Дисертації з теми "Module mécatronique"

L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence du résinage au niveau d’un module IML (technologie développée par Valéo), dans son assemblage (« packaging ») dans un module mécatronique par rapport à sa la fiabilité sous la contrainte d’un cyclage en température. Ce travail est constitué de deux parties complémentaires : la première, a permis de réaliser une étude macroscopique liée au volume par une simulation des effets thermiques dans le module en utilisant le logiciel COMSOL basé sur la méthode des éléments finis alors que la deuxième s’est porté sur une étude expérimentale aux interfaces au niveau microscopique par la technique d’ellipsométrie. La simulation de l’effet du résinage sur le transport de chaleur dans le module a permis de montrer que la présence du polymère dans le « packaging » a pour effet de limiter le gradient de température latéralement ce qui permet de réduire la déformation de la puce sur son support et le matériau de connexion. L’étude expérimentale a été menée en deux étapes : la caractérisation par les techniques ATG, ATR/FTIR et diffusion Brillouin, d’une part, du polymère seul et d’autre part, lorsqu’il est au contact des différents substrats (Si, CuNi, Al) caractéristiques des éléments qui constituent les interfaces du module. La tenue en température a pu être établie et hiérarchisée par la technique ATG. La présence de CO2 dans les polymères a pu être mise en évidence par spectroscopie ATR et par ellipsométrie dans l’IR proche et moyen. Il a été constaté particulièrement qu’une contrainte thermique douce en milieu humide a pour effet d’augmenter la teneur en CO2 dans les polymères avec comme conséquence une augmentation du volume du polymère, ce qui peut avoir un impact sur sa perméabilité et aussi sur ses propriétés élastiques comme en l’occurrence observée en diffusion Brillouin. Une interaction polymère substrat a été mise en évidence par ellipsométrie sur le silicium et interprétée en termes de liaisons par les siloxanes. Les substrats de Cu-Ni et Al ne modifient pas les polymères mais en atmosphère humide, suite à un cyclage thermique, on note une modification des propriétés optiques des polymères qui sont au contact des deux substrats par la variation des constantes optiques, plus importante pour Al que pour Cu-Ni
The purpose of this thesis is to study the effect of resins at the IML module (technology brought up by Valeo car supplier company), in the packaging of a mechatronic module with respect to its reliability under thermal cycling stress. This work consists of two complementary parts: the first part allows one to perform a macroscopic study in terms of volume through simulation of thermal effects in the module by using COMSOL software based on Finite Elements Method while the second part is devoted to the experimental study at interfaces at the microscopic level by ellipsometry technique. The simulation performed to determine the effect of the resin on the transport of heat in the module allows one to show that the presence of the polymer in the packaging tend to limit lateral temperature gradient which quench the mechanical stress of the chip on its support and the interconnexion material. The experimental study was performed in two steps: the characterization by ATG, ATR/FTIR and Brillouin scattering techniques, on the one hand, of the polymer alone and on the other hand, when it is in contact of different substrates (Si, CuNi, Al) characteristic of principal interfaces encountered in the module. Resistance to temperature rise has been quantified and a classification established by ATG technique. The presence of CO2 in the polymers has been evidenced by ATR and ellipsometry in the NIR and MIR. Particularly, it has been observed that a soft thermal stress coupled to a humid environment tend to increase the CO2 content in the polymers with the result that an increase in the volume of the polymer is expected, which may impact on its permeability as well as on its elastic properties as observed by the way by Brillouin scattering. A substrate-polymer interaction has been evidenced by ellipsometry on silicium and an interpreted in terms of siloxane bonding. Cu-Ni and Al substrates dont modify the polymers but in a humid atmosphere, on may note that temperature cycling results in modification of the optical properties of the polymers which are in contact with both substrates from the variation of their optical constants which is more important for Al than for Cu-Ni

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au développement de modules mécatroniques de puissance adaptés aux nouveaux besoins et normes de l’industrie de l’automobile dans le contexte de l’impact des enjeux climatiques et de la mondialisation sur la démarche industrielle. Nous avons axé notre recherche sur de nouveaux matériaux, sous forme de nano grains d’argent et de procédés d’élaboration par frittage sous pression, dans une démarche d’innovation radicale par opposition à l’innovation incrémentale. Trois techniques de frittage de poudres d’argent ont été explorées comme procédé d’assemblage de deux substrats métalliques : le frittage de la poudre par SPS, par HIP et par presse chauffante (HP). Les propriétés structurales du matériau fritté en fonction des paramètres de frittage (température, pression et durée) ont été étudiées par MEB, EBSD, DRX et par densitométrie. Les résultats sur les propriétés microstructurale et morphologique du matériau fritté telles que la densité, la taille et l’orientation cristallographique des grains nous ont conduit au choix du SPS comme meilleure technique d’assemblage. La conductivité thermique et électrique du matériau élaboré, déterminées par des méthodes classiques (Van Der Pauw et Flash Laser) ou développées à l’UVSQ (Ellipsométrie), nous ont permis de caractériser les échantillons frittés. Les valeurs de ces propriétés de transport, ont été utilisées pour comparer le comportement de l’argent fritté à celui du Pb92,5Sn5Ag2,5 utilisé comme matériau d’interconnexion, dans une étude préliminaire de modélisation et de simulation par la méthode des éléments finis avec le logiciel COMSOL. Les résultats obtenus montrent que l'argent fritté maintient une température inférieure au niveau de la puce et on s'attend à mieux minimiser l'impact des effets thermiques et ainsi améliorer la fiabilité des modules mécatroniques de puissance
In this work, we were interested in the development of mechatronic power module adapted to new needs and standards of the automotive industry in the context of the impact of climate issues and globalization on the industrial approach. We have focused our research on new materials in the form of nano silver grains and processes developed by sintering under pressure in a process of radical innovation as opposed to incremental innovation. Three techniques of sintering powders of silver have been explored as a method to connect two metal substrates: the sintering of the powder by SPS by HIP and hot press (HP). The structural properties of the sintered material as a function of the sintering parameters (temperature, pressure and duration) were studied by SEM, EBSD, XRD and by densitometry. The results on the microstructural and morphological properties of the sintered material such as density, size and crystallographic orientation of the grains have led to the choice of the SPS as the best joining technique. The thermal and electrical conductivity of the sintered material, determined by conventional methods (Van Der Pauw and Laser Flash) or developed at UVSQ (ellipsometry), allowed us to characterize the sintered samples. The values of these transport properties were used to compare the behavior of the sintered silver to that of Pb92, 5Sn5Ag2,5 used as interconnect material in a preliminary study by modeling and simulation using the finite element method of COMSOL software. The results obtained showed that sintered silver maintains a lower temperature at the chip and is expected to better minimize the impact of those thermal effects and thus improve reliability of power mechatronics modules

Le travail présenté ici constitue une ébauche des études nécessaires au développement d'un microrobot autonome inédit constitué de cinq modules locomoteurs identiques, destiné à l'inspection de tubes industriels de diamètre inférieur à 15 mm. Nos efforts ont porté sur l'étude, la fabrication et la mise au point du module locomoteur. Cet actionneur original est constitué d'un cadre forcé en post-flambement, à deux états d'équilibre stable, dont le basculement d'un état à l'autre est obtenu par des fils en Alliage à Mémoire de Forme. Une étude théorique et un modèle statique aux éléments finis en post-flambement ont facilité les choix dimensionnels. La caractérisation d'un prototype d'échelle supérieure a permis d'y adapter des fils AMF éduqués, commandés par effet Joule. Le contrôle de leur transformation par mesure de leur résistance électrique est évoqué. L'étude expérimentale du comportement au contact permet d'évaluer la charge embarquée par le futur microrobot dans un tube vertical
The work presented here constitutes an outline of the studies necessary to develop a new autonomous microrobot constituted by five identical locomotion modules, to inspect industrial tubes of diameter lower than 15 mm. Our efforts focused on the study, the manufacture and the development of the locomotion module. This original-designed actuator is constituted by a postbuckled frame, presenting two states of stable equilibrium, and whose rock up from one state to the other is controlled by Shape Memory Alloy wires. A theoretical study and a static finite elements postbuckling model helped us to make sizing choices. Mechanical characterization tests carried out on a higher scale prototype have permitted to adjust educated SMA wires, controlled by Joule effect. Checking of SMA transformation by the measurement of their electric resistance is being evoked. An experimental study of the contact behavior allows us to evaluate the embarked load by the future microrobot inside a vertical tube

L'ingénierie des systèmes mécatroniques nécessite la conception simultanée et pluri-disciplinaire des différents sous-systèmes mécanique, électronique et informatique. Dans ce contexte, ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'un projet plus général portant sur la ``Conception Intégrée en Mécatronique Sûre de Fonctionnement''. Il s'agissait de développer des méthodes devant permettre et faciliter la collaboration entre personnes de spécialités différentes dans le but d'aboutir à un système sûr de fonctionnement sans fixer a priori de contraintes sur un élément du système en particulier. Dans la première partie, nous présentons donc un modèle de vieillissement du transistor MOSFET induit par le mécanisme des porteurs chauds. Nous détaillons ensuite l'étude du vieillissement de structures de bases de l'électronique analogique. Nous proposons une méthodologie de conception permettant de maximiser la durée de vie d'un circuit, donc des micro-capteurs, grâce à l'utilisation du modèle de vieillissement. Dans la deuxième partie, en prenant comme exemple un OTA Miller, nous montrons comment notre méthode permet de concevoir des structures complexes sûres de fonctionnement. Pour clore le manuscrit nous proposons une application originale de notre méthode de conception : un capteur de vieillissement de circuit intégré analogique CMOS.

L'objectif principal de cette thèse est de développer une nouvelle interface pour la simulation des procédures de chirurgie mini-invasive. L'interface développée introduit les modalités visuelle, haptique et thermique pour les futures générations de simulateurs et de robots chirurgicaux. La particularité de cette recherche réside dans l'utilisation de la stimulation thermique dans une perspective d'application pour la chirurgie. Dans ce cadre, plusieurs modèles de transfert de chaleur ont été développés, implémentés et évalués pour des applications de téléprésence et de réalité virtuelle. Des sensations intéressantes ont été enregistrées, ce qui a une conséquence directe sur la capacité de distinguer entre des objets dans l'environnement et particulièrement dans le domaine médical où la sensation thermique est en corrélation avec la présence d'anomalies dans certaines maladies. Un nouveau dispositif haptique est conçu et réalisé en analysant les tâches chirurgicales en termes de dextérité, d'espace de travail, de force et de couple exigés. Nous avons tenu compte des exigences générales de conception mécaniques des interfaces haptiques à partir de ce qui a été établi dans la littérature de l'haptique. Le dispositif complet a été interfacé avec un logiciel de simulation en réalité virtuelle (SOFA). Nous avons intégré dans SOFA le module nécessaire pour la simulation thermique. L'intégration était réussie et un scénario de simulation réaliste avec le retour d'information visuel que thermique a été réalisé. Des résultats préliminaires utilisant la simulation complète sont présentés.

La nécessité de simuler des systèmes complexes et multi-physiques est de plus en plus courante dans l'industrie, en particulier avec l'avènement de la conception mécatronique. Ce phénomène couplé à la pression économique poussant les industriels dans la voie de l'optimisation de leurs produits conduit à une augmentation forte des temps de simulation que les progrès techniques ne parviennent pas à compenser. Les travaux menés lors de cette thèse ont permis de proposer une approche hybride analytique/éléments finis pour la simulation temporelle de la dynamique des transmissions par engrenages en présence de non-linéarités de contact. Couplée à une réduction des modèles éléments finis, cette approche permet la résolution rapide de la dynamique d'un réducteur et offre ainsi la possibilité d'intégrer le réducteur comme composant d'un système complexe tel qu'un système mécatronique. La résolution de la dynamique du réducteur peut être menée en parallèle des autres physiques en prenant en compte des couplages forts. L'optimisation d'un tel système est abordée sur un exemple pour clore cette étude.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception des systèmes mécatroniques. Les travaux se positionnent dans les premières phases du cycle de conception, là où les principaux efforts méthodologiques sont à mener pour améliorer la qualité et la fonctionnalité des produits, et reposent sur le prototypage virtuel (modélisation et simulation). Une approche méthodologique envisageable est de reformuler le problème de conception sous une forme inverse, pour directement utiliser les spécifications du cahier des charges, usuellement exprimées sur les sorties, pour calculer les inconnues du problème. Dans ce contexte, le laboratoire Ampère développe une méthodologie de conception et dimensionnement, basée sur l'inversion de modèle, utilisant le formalisme bond graph, pour proposer une démarche reposant sur des critères dynamiques et énergétiques, et dont la principale originalité est sa phase d'analyse structurelle, permettant une hiérarchisation d’analyse suivant différents niveaux de la structure physique du modèle (topologie, phénoménologie, paramétrage). L'objectif est de contribuer au développement de cette méthodologie, en l’étendant aux modèles appartenant à la classe des systèmes singuliers, porté par la velléité de décliner la démarche à la conception fonctionnelle du châssis automobile et de ses sous-systèmes, comportant un certain nombre d'abstractions de modélisation et d'idéalisations. Cette déclinaison est proposée, d’une part, au niveau de la structure du modèle et, d’autre part, à un niveau considérant sa phénoménologie et ses lois de comportement. Elle requiert la mise en place préalable d'un référentiel algébrique, essentiellement issu de travaux sur la commande des systèmes, pour constituer une base de validation des extensions graphiques (digraphe et bond graph) proposées. En plus de la généralisation qu'ils constituent à la classe des modèles singuliers, les présents travaux proposent une uniformisation des précédentes approches de la méthodologie, originellement appliquées respectivement aux modèles directs et aux modèles inverses, de sorte qu'il n'est à présent plus nécessaire de les différencier
The context of this PhD thesis is the modeling and design of mechatronic systems. The study is positioned in the early design stage of the conception cycle (V-Cycle), where the main efforts have to be produced in terms of methodology, to enhance the quality and the functionality of the products, and based on virtual prototyping (modeling and simulation). One of the possible methodology is to reformulate the design problem as an inverse problem, in order to directly use the design specification of the product, usually given in terms of the system outputs, and then solve the design problem. In this context, the Ampere laboratory of INSA Lyon has developed a conception and design methodology, based on inverse approach and using the bond graph formalism, to propose a step-by-step method based on dynamic and energetic criteria, with a structural analysis phase that allows hierarchical analysis steps, depending on the structural physical layout of the model (topological, phenomenological, parameter set). The aim of the present works is to contribute to the development of this methodology, by enhancing it to the class of descriptor systems. This choice is led by the aim to apply the methodology in the context of chassis design and vehicle dynamics, where, among other, multi-body models represented as a differential-algebraic equation (DAE) system could occur. The contributions are proposed at the level of the topology of the model, as well as at the level of the phenomenological / behavioral aspects. A preliminary step is to enhance the existing algebraic framework to support graphical extension (in term of digraph and bond graph). The overall methodological extensions allow, firstly, a generalization of the approach to the class of descriptor systems, and, secondly, to reach a standardization of the procedures, previously dedicated to direct or inverse models, so as no mandatory differences between those models have to be done anymore

Ce travail presente les etudes et developpements ayant abouti a l'introduction, dans le logiciel plexus-r, d'un nouveau type de sous structure : le solide modal. Plexus-r est un programme d'analyse par elements finis et de simulation mecatronique developpe par sfim industries et le cea (commissariat a l'energie atomique) qui permet la modelisation de systemes souples poly-articules asservis. Il fait ainsi coexister, au sein d'un meme prototype virtuel, des elements finis classiques (poutres, coques), des elements finis robotiques (articulations, capteurs, actionneurs), des elements de controle (fonctions de transferts, equations d'etat), des sous-structures rigides et des solides modaux. Le solide modal est caracterise, dans le cadre d'une hypothese de grands deplacements et petites deformations, a l'aide d'un nombre restreint de degres de liberte : les modes propres (rigides et deformables) du solide qu'il modelise. La technique utilisee consiste a definir les mouvements de corps rigide et les deformations comme des combinaisons lineaires de ces modes propres. Le solide modal prend son interet lorsque le rapport qualite/temps de calcul de la modelisation elements finis d'une sous-structure devient penalisant ; dans ce cas, il se substitue a cette description classique. La logique du solide modal est basee sur l'introduction dans la bibliotheque de plexus-r d'un nouveau type d'element fini : l'element modal. Cet element, qui n'a pas de representativite physique, est un element a un noeud, a un degre de liberte. Chaque element est relatif a un mode propre, rigide ou deformable, et admet comme degre de liberte l'amplitude modale associee a ce mode. Le solide modal est ainsi defini comme un super element compose d'un ensemble de n elements modaux. N etant egal au nombre de modes utilises pour caracteriser le solide modelise.

Depuis plusieurs décennies, la modélisation moyenne de convertisseurs statiques a fait l'objet de nombreuses études. En effet, nous avons intérêt à transformer le système original en un système continu qui représente macroscopiquement au mieux les comportements dynamiques et statiques du circuit, notamment en vue d'une étude système. Le modèle dit « moyen » trouve un vaste champ d'applications que ce soit en commande, en simulation (rapide et système) ou encore en analyse des modes... Cependant, la modélisation moyenne peut s'avérer laborieuse dés que le nombre de semi-conducteurs du convertisseur devient important. Dans cette optique, plusieurs auteurs ont essayé d'apporter une aide automatique dans le processus de calcul de ces modèles afin d'épargner l'utilisateur de cette fastidieuse tâche de calcul faite à la main. Néanmoins, actuellement, la démarche de modélisation n'a jamais été entièrement automatisée. Dans cette perspective, les objectifs de cette thèse visent à fournir un outil d'aide à la génération automatique de modèles exacts et moyens dans le cas de la conduction continue et/ou discontinue et en partant d'un a priori sur le fonctionnement du convertisseur à étudier : la description du circuit, le mode de fonctionnement et la commande du convertisseur statique. La conception d'un tel outil repose sur trois étapes principales et qui sont l'analyse topologique du circuit, le calcul des matrices d'état pour chaque configuration du convertisseur statique et enfin une mise en équations des modèles. Les modèles générés sont sous forme symbolique ce qui permet de les réutiliser dans plusieurs logiciels.

Ce travail de thèse adresse une problématique industrielle qui s'articule autour de la modélisation de la chaîne logistique, composée essentiellement de groupements de PME mécatroniques, afin d'analyser les caractéristiques organisationnelles et comportementales et d'en évaluer la performance. Le développement de la solution de modélisation s'inscrit dans une démarche de raffinement itératif et d'intégration progressive de modèles. Le cadre de cette démarche constitue le fondement du processus de développement adopté « ArchMDE » basé sur l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM). Par conséquent, les travaux de cette recherche sont caractérisés par une contribution double. Dans la première contribution, il s'agit de la proposition d'un métamodèle générique de la chaîne logistique. En puisant dans la littérature nous avons proposé une méthodologie de conceptualisation incrémentale et générique qui permet la génération d'un modèle conceptuel de la structure d'une chaîne logistique ainsi que les relations entre ses différentes entités. L'application de cette démarche a donné lieu à la construction d'un métamodèle décrivant le champ d'application étudié (PME mécatroniques). La seconde contribution permet de formaliser le comportement dynamique des concepts générés lors de la première étape en adoptant le paradigme multi-agent. Ainsi, nous avons proposé une agentification du métamodèle du domaine en se basant sur l'analogie naturelle entre la chaîne logistique et le système multi-agent. Cette agentification a donné lieu à un métamodèle du domaine agentifié avec une mise en place des protocoles d'interaction visant à synchroniser et piloter la chaîne logistique. L'étude des relations et du comportement dynamique des différents concepts a permis d'aboutir à un métamodèle d'implémentation qui exprime à la fois les deux vues statique et dynamique du domaine d'application. Ce dernier artefact a fait l'objet d'une instanciation et d'une implémentation d'un cas industriel réel dans un environnement JAVA.

En propulsion électrique, le freinage régénératif consiste à récupérer l’énergie cinétique du véhicule en freinant la roue propulsée avec la motorisation électrique. Afin d'optimiser la quantité d'énergie récupérée à partir du freinage électrique, la plupart des études antérieures proposent des stratégies qui consistent à définir le couple de freinage en fonction de la vitesse du véhicule. Dans cette étude nous proposons une stratégie originale qui consiste à commander le glissement de la roue freinée en fonction de la vitesse du véhicule. Les deux principales hypothèses qui ont motivé ce travail sont que cette stratégie de récupération, réglée à l’optimum, est moins sensible aux incertitudes et qu’elle permet d’éviter une perte d’adhérence de la roue, étant donné que le glissement est contrôlé. L’objectif ultime est de démontrer expérimentalement qu’il est possible de mettre en œuvre une telle approche sur un véhicule électrique afin d'assurer une récupération optimale de l'énergie tout en assurant la stabilité du véhicule. Le premier volet de cette étude est d’étudier l’avantage de la stratégie de commande du glissement quand elle est globalement optimisée au sens de maximiser la récupération d’énergie en considérant le rendement énergétique de la chaine électrique et des pertes mécaniques. Pour cela, un simulateur basé sur Matlab/Simulink a été développé et validé par des mesures expérimentales. La nouvelle stratégie en glissement est alors comparée en simulation à d’autres stratégies, et sa sensibilité est évaluée par rapport à des incertitudes paramétriques sur l’inclinaison de la route, la masse et les conditions routières. Les simulations numériques, validées par des essais expérimentaux, montrent qu’un freinage régénératif qui commande le glissement est la stratégie la moins sensible aux variations paramétriques. Le deuxième volet de cette étude porte sur la synthèse et la mise en œuvre d’un contrôleur temps-réel, embarqué sur un véhicule électrique à trois roues, afin de procéder à des tests routiers de la stratégie en glissement. Considérant qu'il n'est pas possible de mesurer directement le glissement, il doit être estimé en temps réel à partir des mesures des encodeurs des roues. Pour ce faire, un modèle d’état non-linéaire du comportement du système de propulsion électrique, incluant la dynamique du glissement, a été expérimentalement identifié. Ce modèle original, combiné à un modèle classique de dynamique longitudinale du véhicule, est utilisé pour la synthèse et la comparaison de deux observateurs de Kalman étendu. Finalement, un estimateur d’adhérence, basé sur un algorithme d’identification de type RLS-[lambda], est mis en place pour corriger en-ligne un facteur lié à l’adhérence. Il devient ainsi possible d’estimer avec précision le glissement de la roue motrice, même en présence de variations paramétriques importantes. Un contrôleur non-linéaire temps réel a été développé et implanté dans le but de suivre une consigne de glissement optimal. Considérant la présence d’un retard pur important dans la chaine de contrôle, le contrôleur se décompose en une partie boucle ouverte afin d’atteindre rapidement la consigne de couple et une rétroaction non-linéaire afin de corriger finement la valeur finale. La synthèse des compensateurs (boucle ouverte et rétroaction) se base sur une linéarisation par morceaux du système à contrôler: les paramètres du modèle d’état sont fixés pour une commande de couple de freinage donnée. La structure de contrôle implantée a été réduite afin de minimiser la puissance de calcul requise. La combinaison de l’observateur de glissement avec le contrôleur de glissement a permis de valider expérimentalement la stratégie de freinage par glissement sur un véhicule électrique. Les conditions de la route (niveau d’adhérence) ont été modifiées pour valider la robustesse du contrôleur sur une surface glissante.

Le travail de cette thèse s'intéresse au problème du diagnostic débarqué dans le domaine automobile. Il a consisté à proposer et à mettre en œuvre une méthode opérationnelle à base de modèles qui détermine les meilleures séquences de tests que doit réaliser le garagiste afin de localiser un composant défaillant sur un véhicule. Nous proposons une approche de représentation multi-modèle des systèmes mécatronique afin de prendre en compte la complexité fonctionnelle des architectures embarquées actuelles et de relier des symptômes fonctionnels de haut niveau à un ensemble de défauts portant sur des composants matériels et logiciels. Le séquencement des tests est réalisé à partir d'un critère du prochain meilleur test. Cette stratégie interactive laisse l'initiative à l'opérateur humain d'accepter ou de refuser le test proposé. Un prototype logiciel a été développé et testé avec succès sur la fonction essuyage arrière de véhicules réels. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d'une convention CIFRE entre le LAAS-CNRS et la société ACTIA ainsi que dans le cadre du Laboratoire Commun Autodiag (LAAS, IRIT, ACTIA) dont l'objectif est de développer de nouvelles méthodes de diagnostic pour le domaine automobile
This thesis deals with the problem of off-board diagnosis in the automotive domain. The work has consisted in proposing and implementing an operational model based approach that determines the best sequences of tests to be performed by the garage mechanic to localise a faulty component on a vehicle. A multi-model approach is proposed for the description of mechatronic systems, which allows us to handle the functional complexity of embedded systems and to match functional symptoms with a set of faults on hardware / software components. The test sequencing problem is approached along a next best test strategy based on a local heuristic. This strategy enables an interactive diagnostic session, allowing more flexibility and leaving with the human operator the initiative to accept or reject the proposed test. A software prototype has been developed and tested on the rear wiper system of real vehicles. This thesis, supported by a CIFRE grant, is the result of collaboration between the company ACTIA and the research center LAAS-CNRS in the framework of the common laboratory Autodiag (LAAS, IRIT, ACTIA) which aims at developing new methods for diagnosis in the automotive domain

Dans le domaine automobile, les modules électroniques de puissance des produits mécatroniques voient leur puissance sans cesse s'accroître, tout en étant confinés dans des volumes de plus en plus réduits. Au cours de leur fonctionnement, les composants semi-conducteurs et leur assemblage subissent ainsi des contraintes électro-thermo-mécaniques sévères, susceptibles d'entraîner leur destruction et de provoquer la défaillance du produit. L'étude de la fiabilité et le calcul de la durée de vie de tels produits dépendent des températures de jonction calculées au niveau des puces des composants de puissances. De surcroît, le contexte d'applications embarquées requiert de maîtriser, outre les paramètres électriques et mécaniques, les paramètres thermiques tels que les températures de jonctions et les puissances dissipées au niveau des composants, qu'il est nécessaire de réguler et contrôler en temps réel afin d'assurer le bon fonctionnement du produit. L'objectif de cette thèse est ainsi de proposer une méthode d'identification de modèles réduits dans le but d'estimer le comportement thermique des modules électroniques de puissance, en se fondant uniquement sur les données d'entrées et les résultats issus d'une simulation numérique d'un modèle détaillé du système étudié. Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'identification, nommée « Kernel Identification Method », est développée. Cette méthode a été validée sur une application industrielle traitant d'un problème thermique couplé solide/fluide dont le comportement est essentiellement régi par de la convection forcée. Une étude exploratoire portant sur l'identification de problèmes non linéaires où la convection naturelle joue le rôle dominant est ensuite proposée. A cet effet, deux méthodes d’identification non-paramétrique sont proposées : (i) une première méthode basée sur l’extension de la méthode Kernel Identification Method ; et (ii) une deuxième méthode basée sur la variante dite « Unscented » du filtre de Kalman
In automotive applications, the thermal dissipation of power electronics modules in mechatronic products is constantly increasing, whereas these products are confined in increasingly reduced volumes. During their operation, the semiconductor components and their environment are then submitted to severe electro-thermo-mechanical stresses that could cause their damage and lead to the product failure. The reliability and lifetime prevision of such products depend on the temperature junction located at the chip of power components. Furthermore, in order to ensure the safe operation of embedded applications, it is essential to perform a real-time control of thermal parameters such as the junction temperatures and power dissipated on the power components, in addition to the electrical and mechanical parameters. The objective of this thesis is to develop an identification method aimed at producing reduced thermal models to estimate the thermal behaviour of power electronic modules. Designed in a non-intrusive framework, this method post-processes the input data and the results produced by the numerical simulation of a detailed of the system under study. In this thesis, a new identification method, called "Kernel Identification Method" is developed. It has been validated on an industrial application dealing with a thermally coupled solid / fluid problem mainly governed by forced convection. An exploratory study of nonlinear problems identification where the natural convection plays the dominant role is then proposed. To this end, two identification methods of nonparametric nature are proposed: (i) a method based on the extension of the Kernel Identification Method; and (ii) a second method based on the "unscented" variant of the Kalman filter

En raison de leurs multiples avantages, les systèmes mécatroniques sont largement utilisés dans la réhabilitation physique de diverses pathologies, en particulier de l'articulation du genou. Bien que la littérature fasse état d'une variété de ce type de systèmes, nous pouvons dire qu’ils ont encore de nombreux problèmes techniques et faiblesses et qu’il n'existe actuellement aucun dispositif en mesure de satisfaire pleinement les besoins de rétablissement des patients. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse a été axé sur la recherche, la conception et la mise en œuvre d'une remise en état d'origine mécatronique de l'articulation du genou. Le système développé est destiné à tous les groupes sociaux et constitue une alternative moderne à la réadaptation médicale traditionnelle. Le système de réadaptation mécatronique a été mis en œuvre comme une solution originale, intégrée, efficiente et efficace, et offre des solutions techniques pour tous les problèmes signalés concernant les systèmes mécatroniques actuelles de la récupération médicale. L'originalité de ce système est mis en évidence par les fonctionnalités clés suivantes: la conception, les applications, le traitement personnalisé pour chaque patient, les méthodes de commandement et de contrôle, les protocoles de communication avec rétroaction du patient, les exigences de sécurité par rapport à l’interaction du patient avec le système mécatronique, la simplicité et la portabilité. Les résultats expérimentaux obtenus au cours des essais réalisés sur des sujets sains et des patients montrent: les meilleurs résultats sont obtenus en ce qui concerne le mouvement, la récupération articulaire, la qualité de la sécurité et la thérapie du patient ; le système offre le traitement le plus efficace pour la récupération de l'articulation du genou et il est en mesure d'assurer , en outre, la rééducation fonctionnelle des autres articulations du membre inférieur (la hanche et la cheville), applicable à une technique de reprise en boucle fermée: diagnostic - traitement - rétroaction du patient; le système permet un enregistrement en temps réel du progrès de la récupération du patient et aussi un base de données qui stocke l'évolution du patient; aussi, le système conçu peut successivement récupérer les deux jambes ; le système mécatronique évalue le rétablissement du patient en tenant compte des changements de positions angulaires et des forces normales et tangentielles développées au cours de l'interaction entre le pied humain et un système de récupération ; les valeurs obtenues des forces normales et tangentielles peuvent mettre en évidence la gravité de la maladie et le progrès de la réadaptation ; de même, ces valeurs peuvent être utilisées pour calculer le moment total développée dans l'articulation du genou mais aussi fournir des informations précieuses sur l'instabilité du genou ; le système mécatronique réduit le rétablissement médical du patient et accélère considérablement sa guérison
Mechatronic systems are widely used in physical rehabilitation of various pathologies, especially of the knee joint, because of their multiple benefits. Although the literature notes a variety of such kind of systems, we can say that, they still have many technical problems and deficiencies and currently there is no device which is able to fully satisfy the need of patient recovery. In this context, the general objective of this thesis was focused on researching, designing and implementing an original mechatronic rehabilitation of the knee joint. The developed system is intended for all social groups and is a modern alternative to traditional medical rehabilitation. The rehabilitation mechatronic system was implemented as an original solution, integrated, efficient and effective, and offers some technical solutions for all the reported problems of the currently medical recovery mechatronic systems. The system’s originality is highlighted by the following key features: design; applications; personalized treatment to each patient; methods of command and control; communication protocols with feedback from the patient; safety requirements for the patient interaction with the mechatronic system, simplicity and portability. The experimental results achieved during the tests on healthy subjects and patients show: best results are obtained concerning the movement, joint recovery, quality of therapy and patient safety; the system provides the most effective treatment for the knee joint recovery and it is able to ensure, in addition, the functional rehabilitation of the other joints of the lower limb (hip and ankle); applies a closed loop technique recovery: diagnosis - treatment - feedback from the patient; allows a real time recuperative progress recording of the patient and also a database that stores the patient’s evolution; can successively recover the both legs; the mechatronic system evaluates the patient's recovery based on joint angular positions changes and the normal and tangential forces developed during the interaction between the human foot and recovery system; the obtained values of the normal and tangential forces can highlight the disease’s gravity and the rehabilitation progress; the values of normal and tangential forces can be used to calculate the total moment developed in the knee joint, but can also provide valuable information about knee instability; the mechatronic system reduces the patient's medical recovery and accelerates considerably its healing

Les travaux de cette thèse permettent d’apporter de nouveaux outils d’aide à la conception d’un système mécatronique appliqué au monde automobile. Ces méthodologies s’inscrivent dans le cycle de vie du produit découpé selon les phases de Fiabilité : Prédictive, Expérimentale et Opérationnelle. Nous répondons aux trois problématiques : 1. Comment juger la criticité d’une défaillance obtenue lors d’un essai aggravé HALT ? Une approche par équivalence d’endommagement est utilisée et appliquée à un cas concret d’onduleur/convertisseur. 2. Comment tenir compte des variabilités du matériau et de l’environnement dans le modèle d’Arrhenius ? Trois modèles statistiques sont construits et appliqués à un capteur mécatronique en essai climatique. 3. A partir des données financières de coûts garantie, comment estimer la fiabilité du système ? Deux nouveaux modèles probabilistes sont présentés et appliqués à un cas réel de retour garantie
This research proposes new tools for designers of automotive mechatronic systems. These new methods are linked with the Product Life Cycle which can be described by: Predictive Reliability, Experimental Reliability and Operational Reliability. Three problematics are exposed : 1. How can we judge the severity of a failure observed in aggraved test HALT? An equivalent fatigue damage approach is used and realized on concrete case of converter/inverter. 2. How can we take into account the variability of the material and the environment in the Arrhenius’ model ? Three statistical models are built and used on a mechatronic sensor in climatic test. 3. Thanks Financial data of warranty cost, how can we estimate the system reliability performance ? Two new probabilistic models are introduced and applied on concrete warranty returns

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
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

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

Les nouvelles technologies mécatroniques permettent de réduire fortement la consommation d'énergie et les émissions des véhicules individuels, en introduisant des ruptures indispensables pour une chaîne de traction électrifiée complémentaire ou alternative aux moteurs thermiques. Les assemblages en électronique de puissance utilisés dans les systèmes alterno-démarreurs emploient des alliages de brasure dont il s'agit de trouver des substituants, sans plomb, en accord avec les normes internationales. Cette thèse contribue à la caractérisation métallurgique et mécanique de deux joints brasés sans plomb innovants riches en étain. Ces joints sont produits industriellement par un procédé de brasage laser qui leur confère une microstructure de solidification très hétérogène, peu reproductible, multiphasée et qui présente un grand nombre de défauts. L'objectif de cette thèse est d'apporter une meilleure compréhension à la tenue mécanique de ces joints brasés au cours du vieillissement thermomécanique des assemblages. Les sollicitations thermiques engendrent des contraintes et des déformations plastiques à cause de la dilatation différentielle qui existe entre les différentes couches des matériaux brasés. Des lois de comportement isotropes ont été identifiées à partir d'une base expérimentale d'essais de traction sur des matériaux massifs. Ces lois, utilisées dans des simulations aux éléments finis, ont permis d'évaluer l'effet négatif du défaut de porosité inhérent au procédé de brasage. Des essais de vieillissement couplés à des observations de l'évolution de la microstructure ont permis de montrer l'influence de l'orientation des grains d'étain sur l'amorçage de fissure. Nous n'avons pas pu proposer de volume élémentaire représentatif du fait de la complexité de la structure. Une méthode inverse a été mise en oeuvre en parallèle de la conception d'un banc d'essai de flexion in-situ sous profilomètre afin de placer les premières briques permettant la caractérisation mécanique de joints brasés industriels
The new mechatronic technologies can significantly reduce the energy consumption and gas emissions of personal cars, by introducing rupture innovations in electrified powertrains complementarily or alternatively to combustion engines. The power electronics assemblies used in starter-alternator systems use solder joints which need to be substituted with lead-free solder in agreements with international standards. This thesis contributes to the metallurgical and mechanical characterization of two tin-based lead-free solder joints. These joints are produced industrially with a Die Laser Soldering process which leads to heterogeneous solidification microstructures, poorly reproducible, multiphased, and with defects. The objective of this thesis is to provide a better understanding of the solder joints lifetime during thermomechanical aging. Thermal aging generates stresses and plastic deformation due to the mismatch in the coefficients of thermal expansion between the different layers of the assemblies. Isotropic constitutive laws were identified from an experimental database of tensile tests on bulk specimens. Those constitutive laws were used in finite element simulations in order to assess the negative effect of the solder joint porosity, inherent flaw traced back to the soldering process. Aging tests coupled with observations of the microstructure evolution have shown the influence of tin grains orientation on crack initiation. The heterogeneity of the microstructure prevents us from proposing a representative volume element of the materials. An inverse method has been implemented in parallel with the development of an in situ bending test bench under a profilometer in order to build the first steps for the mechanical characterization of industrial solder joints

Désormais, les clients ne se satisfont plus seulement d’une offre diversifiée de produits mais ils demandent à être partie prenante pendant les processus de développement et de configuration afin d’obtenir des produits le plus personnalisés possible en regard de leurs attentes. La contribution des clients à ces processus conduit à des changements dans l’organisation de la conception, dans le modèle de gestion de l'entreprise, la définition du produit. Tout d'abord, nous présentons le modèle de conception en configuration personnalisée nommé Auser. Nous décrivons tout d’abord les fondamentaux théoriques du modèle de conception en configuration pour personnalisation orientée utilisateur. Dans le deuxième chapitre, la méthode de conception est étudiée, y compris la description formelle des entités décrivant le produit, la construction de l'ontologie ainsi que la modélisation par fonctions, composants et services. Le troisième chapitre présente la configuration de modèle de produit personnalisé par l'utilisateur final du robot industriel. Ces utilisateurs peuvent spécifier les objectifs et contraintes de la mise en œuvre des robots industriels par le biais des paramètres et attributs
In today's market, obtaining a variety of products through configuration design has become increasingly common. However, with the development of the market, customers have not only satisfied the company offering a variety of products, and more demands on participating in the process of configuration design by themselves, so that they can obtain fully personalized products. Customer participation leads to the changes of design process, company's management model, etc. Based on the above problem, this thesis takes industrial robot as an example, and studies the management issues related to the customer involved in the design, in order to address the contradiction between product diversification, personalized requirements and the long design cycle and high manufacturing costs. Firstly, Auser-customized configuration design pattern is presented. The theory source of user-customized configuration design pattern is introduced, and then the related concepts are expounded. The corresponding business mode of user-customized configuration design pattern is given, and the key technologies to realize business mode is studied. System dynamics models were established for user-customized configuration design business mode and for traditional business mode of industrial robots by Anylogic simulation software. Secondly, the component-based theory and method are studied, including the formal description of things, ontology representation, componentization and servitization. On this basis, the componentization description model is established for the product parts. And the model is represented as service-component. Next, the formation process and extension method of service-component are introduced. An example of industrial robot components modeling is analyzed, includingestablishing industrial robot domain ontology by protégé, describing, instantiating and extensing components. Thirdly, the industrial robot user-customized configuration design template is constructed, and users can obtain the industrial robot meeting constraints through parameters setting; The kinematics and dynamics analysis on template is taken by Simscape model, and the dynamic parameters is analyzed, and the finite element analysis on template is taken by ANSYS, including statics analysis and modal analysis. The parameters flow process in template is analyzed. Then taking industrial robot user-customized configuration design using configuration template as an example, the configuration template is analyzed in application. Fourthly, the internal algorithm of user-customized configuration design is researched. Platform-based and user-leading user-customized configuration design process is constructed, and then the internal algorithm to keep the design running smoothly is studied, including the degree of freedom determination, fuzzy demand calculation, and service-component configuration and the configuration program evaluation. A case analysis is also taken for the internal algorithm Finally, on the basis of the previous section, the prototype system design of the open design platform is taken. Based on system requirements analysis and system design, the main pages of the platform are designed, and the key functions are introduced

Cette thèse a pour objectif d’apporter un ensemble d’outils logiciels s’inscrivant dans une méthodologie globale de conception de systèmes mécatroniques. Elle arrive en complément de travaux déjà menés au sein du laboratoire sur le pré-dimensionnement d’actionneurs aéronautiques de nouvelle génération : les actionneurs électromécaniques (EMA). Cette technologie apporte de nouvelles problématiques qui forcent les ingénieurs à modifier leur processus de développement et ce dès la phase de spécification où des profils de mission devront être générés/transformés/analysés de manière à simplifier la conception et assurer leur validation. Une toolbox Simulink a donc été créée dans cette thèse pour répondre à ce besoin de transformation de l’information entre avionneur et systémier. Comme tout système embarqué, le concepteur fait face à des compromis entre performances, durée de vie et intégration, qui peuvent se résumer à un problème d’optimisation décrit par un ensemble d’équations et de contraintes. Un effort particulier de description a été mené sur le conditionnement de ces équations sous la forme d’un séquencement de calculs explicites adaptés aux algorithmes d’optimisation. La méthode et son implémentation logicielle, toutes deux basées sur la théorie des graphes, interagissent avec le concepteur de manière à l’informer des erreurs de singularité ou de bouclages algébriques apparaissant dans son problème et à lui fournir des pistes de résolution. Pour finir, des études de pré-dimensionnement d’actionneurs de train d’atterrissage et de surfaces de vol primaires (aileron et spoiler), réalisées dans le cadre de cette thèse, dresseront les possibilités offertes par cette approche innovante : conception intégrée avec une cinématique complexe, conception collaborative pluri-partenaires découplée, utilisation de surfaces de réponse pour accélérer l’optimisation
The aim of this thesis is to bring a package of software tools included in a whole methodology dealing with mechatronic systems design. It comes as an add-on to the work already carried out at the laboratory in the field of the new generation of aircraft actuation systems: electromechanical actuators (EMA). This technology triggers new problematics leading the engineers to modify their development process as early as the specification phase, when mission profiles have to be generated/transformed/analyzed in order to simplify the design and ensure the validation step. Thus a Simulink toolbox has been created to meet the need for an information translator working as an intermediate between airframer and system-supplier. As for all the embedded systems, the designer has to face some performance-lifetime-integration trade-off, which can be considered as an optimization problem described by a set of equations and constraints. Particular attention is paid here to the conditioning of those explicit equations in order to obtain a standardized calculation sequence adapted to many optimization algorithms. The method and implemented software, both based on the graph theory, interact with the designer to inform him on the possible singularity and algebraic loop issues, providing some leads for their resolution. Finally, some preliminary sizing studies of landing gear and primary flight control surfaces (aileron and spoiler) actuation systems are presented to highlight the possibilities brought out by this innovative approach: integrated design with complex kinematics, collaborative multi-partners design, use of response surfaces to speed up the optimization