Design, modelling, simulation and integration of cyber physical systems: Methods and applications

The main drivers for the development and evolution of Cyber Physical Systems (CPS) are the reduction of development costs and time along with the enhancement of the designed products. The aim of this survey paper is to provide an overview of different types of system and the associated transition process from mechatronics to CPS and cloud-based (IoT) systems. It will further consider the requirement that methodologies for CPS-design should be part of a multi-disciplinary development process within which designers should focus not only on the separate physical and computational components, but also on their integration and interaction. Challenges related to CPS-design are therefore considered in the paper from the perspectives of the physical processes, computation and integration respectively. Illustrative case studies are selected from different system levels starting with the description of the overlaying concept of Cyber Physical Production Systems (CPPSs). The analysis and evaluation of the specific properties of a sub-system using a condition monitoring system, important for the maintenance purposes, is then given for a wind turbine

Building an ANFIS-based Decision Support System for Regional Growth: The Case of European Regions

This paper proposes a Decision Support System that can provide European policy makers with systematic guidance in allocating and prioritizing scant public resources. We do so by taking the stance of the Smart Specialisation Strategies which aim at consolidating the regional strengths and make effective and efficient use of public investment in R&D. By applying the ANFIS method we were able to understand how – and to what extent – the competitiveness drivers promoted technological development and how the latter contributes to the economic growth of European regions. We used socio-economic, spatial, and patent-based data to train, test and validate the models. What emerges is that an increase of R&D investments enhances the regional employment rate and the number of patents per capita; in turn, by taking into account the several combinations of specialization and diversification indicators, this leads to an increase of the regional GDP

Conception et fabrication d'une prothèse myoéléctrique biofidèle pour amputés huméraux

RÉSUMÉ La perte du membre supérieur affecte de manière majeure la capacité de l’amputé à réaliser ses activités, qu’elles soient professionnelles, sociales ou du quotidien. L’amputation ne se traduit pas seulement par un déficit mécanique, elle a aussi un impact psychologique important. Les 50 dernières années ont vu des progrès majeurs dans le domaine des prothèses. Ces progrès technologiques principalement dus aux avancées en robotique, miniaturisation et biomédical ont permis de concevoir des prothèses capables d’effectuer tous les mouvements humains et plus encore. Cependant ce progrès s’est fait au détriment de certaines attentes de base des amputés : porter une prothèse d’apparence naturelle dont le contrôle est intuitif à un coût raisonnable. Ce mémoire présente la conception d’une prothèse robotique pour amputés huméraux. Ce design est une alternative aux prothèses existantes et son développement est axé sur les attentes des utilisateurs. Pour faciliter la conception d’une commande intuitive, seules trois mobilités sont conservées : la flexion-extension du coude, la pronation-supination de l’avant-bras et la préhension de la main. Pour favoriser un comportement naturel du bras artificiel, une méthode de conception biofidèle est utilisée. Il en résulte une main anthropomorphique et un mécanisme d’avant-bras parallèle inspiré de la structure osseuse chez l’humain. Pour pallier la diminution du nombre de mobilités de la main, un mécanisme différentiel adaptatif sous-actionné est utilisé pour la préhension. L’assemblage a été pensé et conçu pour être démontable et réparable afin d’être utilisé pour de futurs développements. La fabrication additive a largement été utilisée, les limitations en termes de résistance mécanique et de précision de fabrication ont été prises en compte. Un prototype a été fabriqué. Il a permis de confirmer le potentiel de cette approche alternative et d’identifier ses limitations. À titre indicatif, en plus d’introduire un nouveau mécanisme de pronation supination, la prothèse développée propose une solution de bras artificiel concurrençant l’adaptabilité et l’apparence des solutions commerciales en se rapprochant de leurs mobilités tout en réduisant le coût d’un facteur 10.----------ABSTRACT The congenital or traumatic amputation of upper limbs lead to strong mobility and sociopsychological disabilities. The field of prostheses has seen major progress during the last 50 years. Those technological advances are the results of breakthroughs in robotics, miniaturization and biomedical science. Prostheses can now reproduce all the human arm movements and even more. However, those technological advances were made without taking into account the low user acceptance resulting from the lack of natural appearance and low intuitively of the control combined to excessive pricing. This project presents the design of a myoelectric biofidelic prosthesis for humeral amputees. This design is an alternative to the existing prostheses, the development is user centered. In order to facilitate the design of an intuitive control, the artificial arm uses only three mobility: the elbow’s flexion-extension, the forearm’s pronation-supination and the hand grasp. A biofidelic approach is used to get a more natural behavior of the prosthesis. This results in an anthropomorphic hand and a parallel mechanism for the forearm inspired by the human one. A differential underactuated adaptive mechanism is used for the grasp to compensate the diminution of driven degrees of freedom of the hand. The assembly is designed to be easily dismounted and repaired so it can be used for further development. Additive manufacturing has largely been used, the limitations in terms of mechanical resistance and manufacturing precision were taken into account. A prototype has been produced. It has confirmed the potential of this alternative design and has also identified the drawback of this solution. It introduces a new mechanism for the artificial limb’s pronation supination and while challenging adaptability and appearance of commercial prosthesis, it stays close to their mobility and reduce their cost of a factor 10

Développement d’un exosquelette portable motorisé des membres supérieurs pour les enfants atteints de troubles neuromusculaires

RÉSUMÉ Les maladies neuromusculaires sont très fréquentes chez les enfants suivis en réadaptation. Ces maladies se traduisent par des faiblesses musculaires, des troubles de coordination ou encore des tremblements. Au niveau du membre supérieur, ces pathologies handicapent le quotidien des enfants qui se trouvent limités dans la réalisation de plusieurs tâches, telles que simplement boire et manger. Les aides existantes sont la plupart du temps qu’esthétiques, et les solutions fonctionnelles sont majoritairement inadéquates et peu polyvalentes, c’est-à-dire qu’elles ne sont bonnes que pour une tâche particulière. À cela s’ajoute le fait que l’acceptation des dispositifs d’assistance est souvent difficile par les enfants. C’est donc dans ce contexte qu’est née l’idée de concevoir le premier exosquelette portable motorisé des membres supérieurs pour les enfants atteints de troubles neuromusculaires. Ce mémoire présente le développement d’un exosquelette portable motorisé pour la pédiatrie. Sa conception est novatrice, en ayant pour objectifs principaux une utilisation intuitive et un aspect physique le plus discret possible et le moins contraignant. Pour se faire, seulement quatre degrés de liberté ont été sélectionnés, soient les mouvements de flexion et extension et d’adduction et abduction à l’épaule, et de flexion et d’extension et de pronation et supination au coude. Dans un souci d’optimiser l’utilisation de l’exosquelette par rapport aux besoins de l’utilisateur, des éléments passifs, tel un ressort, ont été utilisés pour amener le bras et son exosquelette dans la position neutre désirée, position autour de laquelle l’exosquelette est plus efficace. L’exosquelette est conçu de sorte à avoir une production et un assemblage aisés, grâce notamment aux techniques de prototypage rapide. Ces procédés de fabrication permettent de réduire les coûts, car les pièces deviennent facilement remplaçables suivant la croissance de l’enfant ou un bris. Autre fait important concernant l’exosquelette développé : il présente des mécanismes d’ajustement au niveau des dimensions pour le rendre plus polyvalent. Finalement, un prototype a été imprimé en trois dimensions. Ce prototype est fonctionnel et fait l’objet d’une preuve de concept, qui pourra être testée sur une population d’enfants présentant des troubles neuromusculaires. La preuve de concept coûte moins de 2000 $CA en composants et matériaux, alors que, à titre d’exemple, des exosquelettes motorisés du membre inférieur se vendent, en général, 50 000$CA et plus. L’exosquelette a donc le potentiel d’être abordable, et du fait même accessible pour les enfants et leur famille, si son prix de vente est sous les 10 000 $CA.----------ABSTRACT Neuromuscular diseases are very common in children undergoing rehabilitation. These diseases result in muscle weakness, coordination disorders or tremors. At the level of the upper limb, these pathologies hinder the daily lives of children who are limited in the accomplishment of several tasks, such as drinking and eating. The existing technical aids are mostly aesthetic, and the functional solutions are mostly inadequate and not very versatile . In addition, the adherence to the use of assistive devices is often low for children. It is in this context that was born the idea to design the first portable motorized exoskeleton of the upper limbs for children with neuromuscular disorders. This master thesis presents the development of a motorized portable exoskeleton for pediatrics. Its design is innovative, with the main objectives of an intuitive use and an appearance as discreet and unrestrictive as possible. To do so, only four degrees of freedom were selected, namely flexion and extension and adduction and abduction at the shoulder, and flexion and extension and pronation and supination at the elbow. In order to optimize the use of the exoskeleton with respect to the needs of the user, passive elements, such as a spring, have been used to bring the arm and its exoskeleton into the desired neutral position, around which the exoskeleton is more efficient. The exoskeleton is designed for easy production and easy assembly , using three dimensions printing and other rapid prototyping techniques, for electronics among others. These manufacturing processes also make the system less expensive, where the parts can be easily replaceable in the event of breakage or growth of the child. Another important fact concerning the exoskeleton is the presence of adjustment mechanisms for dimensioning. Finally, a prototype was manufactured. This prototype is functional and acts as a proof of concept, which can be tested on a population of children with neuromuscular disorders. This proof of concept costs under 2000 CAD for its components and materials, when motorized exoskeletons, for the lower limb, cost in general over 50 000 CAD. The designed exoskeleton therefore has the potential to be affordable, and at the same time accessible to children and their families if the selling price is under 10 000 CAD

Perchage automatique de drones basé sur la vision artificielle

RÉSUMÉ L'utilisation de l'intelligence artificielle et de la vision se développe considérablement dans l'industrie des drones, notamment pour la saisie ou le dépôt d'objets ou encore pour l'atterrissage. Le perchage de drone, étroitement lié à ces tâches, commence également à se développer. Cette faculté permettrait aux drones de réaliser de nouvelles tâches mais aussi de combler leurs inconvénients tels que leur faible durée de vol ou le fait qu'ils soient fragiles. Par exemple, cela assurerait à un drone de se poser en cas de fin de batterie ou de mauvaises conditions climatiques. Les techniques actuelles de perchage ou de saisie d'objet effectuées à partir de la vision artificielle et d'un système de préhension ajouté au drone, se basent seulement sur la détection d'objets. Les objets/supports, lors des tests, sont sélectionnés en avance par les chercheurs afin d'avoir une bonne concordance avec le préhenseur. Ainsi, dans le cas où le support possède une forme complexe ou encore des dimensions trop différentes par rapport à celles du préhenseur, le drone le détectera et essayera de s'y percher sans succès. L'objectif de cette maîtrise recherche est de développer un système de détection d'objets, par vision par ordinateur, qui selon les caractéristiques du préhenseur du drone, détecte les objets, leur attribue un score de concordance et renvoie le support idéal. Le score de concordance, que nous avons établi et nommé "CSP" (Concordance Support-Préhenseur) dans ce mémoire, se détermine à partir de la comparaison entre l'intervalle d'ouverture du préhenseur et les dimensions réelles des objets. La réalisation d'une comparaison ainsi que l'utilisation d'un score de concordance pour la détermination d'un support adéquat est une procédure que nous avons élaborée. Partant d'un algorithme de détection basé sur la classification et la segmentation des objets détectés, la solution proposée dans ce mémoire a été développée en 3 phases : 1. Entrainement supervisé du réseau de neurones de l'algorithme de détection pour de nouvelles classes d'objets adaptées au perchage de drone. 2. Conception d'un algorithme, permettant de réaliser une comparaison entre les dimensions des objets détectés et celles du système de préhension dans le but de déterminer le support idéal pour le perchage du drone. 3. Évaluation des performances du modèle de détection complet, regroupant les deux algorithmes, à partir de tests réalisés sur un ensemble d'objets avec des paramètres et des conditions d'environnement différents entre chaque test. Cette évaluation a démontré la précision et la fiabilité de notre système dans la détermination du support idéal à partir de la vision artificielle. Nous avons effectué un ensemble de 36 tests avec pour chaque test un paramétrage différent. De plus, chaque test a été effectué avec un nombre de 10 répétitions soit avec une configuration des paramètres identique dans le but d'avoir des résultats plus fiables. Ces tests ont été réalisés avec une caméra ayant une résolution 640 x 480 et une carte graphique GTX 1080Ti (GPU). La performance globale de notre système obtient un taux de succès de 84.17 % dans la détermination du support idéal. Ce taux de succès atteint même les 100 % dans le cas d'une différence de diamètre d'au moins 20 mm entre les objets détectés. La vitesse d'exécution du modèle, dans le cas d'un seul objet détecté par image, prend en moyenne 0.42 seconde pour l'analyse d'une image, ce qui correspond à 2.38 fps. Le fait d'obtenir un temps d'exécution efficace dans le traitement de chaque objet permet ainsi de garder une fluidité dans la détection lors du déplacement de la caméra et ainsi d'éviter les mauvaises détections et/ou mauvaises segmentations.----------ABSTRACT The use of artificial vision and artificial intelligence in drones applications is experiencing rapid growth, particularly in pick and drop applications but also in drone landing. Drone perching, being closely linked to applications stated above, has also begun to emerge. This research would allow the drones to realize new tasks but also to mitigate their disadvantages such as their short flight time or their fragility. Current perching and object grasping approaches are carried out by utilizing artificial vision and robotic grippers integrated with the drones. The target objects or their handles are chosen in a way to match the geometry of the gripper. Thus, in case where supports have complex form or dimensions too differents in comparison with gripper dimensions, perching won't be avaiblable. The purpose of this study is to develop a detection system that uses computer vision to return ideal support for drone perching. The ideal support corresponds to the object with the best matching score. The matching score, that we have developed and called "CSP" (Concordance Support-Préhenseur) in this study, is determined from the comparison between the gripper opening and the real object dimension. The implementation of this comparison as well as the utilization of matching score to the determination of the best support is a method that we created. The suggested solution in this study is based on a detection algorithm which uses the classification and segmentation of objects. The several stages of the uses method are enumerated as follows : 1. Supervised training of neural network detection algorithm for new objects classes adapted to drone perching. 2. Conception of an algorithm, allowing to realize a comparison between object dimensions and grasping system dimensions in order to determine the ideal support. 3. Evaluation of the global system performances thanks to tests performed on a set of objects. This evaluation has shown the precision and the reliability of our system in the ideal support determination based on artificial vision. We used a set of 36 tests with, for each test, different parameter values and different environmental conditions. Moreover, each test has been performed with a number of 10 repetitions for a given configuration in the purpose to obtain more reliable results. These tests have been made using a camera with a resolution of 640 x 480 and a graphic processor unit GTX 1080Ti (GPU). The global performance of our system obtains a success rate of 84.17 % in the ideal support determination. This success rate even reaches 100 % in the case where the difference between the diameter of each object is at least 20 mm. The execution speed of this model, with only one detected object by image, takes on average 0.42 second for the analysis of one image, which corresponds to 2.38 fps. To maintain fluidity and thus to avoid wrong detections and/or segmentations during camera motion, an efficient execution time is needed in the treatment of each object

Volumetric Error-Based Condition and Health Monitoring System for Machine-Tools

Résumé Des défaillances ou détériorations imprévues ou non détectées des machines-outils entraînent des pertes de production et de qualité, d'où la nécessité d'une maintenance prescriptive et normative utilisant la surveillance de l'état des machines-outils. Cette recherche présente la méthodologie et les solutions développées pour surveiller l’état de précision des machines-outils à cinq axes en analysant les erreurs volumétriques de la machine-outil. L’erreur volumétrique est définie comme un vecteur d'erreur cartésien représentant l'écart de la position réelle de l'outil par rapport à sa position attendue par rapport au repère de la pièce et projeté dans le repère de base. La méthode SAMBA (Scale and Master Ball Artefact) a été utilisée pour mesurer les erreurs volumétriques de la machine-outil expérimentale à cinq axes. Les erreurs volumétriques acquises contenant les états normaux et défectueux de la machine-outil constituent la base de données pour cette recherche. De plus, des pseudo-fautes et les fautes graduelles et soudaines simulées ont également été utilisées. Les caractéristiques du vecteur d'erreurs volumétriques extraites par des mesures de similarité de vecteur sont utilisées comme entrée pour le graphique de contrôle basé sur les moyennes mobiles pondérées exponentiellement, où le changement anormal du vecteur unique d'erreurs volumétriques peut être détecté. Pour surveiller de manière exhaustive l’état de précision de la machine-outil, une matrice de mesures de similarité vectorielle combinée contenant toutes les caractéristiques d’erreurs volumétriques acquises a été proposée et traitée par le graphique de contrôle de la moyenne mobile pondérée exponentiellement. Pour les mêmes défauts, les deux traitements de données ci-dessus peuvent tous détecter automatiquement le temps exact d’apparition du défaut. Sur la base d'une logique de surveillance complète des erreurs volumétriques, une analyse fractale des coordonnées d'erreur volumétrique a également été explorée. Les résultats des tests révèlent qu’il s’agit d’un outil efficace pour représenter la fonctionnalité des erreurs volumétriques. Pour comprendre le processus de changement de l'état de la machine-outil, les erreurs volumétriques historiques acquises ont été traitées par analyse en composantes principales et par K-moyennes. D'une part, les méthodes proposées séparent les états normaux et défectueux de la machine-outil (près de 100%), d'autre part, les machines-outils désignées fournissent les références pour la reconnaissance de l'état d’autre machines-outils lors du traitement de nouvelles données d'erreurs volumétriques. En résumé, le travail de recherche effectué dans cette thèse a contribué à la mise au point d’une solution efficace de surveillance de l’état de la précision des machines-outils à l’aide des erreurs volumétriques des machines-outils, basées sur des méthodes d’extraction de caractéristiques, de reconnaissance des modifications et de classification des états. Le système développé peut reconnaître les points de changement exacts des défauts réels du codeur d'axe C, des pseudo-défauts EXX et EYX. De plus, il atteint une précision proche de 100% dans la classification de l'état défectueux et normal de la machine-outil. ---------- Abstract Unexpected or undetected machine tool failures or deterioration results in production and quality losses, hence proactive and prescriptive maintenance using machine tool condition monitoring is sought. This research presents the methodology and solutions developed to monitor the accuracy state of five-axis machine tools by analyzing the machine tool volumetric errors which are defined as the Cartesian error vector of the deviation of the actual tool position compared to its expected position relative to the workpiece frame and projected into the foundation frame. The scale and master ball artefact (SAMBA) method has been used for the measurement of volumetric errors of the experimental five-axis machine tool. The acquired volumetric errors containing machine tool normal and faulty states provide the database for this research. In addition, pseudo-faults and the simulated gradual and sudden faults have also been used. Volumetric error vector features extracted by vector similarity measures are used as the input for the exponential weight moving average control chart where the abnormal change of the single volumetric error vector can be detected. To comprehensively monitor the machine tool accuracy state, a combined vector similarity measure array containing all acquired volumetric errors features has been proposed and processed by the exponential weight moving average control chart. Towards the same faults, the above two data processing can all automatically detect the exact fault occurrence time. Based on the logic of comprehensive monitoring of volumetric errors, fractal analysis of volumetric error coordinates has also been explored. The testing results reveal that it is an effective tool for volumetric errors features representing. To understand the change process of the machine tool state, the acquired historical volumetric errors have been processed by principal component analysis and K-means. For one thing, the proposed methods separate the normal and faulty states of the machine tool (Nearly 100%), for another thing, the designated machine tools provide the references for machine tools state recognition when processing new volumetric errors data. In summary, this research contributed to the development of an efficient solution for machine tool accuracy state monitoring using machine tools volumetric errors based on feature extraction, change recognition and state classification methods. The developed system can recognize the exact change points of real C-axis encoder faults, pseudo-faults EXX and EYX. In addition, it achieves close to 100% accuracy in machine tool faulty and normal state classification