Littérature scientifique sur le sujet « Capteurs de force – Modèles mathématiques »

Commande d'une structure mécanique à six degrés de liberté. Cas d'un manipulateur parallèle à six actionneurs pneumatiques. Cas d'un manipulateur classique avec un capteur d'effort à six composantes. Application à l'insertion automatique d'un roulement à billes.

Les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique sont considérés comme un système de systèmes complexe. En effet, le mouvement du corps humain est contrôlé par le système nerveux central par l'activation des cellules musculaires squelettiques. L'activation du muscle produit deux phénomènes différents : mécanique et électrique. Ces deux activités possèdent des propriétés différentes, mais l'activité mécanique ne peut avoir lieu sans l'activité électrique et réciproquement. L'activité mécanique de la contraction du muscle squelettique est responsable du mouvement. Le mouvement étant primordial pour la vie humaine, il est crucial de comprendre son fonctionnement et sa génération qui pourront aider à détecter des déficiences dans les systèmes neuromusculaire et musculo-squelettique. Ce mouvement est décrit par les forces musculaires et les moments agissant sur une articulation particulière. En conséquence, les systèmes neuromusculaires et musculo-squelettique peuvent être évalués avec le diagnostic et le management des maladies neurologiques et orthopédiques à travers l'estimation de la force. Néanmoins, la force produite par un seul muscle ne peut être mesurée que par une technique très invasive. C'est pour cela, que l'estimation de cette force reste l'un des grands challenges de la biomécanique. De plus, comme dit précédemment, l'activation musculaire possède aussi une réponse électrique qui est corrélée à la réponse mécanique. Cette résultante électrique est appelée l'électromyogramme (EMG) et peut être mesurée d'une façon non invasive à l'aide d'électrodes de surface. L'EMG est la somme des trains de potentiel d'action d'unité motrice qui sont responsable de la contraction musculaire et de la génération du mouvement. Ce signal électrique peut être mesuré par des électrodes à la surface de la peau et est appelé I'EMG de surface {sEMG). Pour un muscle unique, en supposant que la relation entre l'amplitude du sEMG et la force est monotone, plusieurs études ont essayé d'estimer cette force en développant des modèles actionnés par ce signal. Toutefois, ces modèles contiennent plusieurs limites à cause des hypothèses irréalistes par rapport à l'activation neurale. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau modèle de relation sEMG/force en intégrant ce qu'on appelle le sEMG haute définition (HD-sEMG), qui est une nouvelle technique d'enregistrement des signaux sEMG ayant démontré une meilleure estimation de la force en surmontant le problème de la position de l'électrode sur le muscle. Ce modèle de relation sEMG/force sera développé dans un contexte sans fatigue pour des contractions isométriques, isotoniques et anisotoniques du Biceps Brachii (BB) lors une flexion isométrique de l'articulation du coude à 90°
The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. This interaction is illustrated by the muscular force, generated by muscle activation driven by the Central Nervous System (CNS) which pilots joint motion. The knowledge of the force level is highly important in biomechanical and clinical applications. However, the recording of the force produced by a unique muscle is impossible using noninvasive procedures. Therefore, it is necessary to develop a way to estimate it. The muscle activation also generates another electric phenomenon, measured at the skin using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). ln the biomechanics literature, several models of the sEMG/force relationship are provided. They are principally used to command musculoskeletal models. However, these models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when using single sEMG channel input. ln this work, we propose to construct a model of the sEMG/force relationship for the Biceps Brachii (BB) based on the data analysis of a High Density sEMG (HD-sEMG) sensor network. For this purpose, we first have to prepare the data for the processing stage by denoising the sEMG signals and removing the parasite signals. Therefore, we propose a HD-sEMG denoising procedure based on Canonical Correlation Analysis (CCA) that removes two types of noise that degrade the sEMG signals and a source separation method that combines CCA and image segmentation in order to separate the electrical activities of the BB and the Brachialis (BR). Second, we have to extract the information from an 8 X 8 HD-sEMG electrode grid in order to form the input of the sEMG/force model Thusly, we investigated different parameters that describe muscle activation and can affect the relationship shape then we applied data fusion through an image segmentation algorithm. Finally, we proposed a new HDsEMG/force relationship, using simulated data from a realistic HD-sEMG generation model of the BB and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. Then, we tested this new relationship in force estimation using both machine learning and analytical approaches. This study is motivated by the impossibility of obtaining the intrinsic force from one muscle in experimentation

Cette thèse traite de la conception d'un nouveau dispositif qui reflète le plus fidèlement possible les conditions de fonctionnement d'une machine électrique pour une détermination plus fiable des pertes fer dans les tôles magnétiques constituant cette machine. Ce travail est essentiellment limité à des sollicitations trapézoïdales. Une première partie consiste à développer les principaux dispositifs de mesures des pertes fer et de modéliser à partir des essais de mesures effectués avec un dispositif normalisé, les pertes fer pour deux types de tôles magnétiques. L'analyse des résultats obtenus par simulations numériques, montre que les phénomènes sont complexes et il n'est plus possible de se contenter des dispositifs qui se basent sur des modèles simplifiés. De ce fait, l'auteur propose et étudie un dispositif de mesures des pertes fer destiné pour les tôles utilisées dans les machines linéaires. Il montre aussi qu'avec ce dispositif il est possible de déterminer les pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques encochées. Dans la même optique, il propose un dispositif pour caractériser les tôles magnétiques utilisées dans les machines tournantes. Après étude et conception de ces capteurs et en exploitant ce dispositif, une série de simulations numériques montre la complexité du champ d'induction qui règne dans le matériau magnétique constituant la machine et en particuliers dans les dents. Enfin, le mémoire de thèse se termine par une proposition des perspectives pou l'exploitation du dispositif rotatif déjà conçu.

La premiere partie concerne la mise au point de biocapteurs amperometriques specifiques de l'ethanol, du l-malate, du d-lactate, du pyruvate et de la l-alanine et leur adaptation a des milieux biologiques. Ils sont tous bases sur le meme principe et sont compatibles avec un appareillage commercialise. Ces outils analytiques sont fiables, peu onereux et permettent des dosages precis (erreur de 2%) et rapides (2 minutes). Les capteurs specifiques de l'ethanol, du l-malate et du d-lactate ont ete implantes pendant une campagne de vinification dans le chai d'un viticulteur et a la chambre d'agriculture du tarn et garonne et ont permis la realisation de 80 dosages journaliers de chaque substrat. Les deux derniers biocapteurs proposes pour l'analyse clinique ne necessitent pas de traitement du sang dose, contrairement aux dosages en cours actuellement. La deuxieme partie de l'etude porte sur l'analyse globale d'un milieu de fermentation au moyen de la mesure du potentiel a courant nul pris par une electrode de platine par rapport a une electrode de reference. La valeur du potentiel est bien definie dans chaque phase d'une fermentation et renseigne sur la presence d'oxygene dissous dans le milieu fermentaire ou sur la mise en uvre d'une activite cellulaire, comme par exemple le debut et de la fin de la fermentation malolactique dans le cas de l'elaboration d'un vin. La proposition d'un fermenteur de type filtre-presse fait l'objet de la troisieme partie, dans le but de moduler l'activite du microorganisme en regulant le potentiel du milieu par application d'un champ electrique. Mais la modification du potentiel s'est averee impossible, meme en presence d'un mediateur d'oxydoreduction

Cette thèse annonce la synthèse du cyclo(bis-paraquat p-phenylène p-phenylène-carbonyle) tetrakis(hexapluorophosphate) (« CETEBOX »). Celui-ci existe dans trois formes tautomères prouvées par spectres RMN, titration potentiométrique et synthèse. Dans une réaction de cycloaddition de type [3+2], par l’intermède de son cycloimmonium ylure, ce composé fournit un senseur fluorescent à base de cyclophanes. Ce senseur montre des propriétés d’inclusion envers les Composés Organiques Volatils. Par une réaction de couplage entre le senseur indolizinique fluorescent et la 6-deoxy-6-amine-β-cyclodextrine on synthétise un nouveau senseur fluorescent incorporant les deux cavités (β-cyclodextrine et cyclophane). Toutes les nouvelles structures annoncées dans cette thèse ont été établies par IR, RMN (1H-RMN, 13C-RMN, TOCSY, COSY, NOESY, HMQC). Selon les méthodes de la modélisation moléculaire (MM3, AM1, AM1-COSMO, B88LYPDFT), les conformères les plus stables trouvés sont en accord avec les expérimentés. En utilisant un sel à base de bis(paraquat) on a synthétisé un nouveau complexe de Palladium, ayant des multiples cavités. Les propriétés électriques des cyclopyridinophanes nouveaux synthétisés ont été établies par mesure de la conductivité électrique à des températures et fréquences différentes. Deux de ces composés montrent des propriétés intéressantes concernant la conversion de l’énergie lumineuse en énergie thermique
This thesis reports the synthesis of cyclo(bis-paraquat p-phenylene p-phenylene-carbonyle) tetrakis(hexapluorophosphate) (« CETEBOX »). This one exists in three tautomeric structures proved by NMR spectra, potentiometric titration and synthesis. Through its cycloimmonium ylide, in a [3+2] cycloaddition reaction, this compound furnishes a fluorescent cyclophane sensor. This sensor shows inclusion properties towards Volatile Organic Compounds. By a coupling reaction between the fluorescent indolizine sensor and 6-deoxy-6-amine-β-cyclodextrin a new dual cavity (β-cyclodextrine et cyclophane) fluorescent sensor is synthetized. All new structures reported in this thesis have been established by IR, RMN (1H-RMN, 13C-RMN, TOCSY, COSY, NOESY, HMQC). According to the molecular modeling methods (MM3, AM1, AM1-COSMO, B88LYPDFT), the found most stable conformers are in good agreement with the experiments. Using a bis(paraquat) salt a new Palladium multicavities complex has been synthetized. The electrical properties of the newly synthetized cyclopyridinophanes have been established by measurements of the electrical conductivity at different temperatures and frequencies. Two of them show very interesting properties concerning conversion of light energy into thermal energy

Cette thèse étudie les forces potentielles des mécanismes parallèles plans à deux degrés de liberté équipés d'embrayages de sécurité (limiteur de couple). Les forces potentielles sont étudiées sur la base des matrices jacobienne. La force maximale qui peut être appliquée à l'effecteur en fonction des limiteurs de couple ainsi que la force maximale isotrope sont déterminées. Le rapport entre ces deux forces est appelé l'efficacité de la force et peut être considéré ; comme un indice de performance. Enfin, les résultats numériques proposés donnent un aperçu sur la conception de robots coopératifs reposant sur des architectures parallèles. En isolant chaque lien, les modèles dynamiques approximatifs sont obtenus à partir de l'approche Newton-Euler et des équations de Lagrange pour du tripteron et du quadrupteron. La plage de l'accélération de l'effecteur et de la force externe autorisée peut être trouvée pour une plage donnée de forces d'actionnement.
This thesis investigates the force capabilities of two-degree-of-freedom planar parallel mechanisms that are equipped with safety clutches (torque limiters). The force capabilities are studied based on the Jacobian matrices. The maximum force that can be applied at the end-effector for given torque limits (safety index) is determined together with the maximum isotropic force that can be produced. The ratio between these two forces, referred to as the force effectiveness, can be considered as a performance index. Finally, some numerical results are proposed which can provide insight into the design of cooperation robots based on parallel architectures. Considering each link and slider system as a single body, approximate dynamic models are derived based on the Newton-Euler approach and Lagrange equations for the tripteron and the quadrupteron. The acceleration range or the external force range of the end-effector are determined and given as a safety consideration with the dynamic models.

Cette these traite de l'acquisition de cartes de profondeur a l'aide de capteurs visuels permettant a un robot mobile de planifier localement son itineraire. La demarche adoptee consiste a s'inspirer des modeles de perception etudies chez l'animal pour elaborer des processus artificiels de reconstruction tridimensionnelle. Deux principes ont retenu notre attention : la parallaxe de mouvement, mise en evidence chez la mouche, et l'accommodation, etudiee chez le cameleon. La parallaxe de mouvement est basee sur l'information de profondeur contenue dans la vitesse dans l'image retinienne, tandis que le principe d'accommodation est base sur la mise au point de l'image. Nous proposons une modelisation mathematique de ces principes et une etude en simulation, dont les conclusions nous ont amenes a l'elaboration d'un prototype experimental. Enfin, nous proposons un processus de fusion d'information, entre les deux principes de reconstruction 3d, elabore dans le but de reduire l'erreur sur l'estimation de la profondeur.

L'identification des caractéristiques mécaniques des canaux semi-circulaires (CSC) de l'oreille interne chez l'Homme intéresse autant les cliniciens, dans le cadre des troubles de l'équilibre, que les mécaniciens des fluides. L'identification directe des caractéristiques mécaniques des CSC horizontaux est rendue impossible par la présence d'un système dit "de stockage de vitesse" dans le réflexe vestibulo-oculaire (RVO) qui leur est lié. Il est communément admis qu'un tel système est absent du RVO des CSC verticaux. L'originalité de notre étude réside en un mode opératoire qui permet d'exciter les CSC verticaux de façon directe par une disposition de la tête de manière à placer une paire verticale dans le plan de stimulation. Nous avons appliqué aux enregistrements des mouvements oculaires, obtenus par vidéo-nystagmographie, une méthode novatrice d'identification paramétrique dans le domaine temporel. La convergence est atteinte par l'obtention de la stabilité selon Liapounoff de l'ensemble constitué du système physique et du modèle à paramètres variables. Ceci est garanti par un critère basé sur la différence d'une unique variable d'état entre le système et le modèle. Ce critère permet la séparation des différences paramétriques et des différences des variables d'état dans l'expression d'une fonction de Liapounoff appropriée. Nous nous affranchissons ainsi du lemme MKY %\newline. Les valeurs de paramètre obtenues par cette méthode ont été comparées à celles issues de l'ajustement d'un modèle fréquentiel sur la fonction de transfert numérique. La concordance des identifications par les deux approches constitue une bonne validation de notre méthode sur des signaux réels fortement bruités. Les constantes de temps identifiées tendent à prouver l'existence d'un système de stockage de vitesse sur les CSC verticaux. Ceci ferme la porte à un accès direct in vivo aux caractéristiques mécaniques des CSC par un test fonctionnel de type balayage spectral
The identification of the mechanical characteristics of semicircular canals (SCC) of the inner ear of Man interests clinicians, in the case of balance disorders, as much as fluid mechanics. Identifying directly these characteristics for horizontal SCC is made impossible due to the presence of a "velocity storage" mechanism in the vestibulo-ocular reflex linked to them. Studies based on visual testing seem to prove that such a mechanism does not exist for vertical SCC. The originality of the present study consists in a procedure which excites the vertical canals. The head of the subject is tilted in such a way that one pair of vertical canals is in the stimulation plane of a rotating chair around the vertical axis. Eye movements were recorded via video-nystagmography. We have applied a new method of parametric identification in time domain. Convergence is reached when the set composed of the physical system and the parameterized model is stable according to Liapunov theory. This is guaranteed by a criterion based on the difference of one state value between them. This criterion separates parameter differences and state variable differences in an appropriate Liapunov function. This is done without the MKY lemma. A great part of the thesis job was to develop this method. The identification results have been compared with those of a minimum square fit of a model on the numerical transfer function. Concordant results prove the validity of our method on noisy recordings. Identified time constant values trend to demonstrate that there is,indeed, a "velocity storage" mechanism for vertical SCC. This mechanism hinders estimates of their mechanical parameters, from input/ouput recordings, with a frequency scanning method

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la résolution exacte de problèmes de dimensionnement de réseaux RCSF, rencontrés pendant la phase de planification. Tout d’abord nous nous intéressons au problème de déploiement. Il s’agit de positionner les capteurs dans un plan euclidien afin de minimiser le coût des opérations de communication pour transmettre les données vers le Station de Base. Le deuxième problème, le problème de configuration de réseau, s’intéresse à l’organisation des capteurs dans des zones/clusters. L’objectif ici est de déterminer le nombre optimal de zones et leurs portées respectives afin de minimiser la consommation en énergie de chaque capteur. Les méthodes proposées sont basées sur des algorithmes de programmation dynamique qui garantissent des solutions optimales et sont à faible complexité si on les compare aux approches de littérature. Le dernier problème étudié concerne l’affectation de puissances aux capteurs et d’ordonnancement des transmissions. Ici l’objectif est de garantir les transmissions concurrentes entre les nœuds tout en minimisant le temps de transmission des données. Au cœur de notre approche est la stratégie d’affectation de puissances de transmissions qui tente de maximiser la valeur minimale de SINR estimée chez les récepteurs. Le problème est modélisé et résolu en utilisant un algorithme itératif basé sur la programmation linéaire
In this thesis, we focused on the development of optimal methods regarding WSN dimensioning problems, mostly encountered during the planning phase. These were instantiated basically into three combinatorial optimization problems. The network deployment scheme which seeks to place the sensors in a such way that the cost of communication operations is minimized. The network configuration problem that asks to find a strategy for dividing the network such that some criteria are satisfied. In the problem’s model we took into account the data aggregation constraint and the discrete values of power transmission. For both problems we proposed a resolution method, based on dynamic programming, which permitted us to solve them optimally. Finally, the joint problem of scheduling and power assignment, consisted in finding a feasible scheduling under SINR constraints and a power assignment scheme to guarantee successful concurrent transmissions. As the problem is shown to be NP-hard we propose a greedy heuristic. The resolution method for the power assignment strategy, an iterative algorithm based on linear programming, provides optimal solutions

Ce chapitre explore les méthodes de conception de systèmes de diagnostic basés sur des modèles mathématiques. Il examine l'analyse des diagnostics de défauts des modèles, la complexité croissante avec le modèle, et l'approche structurale pour les problèmes non linéaires à grande échelle. L'analyse structurelle évalue la détectabilité et l'isolabilité des défauts, aidant à placer les capteurs et à concevoir des détecteurs. Des outils informatiques, notamment une Toolbox MATLAB et Python, sont disponibles pour faciliter cette analyse. La formalisation de la détection et de l'isolation des défauts est discutée, suivie d'une exploration des modèles structurels et des algorithmes graphiques pour l'analyse de diagnostic.