Conception de muscles pneumatiques durables pour des applications à haute déformation et à haute densité de force

Le projet décrit dans cette thèse est basé sur un manipulateur, développé dans le cadre de ma maîtrise, qui utilise des actionneurs pneumatiques déformables (muscles) pour positionner un instrument médical en fonction d’une cible identifiée par imagerie à résonance magnétique (IRM). Une problématique est rapidement apparue : les muscles pneumatiques existants ne permettent pas une déformation supérieure à 35 % de leur longueur initiale, et à cette déformation, ne supportent que quelques milliers de cycles avant de fissurer. Il est apparu nécessaire de concevoir des muscles pneumatiques à haute déformation (50 %) pouvant supporter plus de 100 000 cycles. Le principe de base d’un muscle pneumatique est une membrane élastomère contrainte par un renfort qui oriente la déformation lorsque la membrane est pressurisée. Des recherches ont montré que la problématique de compromis entre la déformation et la durée de vie est en fait commune à tous les muscles pneumatiques. Cette constatation a mené à ma question de recherche : Comment concevoir des muscles pneumatiques à haute déformation résistants à la fatigue ? La thèse met en évidence trois principes de conception qui affectent la durée de vie en fatigue des muscles pneumatiques : respecter la limite de fatigue du matériau de la membrane, limiter l’abrasion de la surface de la membrane par le renfort et limiter les contraintes/déformations local de contact (Hertz) causées par le renfort. Dans un premier temps, un nouveau concept de muscle extensible est proposé à partir de ces principes : utiliser une membrane élastomère tubulaire et la recouvrir d’un manchon externe orthotropique continu (tissé) qui limite les contraintes et déformations locales. Simple à fabriquer et à assembler, le muscle démontre une durée de vie de plus de 229 000 cycles à 50 % de déformation, soit environ dix fois la durée de vie des muscles existants (à 35 % de déformation). Dans un second temps, le concept de manchon est adapté pour créer un muscle en flexion. Dans le cas des muscles en flexion, c’est la combinaison de la grande déformation et de la pression élevée, requise pour augmenter la capacité de charge, qui affecte leur durée de vie. Ce nouveau muscle en flexion à manchon est intégré dans une pince robotisée à trois doigts déclinée en deux versions qui démontrent des ratios charge/masse de 46 et 33.6, avec une durée de vie jusqu’à plus de 700 000 cycles. Une nouvelle application des pinces souples est proposée : le perchage de drones. La fissuration des muscles pneumatiques extensibles et en flexion est observée au microscope et répliquée sur un banc d’essai permettant d’évaluer les effets de la concentration de contrainte et de la déformation indépendamment, sur un échantillon d’élastomère. Ces analyses préliminaires démontrent un impact comparable des deux paramètres sur la durée de vie. Une nouvelle méthode de détection des fissures utilisant l’IRM est proposée, particulièrement intéressante pour la prévention des défaillances dans un manipulateur opérant dans l’IRM

Diseño y fabricación de un exoesqueleto movilizador amplificador de fuerza para rodilla

Según datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) del año 2020, en el rubro de discapacidad reporta que el 16.53% de la población presenta alguna limitación o discapacidad, de los cuales el 38.85% lo presenta para caminar; siendo en este grupo de personas loa limitación o discapacidad de mayor prevalencia. Los dos principales factores esta limitación o discapacidad para caminar esta relacionada con la enfermedad y la edad avanzada. Este trabajo presenta el diseño y fabricación de un modelo físico experimental (MFE) de un exoesqueleto movilizador amplificador de fuerza (EXOMAF) para la rodilla de dos grados de libertad (GDL). El diseño del EXOMAF es producto de la aplicación de una metodología enfocada en las necesidades del usuario y los requerimientos funcionales que satisfagan esas necesidades. Se validó parcialmente el EXOMAF comparando el rango de movilidad generadas por el EXOMAF contra los ángulos articulares reportados en la literatura, el rango de movimiento máximo del EXOMAF es de 135.21o, la fuerza que proporciona producto, del uso de resortes en su diseño para una caminata normal es del 15.5%, esta medición de fuerza se hizo de forma estática sin considerar la velocidad de marcha. Otro criterio que se utilizó para el diseño esta relacionado con el índice de diseño para el ensamblaje por sus siglas en inglés DFA Index, el cual indica lo fácil que puede ser ensamblar un componente y reducir sus costos de ensamble, en el caso del EXOMAF el DFA que se obtuvo es del 76.9%, la validación de la asistencia durante la marcha no se realizó debido a las restricciones sanitarias impuestas por las autoridades con motivo de la pandemia de Covid-19

Rehabilitation Engineering

Population ageing has major consequences and implications in all areas of our daily life as well as other important aspects, such as economic growth, savings, investment and consumption, labour markets, pensions, property and care from one generation to another. Additionally, health and related care, family composition and life-style, housing and migration are also affected. Given the rapid increase in the aging of the population and the further increase that is expected in the coming years, an important problem that has to be faced is the corresponding increase in chronic illness, disabilities, and loss of functional independence endemic to the elderly (WHO 2008). For this reason, novel methods of rehabilitation and care management are urgently needed. This book covers many rehabilitation support systems and robots developed for upper limbs, lower limbs as well as visually impaired condition. Other than upper limbs, the lower limb research works are also discussed like motorized foot rest for electric powered wheelchair and standing assistance device

Haptics: Science, Technology, Applications

This open access book constitutes the proceedings of the 13th International Conference on Human Haptic Sensing and Touch Enabled Computer Applications, EuroHaptics 2022, held in Hamburg, Germany, in May 2022. The 36 regular papers included in this book were carefully reviewed and selected from 129 submissions. They were organized in topical sections as follows: haptic science; haptic technology; and haptic applications

Spinoff 2010

Topics covered include: Burnishing Techniques Strengthen Hip Implants; Signal Processing Methods Monitor Cranial Pressure; Ultraviolet-Blocking Lenses Protect, Enhance Vision; Hyperspectral Systems Increase Imaging Capabilities; Programs Model the Future of Air Traffic Management; Tail Rotor Airfoils Stabilize Helicopters, Reduce Noise; Personal Aircraft Point to the Future of Transportation; Ducted Fan Designs Lead to Potential New Vehicles; Winglets Save Billions of Dollars in Fuel Costs; Sensor Systems Collect Critical Aerodynamics Data; Coatings Extend Life of Engines and Infrastructure; Radiometers Optimize Local Weather Prediction; Energy-Efficient Systems Eliminate Icing Danger for UAVs; Rocket-Powered Parachutes Rescue Entire Planes; Technologies Advance UAVs for Science, Military; Inflatable Antennas Support Emergency Communication; Smart Sensors Assess Structural Health; Hand-Held Devices Detect Explosives and Chemical Agents; Terahertz Tools Advance Imaging for Security, Industry; LED Systems Target Plant Growth; Aerogels Insulate Against Extreme Temperatures; Image Sensors Enhance Camera Technologies; Lightweight Material Patches Allow for Quick Repairs; Nanomaterials Transform Hairstyling Tools; Do-It-Yourself Additives Recharge Auto Air Conditioning; Systems Analyze Water Quality in Real Time; Compact Radiometers Expand Climate Knowledge; Energy Servers Deliver Clean, Affordable Power; Solutions Remediate Contaminated Groundwater; Bacteria Provide Cleanup of Oil Spills, Wastewater; Reflective Coatings Protect People and Animals; Innovative Techniques Simplify Vibration Analysis; Modeling Tools Predict Flow in Fluid Dynamics; Verification Tools Secure Online Shopping, Banking; Toolsets Maintain Health of Complex Systems; Framework Resources Multiply Computing Power; Tools Automate Spacecraft Testing, Operation; GPS Software Packages Deliver Positioning Solutions; Solid-State Recorders Enhance Scientific Data Collection; Computer Models Simulate Fine Particle Dispersion; Composite Sandwich Technologies Lighten Components; Cameras Reveal Elements in the Short Wave Infrared; Deformable Mirrors Correct Optical Distortions; Stitching Techniques Advance Optics Manufacturing; Compact, Robust Chips Integrate Optical Functions; Fuel Cell Stations Automate Processes, Catalyst Testing; Onboard Systems Record Unique Videos of Space Missions; Space Research Results Purify Semiconductor Materials; and Toolkits Control Motion of Complex Robotics

Designing wearable sensors for Preventative Health: An exploration of material, form and function

The financial burden on global healthcare systems has reached unprecedented levels and as a result, attention has been shifting from the traditional approach of disease management and treatment towards prevention (Swan, 2012). Wearable devices for Preventative Health have become a focus for innovation across academia and industry, thus this thesis explores the design of wearable biochemical and environmental sensors, which can provide users with an early warning, detection and monitoring system that could integrate easily into their existing lives. The research aims to generate new practical knowledge for the design and development of wearable sensors and, motivated by the identification of compelling design opportunities, merges three strands of enquiry. The research methodology supports this investigation into material, form and function through the use of key practice-based methods, which include Participatory Action Research (active immersion and participation in a particular community and user workshops) and the generation and evaluation of a diverse range of artefacts. Based on the user-centred investigation of the use case for biochemical and environmental sensing, the final collection of artefacts demonstrates a diverse range of concepts, which present biodegradable and recyclable nonwoven material substrates for the use in non-integrated sensors. These sensors can be skin-worn, body-worn or clothing-attached for in-situ detection and monitoring of both internal (from the wearer) and external (from the environment) stimuli. The research proposes that in order to engage a broad section of the population in a preventative lifestyle to significantly reduce the pressure on global healthcare systems, wearable sensors need to be designed so they can appeal to as many users as possible and integrate easily into their existing lifestyles, routines and outfits. The thesis argues that this objective could be achieved through the design and development of end-of-life considered and cost-effective substrate materials, non-integrated wearable form factors and meticulous consideration of a divergent range of user needs and preferences, during the early stages of design practice

Proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress

Published proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress, hosted by York University, 27-30 May 2018

Conception et validation d'un biomatériau hybride pour la régénération osseuse

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