Academic literature on the topic 'Modélisation mécatronique'

La robotique humanoïde pose des problèmes d'actionnement et de contrôle complexes tant ce domaine a des besoins spécifiques. Cela implique la conception de constructions mécatroniques avancées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressé aux actionneurs de ces robots et avons porté une attention particulière aux systèmes présentant de bonnes capacités de compliance. Par compliance, on entend la faculté du système à s'adapter à son environnement en adoptant un comportement souple. Cette caractéristique est particulièrement recherchée pour les interactions homme-robot et pour rendre les contacts entre le robot et son environnement plus doux. Nous avons étudié deux systèmes en détails : le premier est un système à base de muscles artificiels pneumatiques de Mckibben et le second, un actionneur électrique à câble comportant une flexibilité. Nous avons développé et mis en oeuvre une architecture de contrôle pour la commande des deux systèmes. L'intérêt de cette architecture réside dans son caractère générique et dans son exploitation au sein d'un schéma de commande prédictive (Model predictive control). Nous avons ensuite étudié le comportement thermique d'un actionneur en vue d'exploiter le plein potentiel de ce système tout en garantissant son intégrité. Finalement, nous avons mené des développements afin d'améliorer le contrôle en couple articulaire du robot humanoïde Talos
Humanoid robotics actuation and control is complex as this field has specific needs. This involves the design of advanced mechatronic constructions. In this thesis, we focused on the humanoid robots actuation and paid particular attention to systems with good compliance capabilities. Compliance refers to the ability of the system to adapt to its environment by adopting a flexible behaviour. This feature is particularly sought after for human-robot interactions and to make contacts between the robot and its environment smoother. We studied two systems in detail : the first is a system based on Mckibben's artificial pneumatic muscles and the second is an electric cable driven actuator with flexibility. We have developed and implemented a control architecture for the control of both systems. The interest of this architecture lies in its generic nature and in its use within a model predictive control scheme. We then studied the thermal behaviour of an actuator in order to exploit the full potential of this system while ensuring its integrity. Finally, we have carried out developments to improve the joint torque control of the humanoid robot Talos

Ce mémoire présente une synthèse des travaux de recherche conduit par l'auteur depuis la fin de sa thèse de doctorat en 2000. Ces travaux se situent dans le cadre des sciences de l'ingénieur et s'intéressent plus particulièrement à la modélisation et à la commande des systèmes mécatroniques. En effet, les dispositifs techniques construits par l'homme étant de plus en plus complexes, leur conception requière de plus en plus de compétences et de connaissances pluridisciplinaires. De plus, le processus de conception de ces dispositifs nécessitent désormais d'importantes phases préliminaires de modélisation. Celles-ci permettent de prédire le comportement du système conçu et ainsi d'aider à sa conception, non seulement au niveau du dispositif lui même (partie matérielle) mais également au niveau de la commande qui permettra d'atteindre les performances désirées (partie logicielle). Les travaux abordés portent plus spécifiquement sur les dispositifs micro-mécatroniques, c'est-à-dire sur les systèmes de très petite taille ou de grande précision mettant en oeuvre simultanément des parties électriques, mécaniques, thermodynamiques et informatiques dans lesquelles les phénomènes de couplages multiphysiques sont prépondérants. La réduction d'échelle influe fortement sur la conception, la réalisation et le fonctionnement de ces dispositifs, c'est pourquoi elle doit être prise en compte comme une contrainte de conception à part entière. Le manuscrit s'organise autour de trois grandes problématiques scientifiques qui sont abordés successivement dans trois chapitres. Après avoir présenté quelques règles et contraintes de conception associées aux micro-systèmes, le premier chapitre présente les outils de modélisation développés pour la conception et la simulation de micro-systèmes robotiques réalisés en technologie « salle blanche ». Le deuxième chapitre s'intéresse à la modélisation et à la conception de dispositifs micro-robotiques pour des applications de micro-manipulation (fonctions de préhension, de perception et de positionnement). Enfin le troisième chapitre aborde la problématique de la miniaturisation des systèmes de positionnement à haute résolution et le remplacement des systèmes classiques par des actionneurs utilisant des matériaux actifs. Ces travaux abordent principalement les matériaux piézoélectriques et les alliages à mémoire de forme magnétique. Les différents travaux de modélisation présentés dans cette HDR ont permis de concevoir un certain nombre de dispositifs réels sur lesquels ont pu être expérimentées les stratégies de commande développées au cours de ces années de recherche. Les performances de ces dispositifs ont été évaluées et confrontées aux résultats théoriques issus de simulations sur les modèles développés et présentés dans le document.

Cette thèse porte sur l'étude des systèmes complexes tels que les systèmes mécatroniques, en tenant compte de leur aspect dynamique, hybride, reconfigurable et multitechnologies. Le premier chapitre est consacré au contexte actuel des systèmes mécatroniques et la nécessité qu'ils soient conçus et développés de manière collaborative afin d'obtenir des systèmes sûrs de fonctionnement. La démarche systémique aide à l'étude de ces systèmes complexes. Le second chapitre expose les différentes méthodes utilisées dans l'analyse qualitative ainsi que dans l'analyse quantitative. Le choix se porte alors sur les méthodes SADT et SA-RT pour l'analyse fonctionnelle, l'AMDE et l'AEEL pour l'analyse dysfonctionnelle et sur les réseaux de Petri pour l'analyse quantitative. Le dernier chapitre expose la méthodologie proposée pour l'estimation de la fiabilité des systèmes mécatroniques ainsi que l'application de cette méthodologie sur un système ABS. Finalement, les conclusions et les perspectives de l'approche proposée sont émises.

L'objectif de cette thèse est de montrer quels avantages la modélisation apporte à la gestion du cycle de vie des systèmes multi-technologies. Pour se faire, la démarche adoptée se scinde en deux parties, la partie traitant de l'adéquation des modèles aux méthodes de conception des systèmes et de la modélisation comme outil de spécification et de lutte contre l'obsolescence. La seconde partie traite quant à elle du contexte de la modélisation dans la prévention de la défaillance des systèmes multi-technologiques et se veut une application de la logistique de la modélisation comme outil du maintien en condition opérationnelle de ces sytèmes. L'analyse de l'adéquation des modèles aux méthodes de conception des systèmes multi-technologiques passe par la caractérisation des sytèmes multi-technologiques et l'exposé des méthodes de conception et de modélisation et s'intéresse aux modèles VHDL-AMS multi-technologiques fonctionnels et à l'analogie au domaine électrique pour la spécification des systèmes et la lutte contre l'obsolescence. Cette thèse présente ensuite le contexte de la modélisation comme moyen de prévention de la défaillance des systèmes et cherche à définir ce qu'est une maintenance modélisable et quels sont les avantages que l'ont peut en tirer. Enfin, cette thèse se conclut par un exemple d'application de la logitique de la modélisation au maintien en condition opérationnelle des systèmes multi-technologiques en montrant son implication pour l'amélioration continue de la qualité des programmes de maintenance, le rétablissement de la disponibilité opérationnelle et la maîtrise du coût global de possession des systèmes et de leurs équipements.

Le travail présenté concerne la modélisation d'actionneurs piézoélectriques utilisés comme générateur de vibrations mécaniques pour l'assistance à la mise en forme de matériaux massifs. L'actionneur multicouche est monté en mode encastré-libre et seule la direction de déplacement longitudinale est considérée dans le cadre de ces travaux de recherche. La modélisation est fondée sur l'application du principe d'Hamilton pour établir les équations du mouvement du système global. L'approche analytique utilise une décomposition modale pour résoudre les équations de fonctionnement de l'actionneur piézoélectrique. Un modèle de type fonction de transfert entrées-sorties permet l'analyse des réponses dans les domaines temporel et fréquentiel. La difficulté du modèle analytique est de recalculer toutes les données modales dés que les conditions aux limites sont modifiées. Une approche par éléments finis placés selon la direction longitudinale de l'actionneur est également développée. Par comparaison au modèle analytique, une étude de la précision de modèle par éléments finis fonction du nombre d'éléments est effectuée. Les deux modèles développés sont ensuite couplés à un modèle analytique simplifié du procédé de forgeage basé sur des lois viscoplastiques afin de modéliser l'ensemble du procédé soumis à des vibrations mécaniques. Le principal avantage de ce modèle tient en la possibilité d'analyser et d'optimiser l'ensemble actionneur-procédé.Une comparaison entre les simulations par éléments finis sous Forge2008®, le modèle de couplage et les essais expérimentaux est présentée. Lors des essais, l'actionneur piézoélectrique alimenté par un onduleur de tension commandé en modulation à largeur d'impulsion fait vibrer la matrice inférieure à des amplitudes allant de 0 à et 80 um des fréquences entre 10 et 130Hz. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations dans le cas d'un écrasement plan est encourageante. La modélisation du comportement du dispositif expérimental constitue un élément de base d'un futur outil de conception des dispositifs mécaniques vibrants
The work presented concerns the modelling of piezoelectric actuators used as a generator of mechanical vibrations for assistance in shaping bulk materials. The multilayer actuator is set in clamped-free mode and only the direction of longitudinal displacement is considered in the context of this research. The modelling is based on the application of Hamilton principle to establish the equations of motion of the global system. The analytic approach uses a modal composition to solve the equations of operation of the piezoelectric actuator. A transfer function of Multiple-Input Multi-Output (MIMO) systems permits the analysis of the responses in time and frequency domains. The difficulty of the analytical model is to recalculate all the modal data when the boundary conditions are changed. A finite element approach placed along the longitudinal direction of the actuator is also developed. Compared to the analytical model, a study of the accuracy of finite element model function of the number of elements is performed. The two models developed are then coupled to a simplified analytical model of the forging process based on viscoplastic laws in order to model the entire process subject to mechanical vibrations. The main advantage of this model lies in the ability to analyze and optimize the entire process actuator. A comparison between the finite element simulations under Forge2008®, the coupling model and experimental tests is presented. During testing, the piezoelectric actuator fed by Pulse Width Modulated voltage inverter vibrates the lower die at amplitudes ranging from 0 to 80 um and frequencies between 10 and 130Hz. The comparison of experimental results and simulations in the case of upsetting process is encouraging. The modelling of the behaviours of the experimental device constitutes a basic element of a future design tool of vibrating mechanical devices

Durant la phase de conception, les différentes équipes d’ingénierie procèdent à de multiples simulations par éléments finis traitant les comportements physiques variés afin d’assurer la vérification et la validation.Cependant, les résultats insatisfaisants engendrent des changements tardifs et par conséquent de longues itérations et des coûts croissants.Pour répondre à cette problématique, il est essentiel de prendre en considération les contraintes géométriques et multi-physiques dès la phase de préconception.En effet, un processus appelé SAMOS est développé visant à sélectionner l’architecture multi-physique 3D la plus adéquate tout en garantissant une collaboration efficace entre les équipes d’ingénieurs. D’ailleurs, il est basé sur deux extensions en SysML permettant l’enrichissement de l’architecture par des informations géométriques et multi-physiques.D’autre part, cette thèse se focalise sur l’étude des contraintes magnétiques et du couplage magnétique-thermique.Comme cette phase ne supporte pas les simulations par éléments finis, les modèles analytiques basés sur des géométries simplifiées sont suffisants pour fournir des résultats approximatifs satisfaisants.Dans ce contexte, différents modèles analytiques sont étudiés et validés à travers des simulations par éléments finis et des mesures pour plusieurs cas tels que les aimants permanents en Néodyme. En fait, l’augmentation de température ne fait pas seulement diminuer la densité du flux magnétique rémanente mais il est capable de causer des pertes irréversibles. En effet, lorsqu’on revient à la température initiale, les caractéristiques de l’aimant sont modifiées. Les différents facteurs affectant le processus de démagnétisation sont examinés.De plus, l’impact de la température sur les performances d’un moteur sans balais est étudié étant donné que ce dispositif représente un système mécatronique complexe
During the design phase, the different engineering teams make multiple FE simulations dealing with various physical behaviours in order to ensure both verification and validation.However, the unsatisfactory results lead to late changes and hence to long iterations and increasing costs.In order to tackle this problem, it is essential to take into account the geometrical and multi-physical constraints in the complex system architecture since the conceptual design phase.In fact, a process called SAMOS is developed aiming at selecting the most adequate 3D multi-physical architecture while ensuring an efficient collaboration between the engineering teams. Moreover, this framework is based on two SysML extensions which allow the enrichment of the architecture with geometrical and multi-physical data.Furthermore, this thesis focuses on magnetic constraints and magnetic-thermal coupling.Since this phase does not support long FE simulations, the analytical models based on simplified geometries are sufficient to provide satisfactory approximate results.In this context, different analytical models are studied and validated through FE simulations and measures for several cases such as NdFeB permanent magnets. Indeed, the temperature rise does not only decrease the remanent flux density but is able also to cause irreversible losses. In fact, once we go back to the initial temperature, the characteristics of the magnet are modified. The different factors impacting the demagnetization process are discussed.Besides, the temperature impact on brushless motors’ performances is studied since this device represents a complex mechatronic system

Cette thèse se focalise sur l’application d’une approche topologique pour la modélisation des systèmes mécatroniques. Cette approche permet de dissocier la topologie et la physique afin d’avoir un modèle unifié de représentation de toute la physique d’un système mécatronique. L’approche topologique développée est codée sous le langage MGS (Modèle Général de Système). Ce langage intègre de nouveaux types de valeurs appelées les collections topologiques. Les collections topologiques permettent la représentation de l'état d'un système dynamique et elles sont manipulées par des transformations. Dans cette approche, les collections topologiques sont utilisées pour présenter la topologie du système à étudier c’est à dire la loi d’interconnexion de ses différents composants et les transformations pour spécifier la loi de comportement locale de chacune de ces composantes. Cette approche topologique est appliquée tout d’abord aux structures de barres planes et spatiales et elle est généralisée par la suite aux structures de poutres planes et spatiales. Finalement, elle est étendue à la modélisation des systèmes mécaniques plus complexes en étudiant le cas des structures piézoélectriques (stack piézoélectrique et treillis piézoélectrique) et le cas d’un réducteur simple étage à denture droite. Étant donné les bons résultats obtenus, il serait intéressant d’étendre ce travail aux systèmes mécatroniques plus complexes en intégrant l’informatique et l’automatique
This thesis focuses on the application of a topological approach for the modeling of mechatronic systems. This approach makes it possible to separate the topology and the physics in order to have a unified representation model for all the physics of mechatronic systems. The developed topological approach is coded in the MGS language (General System Model). This language includes new types of values called topological collections. Topological collections allow the representation of the state of a dynamic system and they are manipulated by transformations. In this approach, the topological collections are used to present the topology of the studied system that is to say the interconnection law of its components and transformations are used to specify the local behavior law of each of these components. First of all, this topological approach is applied to planar and space bar structures and then generalized to planar and space beam structures. Finally, it is extended to the modeling of complex mechanical systems by studying the case of piezoelectric structures (piezoelectric stack and piezoelectric truss structure) and the case of a single stage spur gear. Since this work achieved good reliable results, it would be interesting to extend this approach to more complex mechatronic systems by integrating computers and automatic

L’étude de la fiabilité des systèmes mécatroniques est un axe de recherche relativement récent. Ces étudesdoivent être menées au plus tôt au cours de la phase de conception, afin de prévoir, modéliser et concevoirdes systèmes fiables, disponibles et sûrs et de réduire les coûts et le nombre de prototypes nécessaires à lavalidation d’un système. Après avoir défini les systèmes mécatroniques et les notions de sûreté de fonc-tionnement et de fiabilité, nous présentons un aperçu des approches existantes (quantitatives et qualitatives)pour la modélisation et l’évaluation de la fiabilité, et nous mettons en évidence les points d’amélioration etles pistes à développer par la suite. Les principales difficultés dans les études de fiabilité des systèmes mé-catroniques sont la combinaison multi-domaines (mécanique, électronique, informatique) et les différentsaspects fonctionnels et dysfonctionnels (hybride, dynamique, reconfigurable et interactif). Il devient néces-saire d’utiliser de nouvelles approches pour l’estimation de la fiabilité. Nous proposons une méthodologied’évaluation de la fiabilité prévisionnelle en phase de conception d’un système mécatronique, en prenanten compte les interactions multi-domaines entre les composants, à l’aide de la modélisation par Réseaux dePétri, Réseaux bayésiens et fonctions de croyance. L’évaluation de la fiabilité en phase de développementdoit être robuste, avec une confiance suffisante et prendre en compte tant les incertitudes épistémiques con-cernant les variables aléatoires d’entrée du modèle utilisé que l’incertitude sur le modèle pris en hypothèse.L’approche proposée a été appliquée à l’«actionneur intelligent» de la société Pack’Aero
Reliability analysis of mechatronic systems is one of the most dynamic fields of research. This analysismust be conducted during the design phase, in order to model and to design safe and reliable systems.After presenting some concepts of mechatronic systems and of dependability and reliability, we presentan overview of existing approaches (quantitatives and qualitatives) for the reliability assessment and wehighlight the perspectives to develop. The criticality of mechatronic systems is due, on one hand, to multi-domain combination (mechanical, electronic, software), and, on the other hand, to their different functionaland dysfunctional aspects (hybrid, dynamic, reconfigurable and interactive). Therefore, new approaches fordependability assessment should be developped. We propose a methodology for reliability assessment inthe design phase of a mechatronic system, by taking into account multi-domain interactions and by usingmodeling tools such as Petri Nets and Dynamic Bayesian Networks. Our approach also takes into accountepistemic uncertainties (uncertainties of model and of parameters) by using an evidential network adaptedto our model. Our methodology was applied to the reliability assessment of an "intelligent actuator" fromPack’Aero

Le piano est reconnu comme un instrument permettant une grande expressivité musicale. Cette caractéristique est due en grande partie à la finesse dans le contrôle de l’instrument que les pianistes peuvent atteindre. Le mécanisme traditionnel présente une particularité : les éléments responsables du rayonnement sonore sont découplés du pianiste au moment de la génération de la note. Donc, le pianiste ne peut pas agir sur le son au moment ou il l’entend, le contrôle de la nuance de jeu est donc fortement conditionné par le retour tactile – que nous appèlerons toucher – fourni par l’instrument. Le toucher est donc un indicateur de la qualité du clavier. La mécanique d’actionnement communique au marteau le mouvement imposé à la touche par le pianiste. Ce système dynamique complexe formé d’un ensemble de pièces en bois et feutre de laine, liées entre elles par des pivots et des contacts unilatéraux est responsable du toucher. Les pianos numériques actuels sont équipés de mécaniques d’actionnement simplifiées qui produisent un toucher pauvre par rapport à celui d’un piano à queue traditionnel (notamment dans la nuance piano). L’objectif de ce travail est de concevoir un clavier numérique contrôlé capable de reproduire de manière satisfaisante le toucher d’un piano à queue. Pour cela, nous devons dans un premier temps étudier le fonctionnement de la mécanique traditionnelle puis concevoir et contrôler une interface haptique à base de fluide magnéto-rhéologique capable d’un rendu sensoriel de mêmes caractéristiques que celui d’un piano traditionnel. Le modèle dynamique de la mécanique traditionnelle a été réalisé en tenant compte de tous les degrés de liberté du système et des comportements des liaisons pivots et des contacts unilatéraux. Un ensemble de procédures expérimentales ont permis de valider les lois de comportement utilisées dans le modèle et d’obtenir la valeur de tous les paramètres de la modélisation. Finalement, nous avons simulé numériquement le comportement du système dans le cas quasi-statique et dynamique à l’aide de Matlab/Simulink. Par ailleurs, nous avons conçu, modélisé et identifié un nouveau mode opératoire pour fluides magnéto-rhéologiques qui fût utilisé pour la conception de l’interface haptique pour claviers musicaux. L’interface haptique a été modélisée pour obtenir la loi de commande. Cette modélisation a été validée par la comparaison de la simulation numérique du modèle avec les mesures sur le système réel. Finalement nous avons mis en place une procédure de contrôle en temps réel de l’interface qui utilise un modèle virtuel (modèle dynamique de la touche traditionnelle, par exemple) et le modèle de l’interface
The traditional acoustic piano action mechanism is composed of many different parts of wood, wool felt, leather, metal, and steel-springs. These parts form a multi-degree-of freedom system that transmits energy from the player to the hammer. In return, the action mechanism generates a specific tactile rendering that is felt by the pianist during playing. The haptic feedback is essential for a precise control of timing and loudness. The action mechanisms used in numerical pianos are much simpler and therefore provide a poor haptic feedback. In the last few years, many developments have been carried out by keyboard manufacturers in order to improve the feeling of touch of their products. Most of these systems are not actively controlled and are based on simplified models of the dynamical behaviour of traditional pianos. According to users, improvements are still required in terms of size, performance and realism of the device. Active systems capable of reproducing the dynamics of traditional piano have been developed as laboratory prototypes and commercial products. They are based on simplified models or pre-recorded dynamics that do not satisfactorily match the dynamical behaviour of the traditional piano key. Moreover, the size of these systems often based on electromagnetic actuators is not suitable for an industrial keyboard implementation. The resistant force provided by the traditional piano action mechanism varies from 0. 5 N (the minimum force that initiates key motion), to 15 N (at fortissimo nuance). Extensive measurements of the kinematics of a grand piano action mechanism indicate that the duration of the key motion varies from 20 to 250 ms depending on the nuance whereas the key velocity varies from 0. 1 m. S−1 to 0. 6 m. S−1. The main objective of this research work is to develop a novel digital keyboard capable of reproducing the behaviour of a grand piano action mechanism. It is composed of two main parts. First, the dynamics of traditional piano is studied, then the design and the control of a novel haptic interface based on magneto-rheological fluids are presented. The dynamic model of the traditional piano action mechanism presented in this thesis takes into account the six degrees of freedom of the system under the hypothesis of rigid bodies. It is completed by the contacts and rotational links elementary models. A set of experimental procedures is used to identify the parameters of the model. Finally, a numerical simulation using Matlab/Simulink is presented. The modelling and the identification of an original operation mode for MR fluids is presented and used for the design of the haptic interface for musical keyboards. An analytical model of the interface key is built and used to develop the control law. The mechatronic model is numerically simulated and compared to the real behaviour of the interface. Finally a real time control loop coupled to a virtual model is used to command the interface (for instance the dynamical model of the traditional piano)

Nous proposons une démarche d'élaboration de modèles hybrides pour la supervision d'équipements mécatroniques. Nous représentons les états qualitatifs pris par ces systèmes sous la forme d'un modèle discret de type automate fini. Nous avons élaboré une méthode de calcul de cet automate à partir d'un modèle essentiellement continu. Cette méthode s'appuie sur notre schéma dit semi-causal, qui représente la structure algébro-différentielle du modèle continu. Ce schéma utilise la sémantique causale du bond-graph qui est basée sur la dualité effort-flux. Il est annoté par des intervalles sur les variables, intervalles auxquels sont attachées des valeurs sémantiques et que nous appelons modalités. On distingue notamment les modalités structurelles, qui correspondent à des conditions limites ou des changements du modèle continu, et les modalités fonctionnelles, qui expriment les connaissances qualitatives d'usage et de surveillance. Pour valider cette approche, nous l'avons appliquée à la modélisation des bogies d'un engin forestier. Le but était de prévenir le retournement de l'engin dans les pentes. Les simulations dynamiques de l'engin forestier complet montrent que le modèle discret obtenu est représentatif de l'évolution du risque d'instabilité
We present a design approach for supervision-oriented hybrid models of mechatronic devices. We chose to express the qualitative states taken by such systems in the guise of a finite automaton. We proposed a method to build the automaton from an essentially continuous model. This method relies on our so-called half-causal graph which represents the algebraic and differential complexity of the continuous model. This diagram uses the causal semantics of the bond-graph, which is based on the effort-flow duality. It is annotated with intervals on the variables. Semantic values are attached to these intervals, which we call modalities. We distinguish, in particular, structural modalities, which correspond to limit conditions or changes in the continuous model, and functionnal modalities, which provide the qualitative information on the usage and monitoring. So as to validate this approach, we applied it to the modeling of the bogies of a forest machine. The goal was to prevent the machine from overturning on slopes. Simulations of the whole machine dynamics proved that the discrete model we obtained was very representative of the changes of the instability risk