirements of the parts, one or several parts are generated by the designer or by using topological optimization tools. The orientation of the part inside the manufacturing space is set before designing a refined parametric geometry. This parametric geometry is optimized in order to meet the user requirements as well as the EBM requirements. The last step is the modification of the geometry to comply with the finishing operations (machining allowances for example) and the placement of supports, if needed. This methodology was illustrated with the redesign of two example parts and showed important mass savings from the parts (while meeting user and process requirements).The prospects discovered and highlighted during this work, some of which were preliminary investigated, are presented in a specific chapter., Les procédés de fabrication additive sont aujourd'hui de plus en plus utilisés dans l'industrie. Parmi les différentes technologies existantes, les procédés additifs métalliques, et notamment les procédés en couches, sont les plus prometteurs pour la conception de produits mécaniques. Des travaux ont été menés sur la thématique de la conception de produits réalisés par ces moyens, il traitent principalement du choix du procédé le plus adapté, de l'optimisation de formes ou présentent des cas de reconception. Il n'existe cependant pas de démarche globale de conception de produits qui permettent de prendre en compte les spécificités des procédés additifs en couches, notamment leurs contraintes de fabrication.Lors de ce travail de thèse, les changements que ces procédés introduisent dans le domaine des possibles en conception de produits ont été montrés et illustrés par des pièces réalisées par EBM. De nouvelles opportunités s'offrent au concepteur, comme l'accès à l'ensemble du volume de fabrication, la facilité de réalisation de pièces complexes, la possibilité de réaliser des treillis tridimensionnels et la capacité de produire des mécanismes sans assemblage. Les contraintes de fabrication de ces procédés sont spécifiques. Les phénomènes thermiques lors de la fabrication ont une incidence sur la fabricabilité et la qualité des pièces. La phase de retrait de poudre impose quant à elle des contraintes d'accessibilités. Pour prendre en compte cette évolution, il est nécessaire de concevoir spécifiquement les pièces pour la fabrication additive.Le procédé EBM est au centre du travail réalisé. Il s'agit d'un moyen de fabrication additive en couches, par fusion, à l'aide faisceau d'électrons. Les phénomènes thermiques, qui peuvent causer déformations et mauvaise intégrité de la matière, l'opération de dépoudrage et la problématique de la qualité des pièces fabriquées par EBM ont fait l'objet de caractérisations expérimentales. La durée de fabrication et le coût de revient technique des pièces réalisées par EBM ont également été étudiés, afin d'établir la relation entre durée, coût et géométrie des pièces.Pour de prendre en compte les contraintes explicitées auparavant, et pour bénéficier des importantes libertés que ce procédé offre aux concepteurs, une démarche de conception a été proposée. Cette démarche consiste à générer une ou plusieurs géométries initiales, soit directement par le concepteur, soit par l'utilisation d'outils d'optimisation topologique, à partir de données extraites du cahier des charges. Une fois le balançage de la pièce choisi (en prenant en compte les contraintes de fabrication, le tolérancement de la pièce et la productivité de la fabrication), la pièce est modélisée en incluant un jeu de paramètres pour effectuer une optimisation paramétrique. Cette optimisation permet de dimensionner la pièce, tout en prenant en compte les contraintes de fabrication. A l'issue de cette phase d'optimisation, la géométrie finale est obtenue en prenant en compte les exigences des opérations de parachèvement éventuelles et en définissant les supports, s'ils sont nécessaires. Cette démarche a été illustrée par la reconception de deux pièces mécaniques qui répondent aux exigences de leur cahier des charges fonctionnel, sont fabricables à l'aide du procédé EBM et offrent des gains de masse importants.Enfin, un chapitre particulier est consacré aux perspectives mises en évidence (et ayant parfois fait l'objet de travaux préliminaires) à l'occasion de ce travail de thèse.

Product design aims to technically define a product satisfying the needs of all customers during the product life cycle. Industrial issues lead to develop models and tools supporting design to meet customer needs and contributing to costs-quality-and time optimisation. The objective of this thesis is to propose an overall vision making it possible to apprehend the various types of modeling. To achieve this goal, a comprehensive analysis of these concepts is necessary in order to obtain a common representation of the system for the various activities of design and simulation. The advantage of this approach is to highlight the dependencies and relationships among those activities. This approach should allow to apprehend the various levels of detail (systemic) during the functional and structural decomposition activity. It should also enable to monitor the development of the physical models for the simulation. We propose a traceability of the design process and of the modeling process allowing to review as appropriate the design choices and the modeling assumptions. This work is based on concepts of GeoSpelling as the "skin model", the operations and the properties. They are complemented by other concepts as the finite and infinite models and the primitive and simulation models., La conception de produits a pour objectif de définir techniquement un produit en satisfaisant les besoins de l'ensemble des clients du cycle de vie du produit. Les enjeux industriels conduisent à développer des modèles et des outils d'aide à la conception afin de répondre aux besoins clients tout en optimisant le triptyque coût-qualité délais. L'objectif de cette thèse est de proposer une vision globale permettant d'appréhender les différents types de modélisation. Pour atteindre cet objectif, une analyse globale de ces notions est nécessaire afin d'obtenir une représentation commune du système pour les différentes activités de conception et de simulation. L'intérêt de cette approche est de pouvoir mettre en évidence les dépendances et les relations entre ces activités. Cette approche doit permettre d'appréhender les différents niveaux de détails (systémique) lors de la décomposition fonctionnelle et structurelle du produit. Elle doit également permettre de suivre l'élaboration des modèles physiques pour la simulation. Nous proposons une traçabilité du processus de conception et du processus de modélisation permettant de remettre en cause, le cas échéant, les choix de conception et les hypothèses de modélisation. Ce travail est fondé sur des concepts de GeoSpelling comme le " skin modèle ", les opérations et les propriétés. Ils sont enrichis d'autres concepts comme les modèles finis et infinis et les modèles primitif et de simulation.

Product design aims to technically define a product satisfying the needs of all customers during the product life cycle. Industrial issues lead to develop models and tools supporting design to meet customer needs and contributing to costs-quality-and time optimisation. The objective of this thesis is to propose an overall vision making it possible to apprehend the various types of modeling. To achieve this goal, a comprehensive analysis of these concepts is necessary in order to obtain a common representation of the system for the various activities of design and simulation. The advantage of this approach is to highlight the dependencies and relationships among those activities. This approach should allow to apprehend the various levels of detail (systemic) during the functional and structural decomposition activity. It should also enable to monitor the development of the physical models for the simulation. We propose a traceability of the design process and of the modeling process allowing to review as appropriate the design choices and the modeling assumptions. This work is based on concepts of GeoSpelling as the "skin model", the operations and the properties. They are complemented by other concepts as the finite and infinite models and the primitive and simulation models.; La conception de produits a pour objectif de définir techniquement un produit en satisfaisant les besoins de l'ensemble des clients du cycle de vie du produit. Les enjeux industriels conduisent à développer des modèles et des outils d'aide à la conception afin de répondre aux besoins clients tout en optimisant le triptyque coût-qualité délais. L'objectif de cette thèse est de proposer une vision globale permettant d'appréhender les différents types de modélisation. Pour atteindre cet objectif, une analyse globale de ces notions est nécessaire afin d'obtenir une représentation commune du système pour les différentes activités de conception et de simulation. L'intérêt de cette approche est de pouvoir mettre en évidence les dépendances et les relations entre ces activités. Cette approche doit permettre d'appréhender les différents niveaux de détails (systémique) lors de la décomposition fonctionnelle et structurelle du produit. Elle doit également permettre de suivre l'élaboration des modèles physiques pour la simulation. Nous proposons une traçabilité du processus de conception et du processus de modélisation permettant de remettre en cause, le cas échéant, les choix de conception et les hypothèses de modélisation. Ce travail est fondé sur des concepts de GeoSpelling comme le " skin modèle ", les opérations et les propriétés. Ils sont enrichis d'autres concepts comme les modèles finis et infinis et les modèles primitif et de simulation.

The “Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM)” seeks to improve the measurement of primary pressure standards done using pressure balances, to an order of 10-6 relative uncertainty. Therefore, it is appropriate to back-up these pressure balances with a measurement of the topology of the piston-cylinder devices used on these balances. Cylindricity measurement is also found in many industrial applications such as the measurement of standards used for the calibration of measuring machines. This research project, conducted in collaboration with SAS GEOMNIA under a CIFRE agreement, has a main objet to develop a new ultra-high precision machine for cylinders form measurement. We pushes with this project the leading edge of the cylinders form measurement area; we propose indeed a technological leap which leads to reduce the uncertainty associated to cylindricity errors up to 10 nm in a cylindrical working volume of 350 mm diameter rand 150 mm height. Form measurement is usually done using a measurement probe moved about the surface to be measured with high precision guiding systems. Nonetheless, these guiding systems are not precise enough to offer the low uncertainty required even when error correction techniques are used. This is because the precision of the guides is limited by their low repeatability. To meet this uncertainty level, we propose an approach based on the “dissociated metrological structure” concept. The measurement consists of comparing the artifact's form with the form of a cylindrical reference which should have perfect form stability. However, the mapping form deviation of this cylindrical reference needs to be identified at the same level of uncertainty referred.The present work exposes a detailed analysis of the existing measuring machines and their limitations. Consequently, an optimized machine architecture is proposed in order to overcome the present limitations. The proposed machine architecture takes into account the "secondary" error terms relative to the probes positions and second order effects in order to satisfy the level of accuracy sought. A complete calibration procedure of the machine has been elaborated based on the error separation methods; it allows the separation of the form errors of each of the reference cylinder and a qualification cylindrical part simultaneously measured. This procedure does not present any accuracy limitations and has been experimentally verified. An analysis of the effects related to the measurement of cylindrical artifacts using capacitive sensors has also been investigated. These experiments have led to the development of in-situ calibration strategies using laser interferometers integrated in the machine. Thus, the metrological traceability of the measurements is guaranteed. Two test benches have been developed to characterize the error sources that influence the measurement and to validate the calibration procedures of the probes used. The detailed design of the instrument synthesizes all the conceptual thoughts about the architecture, the calibration and the displacement measurement of the capacitive probes. This work has resulted in the development of this new reference instrument; its design, installation and adjustment are detailed.; Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts « secondaires » liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés.

The “Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM)” seeks to improve the measurement of primary pressure standards done using pressure balances, to an order of 10-6 relative uncertainty. Therefore, it is appropriate to back-up these pressure balances with a measurement of the topology of the piston-cylinder devices used on these balances. Cylindricity measurement is also found in many industrial applications such as the measurement of standards used for the calibration of measuring machines. This research project, conducted in collaboration with SAS GEOMNIA under a CIFRE agreement, has a main objet to develop a new ultra-high precision machine for cylinders form measurement. We pushes with this project the leading edge of the cylinders form measurement area; we propose indeed a technological leap which leads to reduce the uncertainty associated to cylindricity errors up to 10 nm in a cylindrical working volume of 350 mm diameter rand 150 mm height. Form measurement is usually done using a measurement probe moved about the surface to be measured with high precision guiding systems. Nonetheless, these guiding systems are not precise enough to offer the low uncertainty required even when error correction techniques are used. This is because the precision of the guides is limited by their low repeatability. To meet this uncertainty level, we propose an approach based on the “dissociated metrological structure” concept. The measurement consists of comparing the artifact's form with the form of a cylindrical reference which should have perfect form stability. However, the mapping form deviation of this cylindrical reference needs to be identified at the same level of uncertainty referred.The present work exposes a detailed analysis of the existing measuring machines and their limitations. Consequently, an optimized machine architecture is proposed in order to overcome the present limitations. The proposed machine architecture takes into account the "secondary" error terms relative to the probes positions and second order effects in order to satisfy the level of accuracy sought. A complete calibration procedure of the machine has been elaborated based on the error separation methods; it allows the separation of the form errors of each of the reference cylinder and a qualification cylindrical part simultaneously measured. This procedure does not present any accuracy limitations and has been experimentally verified. An analysis of the effects related to the measurement of cylindrical artifacts using capacitive sensors has also been investigated. These experiments have led to the development of in-situ calibration strategies using laser interferometers integrated in the machine. Thus, the metrological traceability of the measurements is guaranteed. Two test benches have been developed to characterize the error sources that influence the measurement and to validate the calibration procedures of the probes used. The detailed design of the instrument synthesizes all the conceptual thoughts about the architecture, the calibration and the displacement measurement of the capacitive probes. This work has resulted in the development of this new reference instrument; its design, installation and adjustment are detailed., Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts « secondaires » liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés.

In a traditional process of design of mechanical products, the traditional organization is the product design and the sizing and finally optimization. The designers take risks in failing to assess product performance in the final stages of the process, and the optimization step is often ignored because of time or due to delays on other phases. The preliminary design is a delicate step because decisions must be taken in a little vague or defined. There are no adequate data tools and the study of several concepts multiply routine tasks and wasted time associated. The designer is therefore taking risks by reducing the number of concepts developed. The design of products also includes a number of difficulties, such as positioning late in the process, resulting in steps of pre and post processing of heavy and long simulations. An analysis of decision support is promising but remains marginal due to lack of simplified models available in the early phases of the design process.This thesis describes the synthesis of our research on design optimization of mechanical systems. The proposed study is part of a highly productive process engineering of mechanical systems and multi-faceted: parametric functional design, application engineering knowledge base, simulation tools and optimization. We propose a methodology to introduce at the earliest in the design process, an optimization step coupled with simulations of decision support, to identify optimal architectures novel, the three best compromise vis- -vis multiple objectives related to the mechanical behavior. The objective of the research is to develop models, methods and tools dedicated to the semi-automatic generation of multi-dimensional geometric models identified as most effective solutions in a collaborative design of mechanical products. Our methodology is then tested on several projects of design of mechanical systems within the mechanical structures in static and dynamic analysis. This is especially the design of the vehicle components of the UTBM MLS participant trophy., Dans un processus traditionnel de conception de produits mécaniques, l’organisation classique est la conception du produit puis son dimensionnement et enfin son optimisation. Les concepteurs prennent des risques en n’évaluant les performances du produit que dans les dernières phases du processus, et l’étape d’optimisation est bien souvent mise de côté, faute de temps ou à cause du retard pris sur les autres phases. La phase de conception préliminaire est une étape délicate car les décisions doivent y être prises dans un contexte imprécis ou peu de choses sont définies. Il n’existe pas d’outils informatiques adaptés et l’étude de plusieurs concepts multiplie les tâches routinières et les pertes de temps associées. Le concepteur prend donc des risques en réduisant le nombre de concepts développés. Le dimensionnement de produits comporte également un certain nombre de difficultés, comme un positionnement tardif dans le processus, entraînant des étapes de pré et post traitement lourdes ainsi que des simulations longues. L’analyse d’aide à la décision est prometteuse mais elle reste marginale, faute de modèles simplifiés disponibles dans les phases amont du processus de conception.Cette thèse expose la synthèse de nos travaux de recherche portant sur l’optimisation en conception de systèmes mécaniques. L’étude proposée s’intègre dans une démarche d’ingénierie hautement productive de systèmes mécaniques et comporte plusieurs facettes : conception fonctionnelle paramétrique, application d’ingénierie à base de connaissances, outils de simulation numérique et d’optimisation. Nous proposons une méthodologie permettant d’introduire au plus tôt dans le processus de conception, une étape d’optimisation couplée à des simulations d’aide à la décision, en vue d’identifier des architectures optimales inédites, présentant les meilleurs compromis vis-à-vis d’objectifs multiples relatifs au comportement mécanique. L’objectif du travail de recherche est de développer des modèles, des méthodes et des outils dédiés à la génération semi-automatique de modèles géométriques tridimensionnels multiples identifiés comme solutions les plus performantes dans un cadre de conception collaborative de produits mécaniques. Notre méthodologie est ensuite expérimentée sur plusieurs projets de conception de systèmes mécaniques relevant de la mécanique des structures, en analyses statique et dynamique. Il s’agit en particulier de la conception d’organes du véhicule de l’UTBM participant au trophée SIA.

The current industrial situation, highly competitive, requires companies to innovate in order to sustain their business. This innovation can be achieved through the development of products incorporating new disciplines such as ergonomics and industrial design, as part of a multidisciplinaire.Cependant design trades associated with these new disciplines are regularly faced with complex cooperation with other part of the business of mechanical design. In this context, the research problem addressed concerns the definition and development of an interdisciplinary methodological approach in the design process of products. Are studied in particular the links between trades that are ergonomics, industrial design and design mécanique.Une global multidisciplinary design methodology, including the specifics of each business and their interactions is proposed. It is tested in the context of experiments conducted on design projects of urban furniture. Further formalizations used by each business study, as well as interactions observed during projects have highlighted issues stages convergence.Sur this, new tools to help convergence based in particular on Virtual Reality technology (VR) are provided for a better management of these phases involve different professions. Two experiments, conducted on a project to design a city car and a job, helped set concrete situation developed tools and demonstrate their relevance in the process of multidisciplinary convergence. However, the results also showed the need to structure the phases of convergence in the framework of a methodology spécifique.Une formalized multidisciplinary methodology convergence is finally proposed. It results in a generic convergence procedure, adapted to the disciplines ergonomics, industrial design and mechanical design. It can work in the different phases of the process, the various trades involved and the different design contexts. We introduce a mapping aids to convergence, classified according to an appropriate type. Thus, our contribution allows design teams have appropriate new solutions in order to promote the phases of multidisciplinary convergence., La situation industrielle actuelle, hautement concurrentielle, impose aux entreprises d’innover afin de pérenniser leur activité. Cette innovation peut se faire par le développement de produits intégrant de nouvelles disciplines, telles que l’ergonomie ou le design industriel, dans le cadre d’une conception multidisciplinaire.Cependant, les métiers associés à ces nouvelles disciplines sont régulièrement confrontés à des coopérations complexes avec d’autres faisant partie des métiers de la conception mécanique. Dans ce contexte, la problématique de recherche traitée concerne la définition et le développement d’une approche méthodologique multidisciplinaire du processus de conception de produits. Sont étudiées en particulier les articulations entre les métiers que sont l’ergonomie, le design industriel et la conception mécanique.Une méthodologie globale de conception multidisciplinaire, intégrant les spécificités de chacun des métiers ainsi que leurs interactions, est proposée. Elle est mise à l’épreuve dans le cadre d’expérimentations conduites sur des projets de conception de mobilier urbain. Une étude plus poussée des formalisations utilisées par chaque métier, ainsi que des interactions observées durant les projets, ont mis en évidence des problèmes liés aux phases de convergence.Sur ce constat, de nouveaux outils d’aide à la convergence basés en particulier sur les technologies de Réalité Virtuelle (RV) sont proposés pour une meilleure gestion de ces phases qui mettent en jeu des métiers différents. Deux expérimentations, conduites sur un projet de conception d’un véhicule urbain, et sur un poste de travail, ont permis de mettre en situation concrète les outils développés et de démontrer leur pertinence en phase de convergence multidisciplinaire. Cependant, les résultats ont aussi montré la nécessité de structurer les phases de convergences dans le cadre d’une méthodologie spécifique.Une formalisation de méthodologie de convergence multidisciplinaire est finalement proposée. Elle se traduit par une procédure générique de convergence, adaptée aux disciplines d’ergonomie, design industriel et conception mécanique. Elle permet de travailler selon les différentes phases du processus, les différents métiers concernés et les différents contextes de conception. Nous introduisons enfin une cartographie des outils d’aide à la convergence, classée selon une typologie adaptée. Ainsi, notre contribution permet aux équipes de conception de disposer de nouvelles solutions appropriées dans le but de favoriser les phases de convergences multidisciplinaires.

Miniaturisation will be the key challenge for the next decade in numerous industrial fields, such as microelectronics, optics and biomedical engineering. Although most of their products already achieve footprints of some square millimeters, the trend towards the integration of a maximum number of elements in a minimal volume requires even more compact components. This tendency creates a growing need for industrial robots able to perform micromanipulation and microassembly tasks with a submicrometric precision. Nonetheless, the design of such machines is nowadays costly, both in time and money, mostly because of the twofold complexity of their development: first, from a kinematic standpoint, the use of a parallel structure consists in a particularly interesting approach to build ultra-high precision robots. However, the synthesis of such a kinematics proves especially challenging for machines presenting more than 3 degrees of freedom. Moreover, the resulting robots are scarcely flexible: if the industrial specifications are modified, which for example necessitates to add a degree of freedom or to change the position of a rotation centre, the design process has to be restarted, often from the very beginning. The second challenge consists in the mechanical design of flexure-based mechanisms: flexure hinges are joints which are based on the elasticity of the matter. They allow to perform motions which are without friction, backlash and wear; their use is thus mandatory to achieve the aimed submicrometric precision. Albeit the synthesis of planar and low-degree of freedom structures is now widely investigated, the development of a whole tridimensional flexure-based robot is still infrequent, especially in the industrial context. This thesis thus introduces a modular design methodology which significantly reduces the time-to-market of ultra-high precision robots. This procedure can be compared to a robotic Lego, where a finite number of conceptual building bricks allows to easily design and modify parallel robots. Furthermore, this work shows that the machines resulting from this approach present similar or even improved performances compared to robots developed more traditionally. The key aspect of this thesis consists in the concept of modular kinematics, which aims at facilitating the synthesis of parallel kinematics thanks to solution catalogues. At this step of the methodology, the conceptual building bricks and the kinematics are totally independent from any mechanical design: they can thus be used to synthesise a large variety of robots, from machine-tools to microscale robots. An exhaustive conceptual solution catalogue groups all kinematics generated by the combination of the building bricks. Then, a reduced solution catalogue for ultra-high precision is proposed: based on selection criteria linked with the design and machining of flexure-based mechanisms, it allows to reduce the total number of solutions and thus facilitates the practical use of the concept. The second part of this work details the mechanical design of the building bricks, whose main challenge consists in increasing the ratio between the working ranges of the mechanisms and their overall size. One or more flexure-based solutions have been developed for each motorised brick: a special emphasis is given to the original use of a Remote Centre of Motion, which allows to achieve high rotation angles while drastically reducing parasitic translations. The development of a standardised actuation sub-brick, common to all motorised bricks, introduces a new level of modularity, thus increasing even more the flexibility of the methodology. As for non-actuated bricks, original designs and uncommon uses of well-known mechanisms are proposed. A case study on a 5-degree of freedom robot, Legolas 5, finally illustrates the practical use of the methodology: first, the selection in the solution catalogue of a kinematics adapted to the specifications of the robot is detailed. Then, the development of the Legolas 5 prototype highlights the mechanical design of the necessary building bricks, as well as assembly subtleties, such as force alignment and gravity compensation, which allow to shrewdly design a high-performance robot. The measurements of this machine have shown motion resolution and repeatability of 50 nm in translation and 1.9 µrad in rotation (limited by the sensor resolution). This case study has generated the Legolas family, a new family of ultra-high precision parallel robots, which notably includes the orthogonal version of the Delta kinematics: using only 6 of the conceptual building bricks, one solution can be built for each of the 19 possible robot mobilities. The promising characterisation of the Legolas 5 tends to suggest that the robots from this family will be interesting candidates to fulfill the upcoming need for quickly designed and high-performance industrial ultra-high precision machines.

In a traditional process of design of mechanical products, the traditional organization is the product design and the sizing and finally optimization. The designers take risks in failing to assess product performance in the final stages of the process, and the optimization step is often ignored because of time or due to delays on other phases. The preliminary design is a delicate step because decisions must be taken in a little vague or defined. There are no adequate data tools and the study of several concepts multiply routine tasks and wasted time associated. The designer is therefore taking risks by reducing the number of concepts developed. The design of products also includes a number of difficulties, such as positioning late in the process, resulting in steps of pre and post processing of heavy and long simulations. An analysis of decision support is promising but remains marginal due to lack of simplified models available in the early phases of the design process.This thesis describes the synthesis of our research on design optimization of mechanical systems. The proposed study is part of a highly productive process engineering of mechanical systems and multi-faceted: parametric functional design, application engineering knowledge base, simulation tools and optimization. We propose a methodology to introduce at the earliest in the design process, an optimization step coupled with simulations of decision support, to identify optimal architectures novel, the three best compromise vis- -vis multiple objectives related to the mechanical behavior. The objective of the research is to develop models, methods and tools dedicated to the semi-automatic generation of multi-dimensional geometric models identified as most effective solutions in a collaborative design of mechanical products. Our methodology is then tested on several projects of design of mechanical systems within the mechanical structures in static and dynamic analysis. This is especially the design of the vehicle components of the UTBM MLS participant trophy., Dans un processus traditionnel de conception de produits mécaniques, l’organisation classique est la conception du produit puis son dimensionnement et enfin son optimisation. Les concepteurs prennent des risques en n’évaluant les performances du produit que dans les dernières phases du processus, et l’étape d’optimisation est bien souvent mise de côté, faute de temps ou à cause du retard pris sur les autres phases. La phase de conception préliminaire est une étape délicate car les décisions doivent y être prises dans un contexte imprécis ou peu de choses sont définies. Il n’existe pas d’outils informatiques adaptés et l’étude de plusieurs concepts multiplie les tâches routinières et les pertes de temps associées. Le concepteur prend donc des risques en réduisant le nombre de concepts développés. Le dimensionnement de produits comporte également un certain nombre de difficultés, comme un positionnement tardif dans le processus, entraînant des étapes de pré et post traitement lourdes ainsi que des simulations longues. L’analyse d’aide à la décision est prometteuse mais elle reste marginale, faute de modèles simplifiés disponibles dans les phases amont du processus de conception.Cette thèse expose la synthèse de nos travaux de recherche portant sur l’optimisation en conception de systèmes mécaniques. L’étude proposée s’intègre dans une démarche d’ingénierie hautement productive de systèmes mécaniques et comporte plusieurs facettes : conception fonctionnelle paramétrique, application d’ingénierie à base de connaissances, outils de simulation numérique et d’optimisation. Nous proposons une méthodologie permettant d’introduire au plus tôt dans le processus de conception, une étape d’optimisation couplée à des simulations d’aide à la décision, en vue d’identifier des architectures optimales inédites, présentant les meilleurs compromis vis-à-vis d’objectifs multiples relatifs au comportement mécanique. L’objectif du travail de recherche est de développer des modèles, des méthodes et des outils dédiés à la génération semi-automatique de modèles géométriques tridimensionnels multiples identifiés comme solutions les plus performantes dans un cadre de conception collaborative de produits mécaniques. Notre méthodologie est ensuite expérimentée sur plusieurs projets de conception de systèmes mécaniques relevant de la mécanique des structures, en analyses statique et dynamique. Il s’agit en particulier de la conception d’organes du véhicule de l’UTBM participant au trophée SIA.

In the automotive field, semi-active suspensions based on magnetorheological (MR) fluid put forward a very interesting compromise between high performance and low power consumption. These devices have adjustable properties and damping parameter that can be controlled thereby optimize in real time their behavior over a wide frequency range of excitations. Under an external magnetic field, the MR fluids see their viscosity increases, with a response time lower than few milliseconds. In this dissertation, we present the design of a MR damper and an experimental test bench for a scaled-down semi-active suspension. The static and dynamic characterization of the damper is shown. Experimental evaluation of the damping force according to dynamic and electrical variables is presented and compared with the specifications used to assess the design method proposed. A Bingham model is proposed for the static behaviour of the damper whereas the dynamic behaviour is explained by a Bouc-Wen model. The last part of this study concerns the development and validation of several control and strategy laws for semi-active suspensions, in particular innovative laws based on model inversion EMR. A comparison performances study from comfort and power consumption point of view of each law is presented. Compared to existing control laws, these new control laws shown very interesting performances while reducing power consumption.; En automobile, les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques (MR) proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et une Consommation électrique faible. Par le contrôle et l'ajustement de leurs paramètres d'amortissement, elles permettent de réaliser une optimisation en temps réel du comportement sur une large bande de fréquences de sollicitations. Cette technologie utilise les fluides MR dont la viscosité augmente sous l'action d'un champ magnétique, en quelques ms. Ce mémoire présente la conception et le dimensionnement d'un amortisseur MR ainsi que le banc de test associé. La caractérisation dynamique et statique de l'amortisseur a été effectuée. L'évaluation expérimentale de la force d'amortissement en fonction des grandeurs dynamiques et électriques a été mesurée et comparée au modèle théorique utilisé dans la phase de conception. Le comportement en régime statique de l'amortisseur a été modélisé par un modèle de Bingham et le comportement dynamique par un modèle de Bouc-Wen. La dernière partie de l'étude concerne la mise en place et la validation de plusieurs lois de contrôle pour les suspensions semi-actives, notamment de nouvelles lois basées sur l'inversion du modèle REM. Une comparaison des performances en termes de confort et de consommation électrique de chaque loi est présentée. Ces nouvelles lois de contrôle ont montré de très bonnes performances tout en réduisant la consommation électrique par rapport aux autres lois déjà existantes.

In the automotive field, semi-active suspensions based on magnetorheological (MR) fluid put forward a very interesting compromise between high performance and low power consumption. These devices have adjustable properties and damping parameter that can be controlled thereby optimize in real time their behavior over a wide frequency range of excitations. Under an external magnetic field, the MR fluids see their viscosity increases, with a response time lower than few milliseconds. In this dissertation, we present the design of a MR damper and an experimental test bench for a scaled-down semi-active suspension. The static and dynamic characterization of the damper is shown. Experimental evaluation of the damping force according to dynamic and electrical variables is presented and compared with the specifications used to assess the design method proposed. A Bingham model is proposed for the static behaviour of the damper whereas the dynamic behaviour is explained by a Bouc-Wen model. The last part of this study concerns the development and validation of several control and strategy laws for semi-active suspensions, in particular innovative laws based on model inversion EMR. A comparison performances study from comfort and power consumption point of view of each law is presented. Compared to existing control laws, these new control laws shown very interesting performances while reducing power consumption.; En automobile, les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques (MR) proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et une Consommation électrique faible. Par le contrôle et l'ajustement de leurs paramètres d'amortissement, elles permettent de réaliser une optimisation en temps réel du comportement sur une large bande de fréquences de sollicitations. Cette technologie utilise les fluides MR dont la viscosité augmente sous l'action d'un champ magnétique, en quelques ms. Ce mémoire présente la conception et le dimensionnement d'un amortisseur MR ainsi que le banc de test associé. La caractérisation dynamique et statique de l'amortisseur a été effectuée. L'évaluation expérimentale de la force d'amortissement en fonction des grandeurs dynamiques et électriques a été mesurée et comparée au modèle théorique utilisé dans la phase de conception. Le comportement en régime statique de l'amortisseur a été modélisé par un modèle de Bingham et le comportement dynamique par un modèle de Bouc-Wen. La dernière partie de l'étude concerne la mise en place et la validation de plusieurs lois de contrôle pour les suspensions semi-actives, notamment de nouvelles lois basées sur l'inversion du modèle REM. Une comparaison des performances en termes de confort et de consommation électrique de chaque loi est présentée. Ces nouvelles lois de contrôle ont montré de très bonnes performances tout en réduisant la consommation électrique par rapport aux autres lois déjà existantes.

Polyhedral models which are very often used in mechanical design, constitute a privileged representation among the digital mock-ups of products. On the one hand, the approaches and methods of manipulation and exploitation of these models are usually led by one geometric criterion linked to the objects' shape (normal, curvature ...) but only a few of them pay attention to perceptual information. On the other hand, the existing image processing techniques extract data (contours, geometric features, textures...) related to the objects' shapes description they represent. Thus, the goal of this Ph.D. is to perform a coupling between polyhedral 3D models and 2D digitalized image(s) in order to handle these models with image-based criteria. One simplification and two deformation methods are presented. In the first one, the simplification is based on a vertex removal iterative process led by a tolerance criterion: it is linked to images contours filtering which are projected onto the 3D model to identify areas which are more or less close to those character lines. The polyhedrons deformation methods are applied to the hole-filling case. A triangulation is inserted and deformed by an optimization problem under constraints resolution. The function to minimize simulates the curvature variation between the inserted patch and the initial model. The solution is obtained by an iterative algorithm based on a mechanical model of bars network. The constraints come either from the respect of 3D character lines obtained by stereoscopic triangulation or directly from the intensity of the pixels to constrain the vertices displacement to a certain elevation (inverse Shape From Shading problem). The three developed methods are completely modular., Les modèles polyédriques, très utilisés dans les processus d'ingénierie, constituent une représentation privilégiée au sein des maquettes numériques de produits. Les approches et méthodes de manipulation et d'exploitation de ces modèles, sont le plus souvent pilotées par un critère géométrique lié à la forme des objets (normale, courbure ...) mais très peu prennent en compte des informations de type perceptuelles. Parallèlement, les techniques de traitement d'images existantes extraient des données (contours, primitives géométriques, textures ...) relatives à la description des formes des objets qu'elles représentent. Ainsi, le but de cette thèse est de réaliser un couplage modèle polyédrique 3D / images numériques 2D pour manipuler les modèles 3D avec des critères extraits d'image(s). Une méthode de simplification et deux méthodes de déformation de polyèdres sont présentées. Dans la première méthode, la simplification est basée sur un processus itératif de suppression de sommets piloté par un critère de tolérance de simplification. Cette tolérance est liée au filtrage de contours d'image(s) qui sont projetés sur le modèle 3D afin d'identifier les zones plus ou moins proches de ces lignes de caractère. Les méthodes de déformation de polyèdres sont appliquées au cas du remplissage de trous. Une triangulation est insérée au modèle puis déformée par la résolution d'un problème d'optimisation numérique sous contraintes. La fonctionnelle à minimiser simule la variation de courbure entre le maillage inséré et le modèle initial. La solution est obtenue par un algorithme itératif basé sur un modèle mécanique de réseau de barres. Les contraintes imposent le respect de lignes de caractère 3D obtenues par triangulation stéréoscopique dans la première méthode, ou bien calculées en fonction de l'intensité lumineuse des pixels et qui imposent le déplacement des sommets correspondants suivant une certaine élévation (problème inverse du Shape From Shading). Les trois méthodes implémentées sont complètement modulaires.

This thesis deals with the kinematic and dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel robots. These robots with less than six degrees of freedom are able to carry out several industrial tasks. The main reason of using such robots is to reduce the production costs by using less legs and motors. However, in some cases, these structures can produce a complex motion defined as a simultaneous combination of translation and rotation of the moving platform, which is the case of the Verne parallel module having three translation degrees of freedom. The modelling of this type of robots can prove to be complicated. This report includes five chapters. In the first chapter, a classification of parallel architectures is presented and a state of the art on important notions on kinematics and design of manipulators is exposed. The second and the third chapters are devoted to the kinematic modelling, serial singularity analysis and workspace calculation of the Verne machine. The fourth chapter deals with parallel singularity analysis of limited degrees of freedom robots using Grassmann-Cayley algebra. The geometrical conditions of existence of parallel singularities of three classes of parallel manipulators are found. Finally, the fifth chapter covers the dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel manipulators. A general method based on the Newton-Euler algorithm is developed. The proposed method takes in consideration all the dynamics of these robots including the legs dynamics as well as the mobile platform dynamics.; Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude cinématique et dynamique des robots parallèles à mobilités restreintes. Ces robots à moins de 6 degrés de liberté permettent d’effectuer de multiples tâches demandées par l’industrie. La raison principale de l’utilisation de ces robots est la volonté de réduire le coût en utilisant moins de jambes et moins de moteurs. Cependant, ces structures peuvent dans certains cas produire un mouvement de la plate-forme contraint par un couplage entre la position et l’orientation comme pour le module parallèle de la machine Verne ayant trois degrés de liberté de translation. Dans ce cas, la modélisation peut s’avérer compliquée. Ce mémoire comporte cinq chapitres. Dans le premier chapitre, une classification des architectures parallèles est présentée et des notions importantes liées à la cinématique et à la conception des manipulateurs sont exposées. Les deuxième et troisième chapitres sont consacrés à la modélisation géométrique, à l’étude des singularités sérielles et au calcul de l’espace de travail de la machine Verne. Le quatrième chapitre traite les singularités parallèles des manipulateurs à mobilités restreintes en utilisant l’algèbre de Grassmann-Cayley. Les conditions géométriques d’existence des singularités pour trois classes de manipulateurs sont trouvées. Les chaînes de ces manipulateurs transmettent des forces et/ou couples à la plate-forme mobile. Finalement, le cinquième chapitre concerne la modélisation dynamique des manipulateurs à mobilités restreintes. Une méthode générale basée sur les algorithmes de type Newton-Euler est développée. La méthode proposée prend en compte la dynamique des jambes et de la plate-forme. Nous obtenons ainsi des modèles dynamiques complets de ces robots.

To contribute to a possible redefinition of the Système international d'unités, french national metrology institutes are developping a watt balance experiment.This experiment, whose principle has been proposed in 1976 by B. Kibble (NPL), allows to link a standard mass m (calibrated against the international prototype of the kilogram) to the Planck constant h. To redefine the unit of mass by fixing the value of this constant, measurement of the h/m ratio must be performed with a relative uncertainty of 10−8.Realization of the experiment requires to build mechanical systems, a magnetic circuit and a translation stage in particular. For our experiment, we have chosen to design (i) a magnetic circuit with permanent magnets producing an axisymetric flux density field of about one tesla whose relative variations must be smaller than 10−4 in the air gap, and (ii) a flexure stage constraining a coil to travel inside the air gap of the circuit along a 80mm rectilinear and vertical translation.We study the effects, on the result of the experiment, of the deviations of the magnetic circuit and the translation stage from their nominal definitions. Considering compromises inherent in any realization, we deduce from this study acceptable differences and we present the design, realization, and characterization of these two mechanical systems., En vue de contribuer à une possible redéfinition du Système international d'unités, les laboratoires nationaux de métrologie français développent une expérience de balance du watt.Cette expérience, dont le principe a été proposé en 1976 par B. Kibble (NPL), permet de relier la masse m d'un étalon (raccordé au prototype international du kilogramme) à la constante de Planck h. Pour permettre, à terme, de redéfinir l'unité de masse en fixant la valeur de cette constante, la mesure du rapport h/m doit être réalisée avec une incertitude relative de l'ordre de 10−8. La mise en œuvre de l'expérience exige de construire des systèmes mécaniques, un circuit magnétique et un système de translation notamment. Pour notre expérience, nous avons choisi de concevoir (i) un circuit magnétique à aimants permanents délivrant un champ d'induction axisymétrique, d'intensité égale à un tesla environ, et dont l'amplitude des variations doit être limitée à 10−4 en valeur relative dans la partie utile de l'entrefer, et (ii) un système de translation à liaisons flexibles contraignant une bobine à se déplacer dans l'entrefer du circuit selon une translation rectiligne et verticale de 80mm de long.Nous étudions les effets, sur le résultat de l'expérience, des écarts de réalisation du circuit magnétique et du système de translation par rapport à leur définition nominale. Nous en déduisons des écarts admissibles tenant compte des compromis incontournables dans toute réalisation et nous présentons la conception, la réalisation et la caractérisation des deux systèmes mis en œuvre.

L'expérimentation, outil de validation ou de confrontation de l'hypothèse à la réalité, nécessite des moyens spécifiques: les MOYENS D'EXPERIMENTATIONS (ME). Leur développement fait partie des programmes de recherche et d'innovation. Leur optimisation, en terme de coût, qualité et délai, est également un vecteur de compétitivité. Dans le cadre de cette thèse, notre étude se limite au développement des Moyens d'Expérimentations nouveaux et Spécifiques (MES) dans les domaines de recherche émergents et de l'innovation technologique. Après une enquête réalisée auprès de 21 laboratoires de recherche et de R&D en France plus une analyse d'environ trente projets de développement des MES réalisés de 1997 à 2002, nous constatons que: Le manque d'outils méthodologiques adaptés au contexte de développement et aux caractères spécifiques des MES ne permet pas d'affronter les difficultés de conception, source d'une qualité insuffisante. Les MES développés ne sont pas optimaux en terme de coût, de performance et de délai. Des recherches bibliographiques sur les méthodes et outils de conception de produits suivis d'une analyse de leur pertinence dans le contexte du développement des MES nous a permis de valider cette problématique. Notre ambition est d'optimiser le développement des Moyens d'Expérimentations avec l'objectif d'améliorer et de fiabiliser les MES et de rendre leur développement plus rationnel. Nous proposons une démarche de conception adaptée aux moyens d'expérimentations spécifiques. Cette démarche permet de mieux prendre en compte les particularités des MES et leur niveau de complexité, de faciliter les échanges entre le chercheur et le concepteur, et ainsi de concevoir un MES "bon du premier coup". La démarche est construite en intégrant deux nouveaux outils méthodologiques. Ils s'intitulent: "l'ANalyse de l'EXpérimentation Orientée Fonctionnelle" (ANEXOF) et "l'Analyse de la Cohérence en CoûtPerformance" (ACCP). L'ANEXOF exploite le besoin du chercheur et définit le cahier des charges fonctionnel. Elle est basée sur l'analyse fonctionnelle, associée à la démarche expérimentale, elle fait le lien entre les connaissances scientifiques du chercheur, les connaissances en conception et les savoir-faire technologiques du concepteur. L'ACCP intervient à partir de la phase de conception préliminaire dont le but est l'optimisation de la solution choisie. En réduisant au strict nécessaire les performances globales et en équilibrant leurs performances locales de façon cohérente avec leurs coûts, on obtiendra la répartition optimale de l'investissement dans sa structure, par conséquent, le coût global du produit est optimal.; pas de résumé.

Il est important, pour la développement rapide et à moindre coût d'un produit, de considérer différentes contraintes liées à la conception, l'assemblage/ désassemblage (A/D), l'usinage, l'ergonomie, etc. L'utilisation des outils comme les systèmes de réalité virtuelle (RV) donne une nouvelle dimension en terme de développement efficace du produit. Cette thèse propose d'appliquer les technologies de RV à l'étude/ optimisation des systèmes mécaniques complexes et, en particulier, à la simulation d'A/D de composants flexibles. Afin de tenir compte d'un comportement complexe de ces pièces, une telle simulation est basée sur leur modélisation mécanique. Le modèle non-linéaire de poutres flexibles est utilisé, adapté à des spécificités de la RV, étudié et intégré dans un démonstrateur de simulation. Une telle modélisation permet de générer des informations réalistes (efforts, déformations, trajectoires d'A/D,...) et de les utiliser dans l'étude/ évaluation adéquate et rapide des opérations d'A/D en se basant sur la méthodologie proposée. Cette méthodologie tient compte des spécificités dues à la simulation mécanique temps réel, à la caractérisation des propriétés du matériau, aux interfaces de RV, aux problèmes des modèles CAO. Ainsi, les problèmes de stabilité numérique et de recherche rapide de solutions adéquates, la validation expérimentale, les contraintes d'interfaçage en RV, la caractérisation d'A/D à travers des expérimentations physiques et numériques, etc. sont considérés dans ce mémoire. De nombreux tests et exemples montrent l'intérêt de la démarche proposée vis-à-vis des besoins industriels.

Faced with the problem of design in the pump industry, the main difficulty of manufacturers is to have fast, reliable and accurate methods. This research work involving, both theory and experiments deals, with this topic. We have developed a complete procedure for design, performance analysis and optimization of centrifugal and mixed incompressible flow turbomachinery. First of all, the definition of the pump geometry as well as the analysis of its global performance are carried out starting from the mean streamline method (1D), based on both ideal models and experimental correlations. A second stage of optimization is achieved from a quasi 3D method, by studying the meridional flow and blade to blade flow, using REMIX software developed by LEMFI. Finally, a three-dimensional flow study is performed by CFD tools from AEA-Technology group (CFX). The three-dimensional study provides the means to complete and validate the established procedure. To illustrate this procedure, a centrifugal machine with a volute was studied used. First, the analysis of the existing impeller was carried out to develop the various steps of the procedure. Then, the whole impeller-volute pump, was studied and compared with the previous trial runs. Special attention was paid to unsteady effects, resulting from impeller volute interaction. The results obtained are satisfactory. Finally, the integral method was applied to optimize a mixed flow pump equipped with a deswirl. As it is a badly dimensioned pump, it is a good example of what this method can do., Confrontés au problème de tracé (design) des machines, le souci des constructeurs est de disposer de méthodes rapides, fiables et suffisamment précises. Le présent travail de recherche à caractère théorique et expérimental, sinscrit dans cette direction. Ainsi, nous avons mis au point une démarche complète de dimensionnement et doptimisation dans la conception et lanalyse des performances des turbomachines centrifuges et hélico-centrifuge à fluide incompressible. Partant dun cahier de charges, la définition géométrique de la roue ainsi que lanalyse de ses performances globales sont réalisées à partir dune méthode dite ligne moyenne (1D) basée sur des modèles théoriques et des corrélations expérimentales. Une deuxième étape, basée sur létude des écoulements méridien et aube à aube (méthode dite quasi-3D), est réalisée à laide du logiciel REMIX développé au LEMFI. Ce code permet la résolution des équations dynamiques moyennées régissant lécoulement interne stationnaire et non visqueux dans le repère relatif. Létape finale de la démarche consiste en létude tridimensionnelle de lécoulement à laide des logiciels de la CFD du groupe AEA-Technology (CFX), permettant de compléter et de valider la procédure établie. Pour illustrer cette démarche, une machine centrifuge à volute a servi de support. Dans un premier temps, létude de la roue existante a été réalisée pour la mise au point et la validation des différents éléments de la démarche. Lensemble roue-volute est étudié et comparé, par la suite, aux résultats expérimentaux. Une attention spéciale est portée sur les effets instationnaires, conséquence de linteraction roue-volute. Les résultats obtenus semblent très cohérents. Finalement, la démarche intégrale est appliquée pour loptimisation dune pompe hélico-centrifuge équipée dun redresseur. Sagissant dune pompe mal dimensionnée, loptimisation de lensemble est une bonne illustration.

Le travail présenté dans cet article concerne la définition d’un processus de conception mécanique construit à partir de l’intégration deméthodes industrielles à usage du concepteur mécanicien. Le papier est divisé en quatre parties. Nous positionnons dans une premièrepartie notre travail à travers un parcours bibliographique. Nous considérons le processus de conception mécanique dont nous décrivonsles différentes formes de représentation. Les méthodes de conception sont ensuite abordées sous l’angle de leur mode de classification.Nous discutons en deuxième partie des principes de détermination d’un processus de conception mécanique spécifique. Nous montrons enparticulier qu’une décomposition fine d’un processus peut conduire à un fléchage naturel des méthodes vers certaines phases élémentaires.Nous mettons en évidence l’existence de méthodes directement liées au processus de conception mécanique et d’autres indirectement associées par le biais d’autres supports méthodologiques avec lesquels elles communiquent. Nous étudions dans le cadre de la troisième partie les formes d’appel des méthodes directes par le processus de conception. Dans la dernière partie une application est faite sur la base d’un portefeuille de méthodes de conception classiquement utilisées en milieu industriel.

The profession of engineering designer changes: new work organizations, new dataprocessing tools, new methods. What is at stake in this work is to take into account these evolutions in the technological higher education.The objective is to measure the difficulties encountered by students during a new practical work of mechanical engineering design. This one consists in simulating the design of an industrial machine, by distributing the tasks among two designers teams, who work at distance. Three students activities were analyzed, in reference to three professional tasks: the search for existing products in an hypertext data base, for a reinvestment in design; collective design of a machine substructure by a group of 3 students; the coordination of two groups working at different places, communicating by E-Mail and videoconferences to make compatible the substructures designed by each group.The reasoning and knowledge used in these three activities are specified thanks to concepts resulting from cognitive psychology and ergonomy. Then results of research in science and design education make it possible to make assumptions on the difficulties of the students. Lastly, these hypothesis are validated by the observation of the students activities.The principal results are as follows. The students make an incomplete information retrieval, because they build themselves a false representation of the information organisation of manufacturers Internet sites. They choose technical solutions unsuited to the medium where the machine should run, by ignorance of this concept of medium and because they adopt a school logic of problem resolution. They design an incoherent machine because their principal concern is a production local and individual rather than global and collective.; Le métier de concepteur de produits industriels change : nouvelles organisations du travail, nouveaux outils informatiques, nouvelles méthodes. L'enjeu de cette thèse est de prendre en compte ces évolutions dans le contenu des formations technologiques du supérieur. L'objectif est de mesurer les difficultés rencontrées par des étudiants de Licence de Technologie mécanique au cours d'une formation nouvelle à la conception de machines industrielles. Cette formation consiste à simuler la conception distribuée et à distance d'une machine. Trois activités d'étudiants ont été analysées, en référence à trois tâches professionnelles : la recherche de produits existants dans une base de données hypertexte, pour un réinvestissement en conception ; la conception collective d'une sous-structure de la machine par un groupe de 3 étudiants ; la coordination de deux groupes travaillant à distance, communiquant par Mél et par visioconférences pour rendre compatibles les sous-structures conçues par chacun d'eux. Les raisonnements et les connaissances en jeu dans ces trois activités sont précisées grâce à des concepts issus de la psychologie cognitive et de l'ergonomie. Puis des résultats de recherches en pédagogie et en didactique permettent de faire des hypothèses sur les difficultés des étudiants.

The profession of engineering designer changes: new work organizations, new dataprocessing tools, new methods. What is at stake in this work is to take into account these evolutions in the technological higher education.The objective is to measure the difficulties encountered by students during a new practical work of mechanical engineering design. This one consists in simulating the design of an industrial machine, by distributing the tasks among two designers teams, who work at distance. Three students activities were analyzed, in reference to three professional tasks: the search for existing products in an hypertext data base, for a reinvestment in design; collective design of a machine substructure by a group of 3 students; the coordination of two groups working at different places, communicating by E-Mail and videoconferences to make compatible the substructures designed by each group.The reasoning and knowledge used in these three activities are specified thanks to concepts resulting from cognitive psychology and ergonomy. Then results of research in science and design education make it possible to make assumptions on the difficulties of the students. Lastly, these hypothesis are validated by the observation of the students activities.The principal results are as follows. The students make an incomplete information retrieval, because they build themselves a false representation of the information organisation of manufacturers Internet sites. They choose technical solutions unsuited to the medium where the machine should run, by ignorance of this concept of medium and because they adopt a school logic of problem resolution. They design an incoherent machine because their principal concern is a production local and individual rather than global and collective., Le métier de concepteur de produits industriels change : nouvelles organisations du travail, nouveaux outils informatiques, nouvelles méthodes. L'enjeu de cette thèse est de prendre en compte ces évolutions dans le contenu des formations technologiques du supérieur. L'objectif est de mesurer les difficultés rencontrées par des étudiants de Licence de Technologie mécanique au cours d'une formation nouvelle à la conception de machines industrielles. Cette formation consiste à simuler la conception distribuée et à distance d'une machine. Trois activités d'étudiants ont été analysées, en référence à trois tâches professionnelles : la recherche de produits existants dans une base de données hypertexte, pour un réinvestissement en conception ; la conception collective d'une sous-structure de la machine par un groupe de 3 étudiants ; la coordination de deux groupes travaillant à distance, communiquant par Mél et par visioconférences pour rendre compatibles les sous-structures conçues par chacun d'eux. Les raisonnements et les connaissances en jeu dans ces trois activités sont précisées grâce à des concepts issus de la psychologie cognitive et de l'ergonomie. Puis des résultats de recherches en pédagogie et en didactique permettent de faire des hypothèses sur les difficultés des étudiants.

This thesis deals with the design of a free-wheel clutch. This unit is intended to replace the automated dry single-plate clutch of a parallel hybrid car with thermal and electric powertrain. Furthermore, the car is a single shaft zero emission vehicle fitted with a controlled gearbox. Chapter one focuses on the type of hybrid vehicle studied. It shows the need to isolate the engine from the rest of the drive train, depending on the driving conditions. Chapter two presents and compares the two alternatives : automated clutch and free-wheel. In order to develop the free-wheel option, the torsional vibrations in the automotive drive line had to be closely studied. It required the design of a specific modular tool, as presented in chapter three, with the help of MATLAB SIMULINK. Lastly, chapter four shows how this tool was used during the design stage and specifies the way to build it. The free-wheel is then to be fitted to a prototype hybrid vehicle, constructed by both the LAMIH and PSA.; Ce mémoire porte sur la conception d'un accouplement à roue-libre. Il est destiné à remplacer l'embrayage piloté d'un véhicule hybride parallèle " ZEV ", simple arbre, à boîte de vitesses pilotée. Le premier chapitre définit le véhicule hybride étudié. Il développe ses modes de fonctionnement et montre la nécessité d'isoler le moteur thermique du reste de la chaîne de traction, en fonction des conditions de roulage. Le chapitre deux présente et compare deux solutions possibles : l'embrayage à sec piloté et la roue-libre. La mise au point de la solution à roue-libre a nécessité d'étudier les vibrations de torsion dans la transmission. Un outil modulaire spécifique a été développé sous MATLAB SIMULINK. Il est présenté dans le chapitre trois. Enfin, le chapitre quatre montre comment cet outil a été employé en phase de conception et présente une solution constructive. Cet accouplement doit être implanté dans un véhicule hybride prototype réalisé conjointement par le LAMIH et PSA.

Les travaux présentés ici portent sur le domaine de la conception de produits industriels manufacturés et plus particulièrement la conception collaborative. Nous posons le postulat que la conception est un processus d'action collectif instrumenté basé sur la constitution et la confrontation de connaissances, l'établissement de relations entre les acteurs, et dont le but est de créer un artefact matériel. Nos travaux sont le résultat d'une collaboration interdisciplinaire originale entre les sciences sociales et les sciences pour l'ingénieur débutée dans les années 90 et impliquant les laboratoires CRISTO et 3S du site Grenoblois. Cette confrontation et ce croisement ont conduit au développement d'une méthodologie de recherche originale dans le domaine de la mécanique : la recherche intervention. Nous soutenons la thèse suivante : La coopération en tant que mode particulier de coordination en conception nécessite une instrumentation particulière, c'est-à-dire une approche complète du développement de l'outil et du processus d'appropriation et de transformation dans l'action. Ceci nous a conduit à développer deux axes de recherche : le développement d'espaces de coopération et le développement d'outils métiers dédiés aux interfaces.

Les travaux présentés ici portent sur le domaine de la conception de produits industriels manufacturés et plus particulièrement la conception collaborative. Nous posons le postulat que la conception est un processus d'action collectif instrumenté basé sur la constitution et la confrontation de connaissances, l'établissement de relations entre les acteurs, et dont le but est de créer un artefact matériel. Nos travaux sont le résultat d'une collaboration interdisciplinaire originale entre les sciences sociales et les sciences pour l'ingénieur débutée dans les années 90 et impliquant les laboratoires CRISTO et 3S du site Grenoblois. Cette confrontation et ce croisement ont conduit au développement d'une méthodologie de recherche originale dans le domaine de la mécanique : la recherche intervention. Nous soutenons la thèse suivante : La coopération en tant que mode particulier de coordination en conception nécessite une instrumentation particulière, c'est-à-dire une approche complète du développement de l'outil et du processus d'appropriation et de transformation dans l'action. Ceci nous a conduit à développer deux axes de recherche : le développement d'espaces de coopération et le développement d'outils métiers dédiés aux interfaces.

The subject of this paper is to propose a method for designing spur external cylindrical gears. The goal is to optimize global and local design parameters in order to minimize meshing noise. Amplitude of the loaded transmission error has been chosen as a criteria. An optimization process is then proposed. It uses equations from systematic statistical analysis.

This thesis proposes a framework for haptic devices interacting with virtual environments. As application of the theoretical results a haptic device for the surgical training of hysteroscopy, a gynecologic intervention, is presented. Surgery simulators, which can be described as 'flight simulators for surgeons', comprise a virtual reality for modeling and visualization of organs, and the haptic device: While the surgeon interactively follows the scene on the computer screen, he perceives the contact forces at the tool handle of the surgical instrument. The haptic device tracks the position of the surgery tool and transforms the virtual contact forces to real forces, which can be actually felt by the surgeon. This thesis treats haptic devices with application to surgery simulators for minimally-invasive surgery. Haptic interfaces are complex mechatronic systems and show inherent trade-offs between haptic realism and system stability. Human factors play an important role, as the human operator can both stabilize or destabilize the system. The haptic perception, which can vary between individuals, as a criterion for haptic rendering quality is still not formalized. The optimization of haptic interfaces, within focus of research since 15 years ago, has remained a complex task. However, with look at the emerging applications for haptics, it has become an even more important topic. For this reason it is necessary to integrate mechanical design, control design, mechatronic elements and human factors in a unifying approach. This thesis highlights the principal trade-offs of haptic interfaces and works out design guidelines for new developments and quantitative information on where and how to optimize haptic systems. As application example a haptic interface for the simulation of hysteroscopy, a gynecologic intervention on the female uterus, has been realized as prototype. The device takes the characteristics of hysteroscopy into account and introduces features like insertion and complete removal of the surgery tool from the haptic interface. A design methodology is proposed, which combines aspects of theoretical kinematics based on Lie-Groups with integrated product development – a systematic approach for engineering tasks. The result, a novel kinematic design, has been realized as haptic interface prototype. The well-known affine parameterization for all stabilizing controllers is shown to be a well-suited tool for haptic control synthesis. It provides insights into the control trade-offs and allows to integrate human factors at controller design stage. The resulting controller, demonstrated by experimental results, can reduce parasitic effects (friction, device dynamics) close to and below the human perception threshhold, thus making the device transparent within the specified bandwidth and suitable for real-time implementation. For numerical controller representation the δ-operator is discussed. It unifies continuous and discrete time domain and has beneficial numerical properties. As there is still no standardized procedure for technical performance evaluation of haptic interfaces methods proposed in literature are summarized. In the near future a large market for haptic technology can be expected with applications from surgery-assist devices and drive-by-wire interfaces in automobiles to entertainment, which highlights the relevance of the treated topic.