TENDENCIAS INVESTIGATIVAS EN EL DESARROLLO DE PRODUCTOS MECATRONICOS EN LA ACTUALIDAD (RESEARCH TRENDS IN THE MECHATRONIC PRODUCTS DEVELOPMENT CURRENTLY)

Resumen La mecatrónica es un campo interdisciplinario de ciencias de la ingeniería caracterizado por la integración e interconexión entre la ingeniería mecánica, la ingeniería eléctrica y la informática. Los productos mecatrónicos son en su mayoría estructuralmente complejos, pero son una solución óptima para muchos campos de la Industria como la medicina, la agricultura, la agroindustria entre otros. Este artículo tiene como objetivo principal identificar las tendencias investigativas en los proyectos mecatrónicos NPD en la actualidad. Para ello se hace una revisión bibliográfica, citando trabajos importantes en el área a partir del año 2017 y abordando el objetivo principal de cada investigación, para así agruparlas en enfoques e identificar las tendencias investigativas actualmente. Al final se puede concluir que la tendencia es reducir el costo total en un producto mecatrónico, así como de comenzar a adaptar los conceptos de las nuevas tecnologías de la Industria 4.0 (I4.0) a los proyectos de desarrollo de nuevos productos mecatrónicos (NPD). Palabras Clave: Enfoques investigativos, NPD, proyecto mecatrónico, tendencia investigativa. Abstract Mechatronics is an interdisciplinary field of engineering sciences characterized by the integration and interconnection between mechanical engineering, electrical engineering, and computer science. Mechatronic products are mostly structurally complex, but they are an optimal solution for many fields of Industry such as medicine, agriculture, agroindustry among others. The main objective of this paper is to identify research trends in the development of mechatronics products today. To meet this objective, a bibliographic review is made, citing important works in the area from 2017 on and addressing the main objective of each investigation in order to group them into approaches and identify current investigative trends. In the end, it can be concluded that the trend is to reduce the total cost of a mechatronic product, as well as to begin to adapt the concepts of the new technologies of Industry 4.0 (I4.0) to mechatronic NPD (new project development) projects. Keywords: investigative approaches, NPD, Mechatronic Project, Research trend

A Fuzzy-based Framework to Support Multicriteria Design of Mechatronic Systems

Designing a mechatronic system is a complex task since it deals with a high number of system components with multi-disciplinary nature in the presence of interacting design objectives. Currently, the sequential design is widely used by designers in industries that deal with different domains and their corresponding design objectives separately leading to a functional but not necessarily an optimal result. Consequently, the need for a systematic and multi-objective design methodology arises. A new conceptual design approach based on a multi-criteria profile for mechatronic systems has been previously presented by the authors which uses a series of nonlinear fuzzy-based aggregation functions to facilitate decision-making for design evaluation in the presence of interacting criteria. Choquet fuzzy integrals are one of the most expressive and reliable preference models used in decision theory for multicriteria decision making. They perform a weighted aggregation by the means of fuzzy measures assigning a weight to any coalition of criteria. This enables the designers to model importance and also interactions among criteria thus covering an important range of possible decision outcomes. However, specification of the fuzzy measures involves many parameters and is very difficult when only relying on the designer's intuition. In this paper, we discuss three different methods of fuzzy measure identification tailored for a mechatronic design process and exemplified by a case study of designing a vision-guided quadrotor drone. The results obtained from each method are discussed in the end

Concurrent, Integrated and Multicriteria Design Support for Mechatronic Systems

RÉSUMÉ Les systèmes mécatroniques sont une combinaison coopérative de composantes mécaniques, électroniques, de contrôle et logiciels. Dans les dernières décennies, Ils ont trouvé diverses applications dans l'industrie et la vie quotidienne. En raison de leur aspect multi-physique, du nombre élevé de leurs composantes et des interconnexions dynamiques entre les différents domaines impliqués dans leur fonctionnement, les dispositifs mécatroniques sont souvent considérés comme hautement complexes ce qui rend la tâche de les concevoir très difficile pour les ingénieurs. Cette complexité inhérente a attiré l’attention de la communauté de recherche en conception, en particulier dans le but d’atteindre une conception optimale des systèmes multi-domaines. Ainsi, cette thèse, représente une recherche originale sur le développement d'un paradigme de conception systématique, intégrée et multi-objectifs pour remplacer l'approche de conception séquentielle traditionnelle qui tend à traiter les différents domaines de la mécatronique séparément. Dans le but d'augmenter l'efficacité, la fiabilité, la facilité de contrôle et sa flexibilité, tout en réduisant la complexité et le coût effectif, ainsi que l'intégration systèmes, cette thèse présente de nouvelles approches pour la conception concurrente et optimale des systèmes mécatroniques aux stades de design conceptuel et détaillé. Les modèles mathématiques et les fondements qui soutiennent cette pensée sont présentés dans cette thèse. Les contributions des travaux de recherche de ce doctorat ont commencé par l'introduction d'un vecteur d'indices appelé le profile mécatronique multicritère (PMM) utilisé pour l'évaluation des concepts lors de la conception des systèmes mécatroniques. Les intégrales floues non linéaires de la théorie de décisions multicritères sont utilisées pour agréger les critères de conception et pour gérer les interactions possibles entre elles. Ensuite, une méthodologie de conception conceptuelle systématique est proposée et formulée. Le soutien à l'intégration d'outils d’aide à la décision multicritère dans le processus de conception est un autre objectif de cette thèse où un certain nombre de cadres de travail sont proposés pour aider les ingénieurs concepteurs à évaluer l’importance de certains critères et des paramètres d'interaction. Ces cadres de travail ne s'appliquent pas uniquement l'évaluation de la conception et de la conception optimales, mais aussi à la détermination des possibles façons d'améliorer les concepts développés. Des méthodes basées sur l’exploitation de données ainsi que des algorithmes d'optimisation sémantique sont utilisées pour identifier les paramètres flous avec le peu d’information disponibles sur les différents choix de concepts et les préférences des concepteurs.----------ABSTRACT Mechatronic systems are a combination of cooperative mechanical, electronics, control and software components. They have found vast applications in industry and everyday life during past decades. Due to their multi-physical aspect, the high number of their components, and the dynamic inter-connections between the different domains involved, mechatronic devices are often considered to be highly complex which makes the design task very tedious and non-trivial. This inherent complexity, has attracted a great deal of attention in the research community, particularly in the context of optimal design of multi-domain systems. To this end, the present thesis represents an original investigation into the development of a systematic, integrated and multi-objective design paradigm to replace the traditional sequential design approach that tends to deal with the different domains separately. With the aim of increasing efficiency, reliability, controllability and flexibility, while reducing complexity and effective cost, and finally facilitating system integration, this thesis presents new approaches towards concurrent and optimal design of mechatronic systems in conceptual and detailed design stages. The mathematical models and foundations which support this thinking are presented in the thesis. The contributions of our research work start with introducing an index vector called Mechatronic Multi-criteria Profile (MMP) used for concept evaluation in design of mechatronic systems. Nonlinear fuzzy integrals from multicriteria decision theory are utilized to aggregate design criteria and for handling possible interactions among them. Then, a systematic conceptual design methodology is proposed and formulated. Supporting the incorporation of multicriteria decision making tools into the design process, is another focus of this work where a number of frameworks are proposed to help the designers with assessment of criteria importance and interaction parameters. These frameworks are not only applicable in optimal design and design evaluation procedures, but also for determining possible ways for design improvements. Both data-driven methods as well as semantic-based optimization algorithms are used to identify the fuzzy parameters with limited available information about the design alternatives and designer preferences. Moreover, a fuzzy-based multi-objective approach has been undertaken for proposing and formulating a detailed design methodology. A unified performance evaluation index is introduced by the means of Choquet integrals and then optimized using a constrained particle swarm optimization (PSO) algorithm

Design et développement d’un quadrirotor joueur de tennis de table avec des hélices inclinables

RÉSUMÉ Les bras manipulateurs joueurs de tennis de table les plus avancés sont chers et leur configuration requière beaucoup d’espace. On pourrait considérer l’utilisation de robots aériens pour exécuter cette tâche, mais la plupart des avions à décollage et atterrissage verticales (ADAV) ne sont pas suffisamment rapides pour reproduire des mouvements de frappes. L’objectif de la recherche présentée dans ce mémoire est de développer un nouveau type de robot aérien joueur de tennis de table. Un prototype de quadrirotor ayant des hélices inclinables est d’abord considéré pour permettre de suivre des trajectoires agressives. Le robot a besoin d’atteindre des vitesses de 3.5 m/s au point d’impact et de rester suffisamment léger pour être agile. Ensuite, pour obtenir de hautes performances sur ce requis, un contrôleur Itérative Linéaire Quadratique Régulateur (iLQR) qui suit des trajectoires ayant un snap minimum est implémenté. Le contrôle de la boucle interne est délégué à un microcontrôleur PX4 pour le tangage, le lacet et le roulis pour assurer une bonne robustesse et une haute fréquence. Cette approche est testée dans une simulation réaliste et ensuite le framework complet pour cette application est développer sur un ordinateur embarqué. Des résultats expérimentaux ont été obtenus avec des caméras de capture de mouvements donnant la position et le temps d’impact. Cette information est envoyée au quadrirotor par communication sans-fil et la trajectoire est exécutée immédiatement. Au meilleur de nos connaissances, il s’agit du premier robot aérien étant capable de retourner des balles de tennis de table lancées par un humain. Un taux de succès de 40% est obtenu sur les frappes avec le modèle réel du quadrirotor, significativement supérieur à ce qui était possible d’atteindre auparavant avec un quadrirotor.----------ABSTRACT State-of-art table tennis robot manipulators are expensive and their setup require a lot of space. One could consider using aerial robots for this task, but most vertical takeoff and landing (VTOL) vehicles are not fast enough to reproduce hitting motions. The objective of the research presented in this thesis is to develop a novel type of aerial robot tennis table player. A prototype of a quadrotor that uses tilting propellers is first considered to enable the possibility of aggressive trajectory tracking. The system needs to reach speeds up to 3.5 m/s at the position of impact and to remain light enough to be agile. Next, to obtain high performances for this requirement, an Iterative Quadratic Linear Controller (iLQR) method that follows minimum snap planned trajectories is implemented. Inner-loop control is delegated to a PX4 microcontroller for roll, pitch and yaw to ensure good robustness and high frequency. This approach is tested in a realistic simulation and then the complete software for this task is developed on an onboard computer. Experimental results have been conducted with a motion capture system to have the full state estimate of the system. The trajectory of the ball is also estimated by the motion capture system, giving the position and time of impact. This information is then sent to quadrotor wirelessly and the trajectory is executed immediately. To the best of our knowledge, this is the first aerial robot capable to return tennis table balls thrown by a human. Hitting rates of 40% are achieved with the real quadrotor, significantly better than what was possible before for a quadrotor

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

Conception d’un quadrirotor à rotors inclinables pour le suivi de trajectoires agressives

RÉSUMÉ Les quadrirotors sont des plateformes robotiques aériennes peu coûteuses et agiles. Plusieurs applications sont envisageables avec ces robots tels que l’exploration des mines ou les opérations de reconnaissance et sauvetage. Ces missions nécessitent de naviguer dans des environnements encombrés et imprédictibles. Le véhicule utilisé doit pouvoir éviter rapidement des obstacles tout en circulant à haute vitesse. Le quadrirotor étant sous-actionné est limité dans son agressivité puisqu’il doit s’incliner avant d’accélérer. De plus, les contrôleurs conventionnels utilisés ne prédisent pas le comportement qu’aura le véhicule durant la trajectoire en utilisant sa dynamique ce qui l’empêche de planifier assidument les manœuvres complexes. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce mémoire est de s’affranchir de ces deux limitations en développant un quadrirotor capable d’incliner ses moteurs pour accélérer plus rapidement et d’utiliser un contrôleur prédictif pour le suivi de trajectoire. Plus spécifiquement, une modification au design conventionnel du quadrirotor est proposée par l’ajout d’un seul actuateur pour permettre des manœuvres agressives dans un seul axe. Puis, un ILQR qui est un contrôleur prédictif sans optimisation numérique, est développé. Celui-ci tient compte de l’état à jour du quadrirotor pour la linéarisation et la résolution du problème de contrôle optimal. En premier lieu, le modèle dynamique du quadrirotor à moteurs inclinables est présenté. Puis, une loi de contrôle basé sur un schéma de contrôle en cascade avec une boucle régulant la dynamique en translation à l’aide d’un ILQR et une autre la dynamique en rotation avec un régulateur PD sont implémentées. Ensuite, la solution proposée est testée en simulation et comparée aux approches conventionnelles tant en termes de conception mécanique qu’en asservissement. L’erreur en suivi de trajectoire est diminuée de plus de 1483% avec un impact supérieur de l’ajout de l’inclinaison des moteurs. Enfin, un prototype expérimental est conçu avec des pièces électroniques et mécaniques standards et largement accessibles. La différence entre le design conventionnel et le quadrirotor à moteurs inclinables est étudiée sur des trajectoires agressives. L’erreur diminue de plus de 26% avec l’ajout d’un actionneur alors qu’en simulation pour la même trajectoire l’erreur diminue de 38% ce qui indique que la même tendance est conservée.----------ABSTRACT Quadrotors are cost-effective and agile aerial robotic platforms. Numerous applications are possible with these robots like mines exploration or search and rescue operations. Nevertheless, these missions require navigating through cluttered and unpredictable environments. The vehicle used for these operations must be able to avoid newly located obstacles fast while travelling at high speeds for time critical missions. Quadrotors are underactuated systems and therefore limited in their overall maneuvers because they need to tilt their whole body before accelerating in a direction. Also, conventional controllers used with these systems don’t predict the behavior of the vehicle during a trajectory by using the systems dynamics which prevents them from planning diligently complex maneuvers. In this context, the main objective of this master thesis is to mitigate these two limitations by developing a quadrotor able to tilt his motors thrust to accelerate faster and to use a predictive controller for the trajectory tracking problem. Specifically, a modification to the conventional quadrotor mechanical system is proposed by adding a single actuator to enable aggressive motions in a single axis. Then, an ILQR, which is a predictive controller and does not require parameter optimization, is developed. The latter is a state- dependent controller who behaves as a nonlinear controller by considering the known updated state of the vehicle to solve the optimal control problem. First, the dynamic model of the quadrotor with tilting motors is found. Then, a control law based on a cascade control scheme with a loop for the translational dynamics regulated by an ILQR controller and another loop for the rotational dynamics with a PD controller is implemented. Afterwards, the proposed solution is tested in simulations and compared with conventional approaches in terms of mechanical design and control. Trajectory tracking error is reduced by more than 1483% with the tilting motors modification having a superior impact on performance. Finally, an experimental prototype is designed with standard electronic and mechanical pieces available off-the-shelf. The difference between the conventional design and the quadrotor with tilting motors is studied on this custom-made quadrotor on aggressive trajectories. The error has decreased by more than 26% by adding an actuator while in simulation for the same trajectory this error decrease by 38% which indicates that the same trend is maintained

Guidage et planification réactive de trajectoire d’un drone monoculaire contrôlé par intelligence artificielle

RÉSUMÉ Le problème de guidage autonome est un domaine de recherche en constante évolution. La popularisation des drones a étendu ce domaine de recherche au cours des dernières années. La nature de ce type d’engins amène plusieurs nouveaux défis à surmonter, notamment en lien avec la variété d’environnements auxquels ils peuvent être confrontés. Contrairement aux voitures autonomes, les drones se retrouvent souvent dans des milieux inconnus non cartographiés et dépourvus de signal GPS. De nouvelles méthodes ont donc été développées pour mitiger ces défis. Les solutions au problème de guidage autonome dans la littérature peuvent dans ce mémoire de maîtrise être classées dans deux catégories : le guidage réactif localement à des fins d’exploration et le guidage orienté. La première catégorie regroupe les solutions de guidage local d’engins naviguant sans destination précise alors que la seconde regroupe celles de guidage tentant d’atteindre une destination. Les deux catégories de guidage en milieu inconnu utilisent majoritairement des approches incluant l’apprentissage par renforcement ainsi que l’apprentissage par imitation. Cependant, peu d’études abordent le problème de guidage orienté dans des environnements complexes de grandeur nature. L’objectif de ce projet de recherche est donc de concevoir un agent intelligent capable d’imiter la logique de guidage d’un humain dans un environnement inconnu complexe en se basant sur la vision de profondeur et une estimation de sa destination. Une approche utilisant l’apprentissage par imitation est employée pour minimiser les coûts et les temps de calcul. Un environnement de simulation sophistiqué est donc mis sur place afin de créer un ensemble de données pour l’entraînement par imitation. L’ensemble de données qui a été créé comporte 624 trajectoires parmi 9 environnements différents effectuées par un expert suboptimal pour un total de 296 466 paires d’entraînement. L’attributif suboptimal est employé pour qualifier l’humain à imiter puisque ce dernier devra dresser les trajets au meilleur de ses capacités sans avoir recours à des algorithmes de planification de trajectoire optimale. Un modèle de classification capable de prédire la prochaine commande de guidage à effectuer compte tenu des observations actuelles et précédentes a été implémenté. Le modèle est entraîné à encoder une représentation de l’image de profondeur obtenue à partir de l’image RGB ainsi qu’une représentation des coordonnées relative à sa destination. Ces représentations sont traitées par un réseau récurrent à mémoire court et long terme («Long Short-Term Memory» ou LSTM) ainsi qu’un perceptron multicouches («Multilayer Perceptron» ou MLP) afin de prédire la direction à emprunter. Une fonction coût adaptée au problème ainsi que des techniques d’augmentation de l’ensemble de données sont incorporées lors de l’entraînement afin d’améliorer la précision du modèle en validation et en test. Une recherche d’hyperparamètres de type grid search a été effectuée afin de sélectionner le meilleur modèle selon la précision obtenue sur l’ensemble de données de test. Des précisions entre 77.10% et 82.59% ont été atteintes indiquant un impact significatif des méthodes d’augmentation de l’ensemble de données.----------ABSTRACT The autonomous guidance field is a continuously evolving research topic. The popularization of micro aerial vehicles such as quadcopters has contributed to the expansion of this research topic. Because of the wide range of different environments they can navigate into, quadcopters have many challenges on their own. In contrast with autonomous cars, quadcopters will most likely navigate more often in unknown environments with limited or no GPS service. New methods for autonomous guidance were needed for quadcopters. The literature review reveals two main categories relevant to the autonomous guidance problem: locally passive-reactive guidance and oriented guidance. The former includes all forms of guidance not aiming for a specific target while the latter focuses on reaching a destination. Both categories are considering guidance in unknown environments and use mostly reinforcement learning or imitation learning as a solving method. However, most of the studies on autonomous oriented guidance are not executed in a full size, complex environment setting. The objective of this research project is to create an intelligent agent capable of imitating a human guidance policy in a complex and unknown environment based on a depth map image and relative goal inputs. Considering the lower cost in development and computation time, the imitation learning approach was chosen. A sophisticated simulation environment was set up to create an imitation learning datasets. A total of 624 suboptimal demonstration paths from 9 different 3D environments were gathered, which represent 296 466 learning pairs. The demonstrations are qualified as suboptimal since the expert is a human trying its best to solve the guidance problem without any optimal planners. A classification model was introduced for predicting the appropriate guidance command based on the observations over time. The model learned a meaningful representation of its inputs which can be processed by a long short-term memory network (LSTM) followed by a fully connected network. In this way, the depth image obtained from the RGB original image along with the relative coordinates to the destination are converted into a guidance command at each time step. In order to improve the classification accuracy on the test set, a custom loss function and data augmentation techniques were implemented. A grid search over possible combination of dataset augmentation proportions was conveyed to optimize the hyperparameters. Accuracy ranging between 77.10% and 82.59% were obtained for this experiment, revealing a significant dependency to the augmentation technique