Études d'ingénierie du ribozyme VS de Neurospora

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS.

Insights into the Specificity of Thioredoxin Reductase-Thioredoxin Interactions. A Structural and Functional Investigation of the Yeast Thioredoxin System

The enzymatic activity of thioredoxin reductase enzymes is endowed by at least two redox centers: a flavin and a dithiol/disulfide CXXC motif. The interaction between thioredoxin reductase and thioredoxin is generally species-specific, but the molecular aspects related to this phenomenon remain elusive. Here, we investigated the yeast cytosolic thioredoxin system, which is composed of NADPH, thioredoxin reductase (ScTrxR1), and thioredoxin 1 (ScTrx1) or thioredoxin 2 (ScTrx2). We showed that ScTrxR1 was able to efficiently reduce yeast thioredoxins (mitochondrial and cytosolic) but failed to reduce the human and Escherichia coli thioredoxin counterparts. To gain insights into this specificity, the crystallographic structure of oxidized ScTrxR1 was solved at 2.4 angstrom resolution. The protein topology of the redox centers indicated the necessity of a large structural rearrangement for FAD and thioredoxin reduction using NADPH. Therefore, we modeled a large structural rotation between the two ScTrxR1 domains (based on the previously described crystal structure, PDB code 1F6M). Employing diverse approaches including enzymatic assays, site-directed mutagenesis, amino acid sequence alignment, and structure comparisons, insights were obtained about the features involved in the species-specificity phenomenon, such as complementary electronic parameters between the surfaces of ScTrxR1 and yeast thioredoxin enzymes and loops and residues (such as Ser(72) in ScTrx2). Finally, structural comparisons and amino acid alignments led us to propose a new classification that includes a larger number of enzymes with thioredoxin reductase activity, neglected in the low/high molecular weight classification.

Triangular mesh parameterization with trimmed surfaces

Given a 2manifold triangular mesh \(M \subset {\mathbb {R}}^3\), with border, a parameterization of \(M\) is a FACE or trimmed surface \(F=\{S,L_0,\ldots, L_m\}\) -- \(F\) is a connected subset or region of a parametric surface \(S\), bounded by a set of LOOPs \(L_0,\ldots ,L_m\) such that each \(L_i \subset S\) is a closed 1manifold having no intersection with the other \(L_j\) LOOPs -- The parametric surface \(S\) is a statistical fit of the mesh \(M\) -- \(L_0\) is the outermost LOOP bounding \(F\) and \(L_i\) is the LOOP of the ith hole in \(F\) (if any) -- The problem of parameterizing triangular meshes is relevant for reverse engineering, tool path planning, feature detection, redesign, etc -- Stateofart mesh procedures parameterize a rectangular mesh \(M\) -- To improve such procedures, we report here the implementation of an algorithm which parameterizes meshes \(M\) presenting holes and concavities -- We synthesize a parametric surface \(S \subset {\mathbb {R}}^3\) which approximates a superset of the mesh \(M\) -- Then, we compute a set of LOOPs trimming \(S\), and therefore completing the FACE \(F=\ {S,L_0,\ldots ,L_m\}\) -- Our algorithm gives satisfactory results for \(M\) having low Gaussian curvature (i.e., \(M\) being quasi-developable or developable) -- This assumption is a reasonable one, since \(M\) is the product of manifold segmentation preprocessing -- Our algorithm computes: (1) a manifold learning mapping \(\phi : M \rightarrow U \subset {\mathbb {R}}^2\), (2) an inverse mapping \(S: W \subset {\mathbb {R}}^2 \rightarrow {\mathbb {R}}^3\), with \ (W\) being a rectangular grid containing and surpassing \(U\) -- To compute \(\phi\) we test IsoMap, Laplacian Eigenmaps and Hessian local linear embedding (best results with HLLE) -- For the back mapping (NURBS) \(S\) the crucial step is to find a control polyhedron \(P\), which is an extrapolation of \(M\) -- We calculate \(P\) by extrapolating radial basis functions that interpolate points inside \(\phi (M)\) -- We successfully test our implementation with several datasets presenting concavities, holes, and are extremely nondevelopable -- Ongoing work is being devoted to manifold segmentation which facilitates mesh parameterization

Role of phospholipase A(2) and tyrosine kinase in Clostridium difficile toxin A-induced disruption of epithelial integrity, histologic inflammatory damage and intestinal secretion

Clostridium difficile-associated disease causes diarrhea to fulminant colitis and death. We investigated the role of phospholipase A(2) (PLA(2)) inhibitors, aristolochic acid (AA), bromophenacyl bromide BPB and quinacrine (QUIN) on the C. difficile toxin A-induced disruption of epithelial integrity, histologic inflammatory damage and intestinal secretion. Toxin A caused severe hemorrhagic and inflammatory fluid secretion at 6-8 h in rabbit ileal segments, an effect that was significantly inhibited by QUIN (71%, P < 0.01), AA (87%, P < 0.0001) or by BPB (51%, P < 0.01). The secretory effect of toxin A was also inhibited in segments adjacent to those with AA (89%, P < 0.01). Furthermore, QUIN or AA substantially reduced the histologic damage seen after 6-8 h in rabbit ileal segments. The cyclooxygenase inhibitor, indomethacin, also significantly inhibited (96%; n = 6) the secretory effects of toxin A in ligated rabbit intestinal segments. The destruction by toxin A of F-actin at the light junctions of T-84 cell monolayers was not inhibited by AA or BPB. AA or QUIN had no effect on the T-84 cell tissue resistance reduction over 8-24 h after toxin A exposure. All the inhibitors were shown to be effective in the doses administered direct in ileal loops to inhibit PLA(2) activity. The data suggest that PLA(2) is involved in the major pathway of toxin A-induced histologic inflammatory damage and hemorrhagic fluid secretion. Cop. right (C) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

Unpolarized transverse momentum dependent parton distribution and fragmentation functions at next-to-next-to-leading order

The transverse momentum dependent parton distribution/fragmentation functions (TMDs) are essential in the factorization of a number of processes like Drell-Yan scattering, vector boson production, semi-inclusive deep inelastic scattering, etc. We provide a comprehensive study of unpolarized TMDs at next-to-next-to-leading order, which includes an explicit calculation of these TMDs and an extraction of their matching coefficients onto their integrated analogues, for all flavor combinations. The obtained matching coefficients are important for any kind of phenomenology involving TMDs. In the present study each individual TMD is calculated without any reference to a specific process. We recover the known results for parton distribution functions and provide new results for the fragmentation functions. The results for the gluon transverse momentum dependent fragmentation functions are presented for the first time at one and two loops. We also discuss the structure of singularities of TMD operators and TMD matrix elements, crossing relations between TMD parton distribution functions and TMD fragmentation functions, and renormalization group equations. In addition, we consider the behavior of the matching coefficients at threshold and make a conjecture on their structure to all orders in perturbation theory.

Estimação e compensação de não linearidades inerentes aos atuadores dos processos industriais

The oscillations presents in control loops can cause damages in petrochemical industry. Canceling, or even preventing such oscillations, would save up to large amount of dollars. Studies have identified that one of the causes of these oscillations are the nonlinearities present on industrial process actuators. This study has the objective to develop a methodology for removal of the harmful effects of nonlinearities. Will be proposed an parameter estimation method to Hammerstein model, whose nonlinearity is represented by dead-zone or backlash. The estimated parameters will be used to construct inverse models of compensation. A simulated level system was used as a test platform. The valve that controls inflow has a nonlinearity. Results and describing function analysis show an improvement on system response

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

UPGRADING AN INTERMITTENT & BRANCHED WATER NETWORK TO A CONTINUOUS & LOOPED NETWORK: A CASE STUDY IN COASTAL PERU

This case study sought to determine how the potable water network of Cerro Prieto, Peru could be improved. The network as it exists now is branched and operated intermittently, exposing residents to water contamination risks and inconvenience. Using EPANET, it was found that the as-built network can support continuous water service, all points could stay over 10 psi, and the current water consumption rate could be maintained. To keep all points over 20 psi, the height of elevated water tank must be increased 6 feet, and the pump switched on whenever the tank drains. It was also found that almost the entire community would benefit from several possible closed loops in the network, but the high cost gives downstream loops higher priority. Due to the scarcity of water in the region, the first action must be assessing the well capacity, and a water conservation plan that may include water meters.

Optimization of Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance in Different Media

A wide range of non-destructive testing (NDT) methods for the monitoring the health of concrete structure has been studied for several years. The recent rapid evolution of wireless sensor network (WSN) technologies has resulted in the development of sensing elements that can be embedded in concrete, to monitor the health of infrastructure, collect and report valuable related data. The monitoring system can potentially decrease the high installation time and reduce maintenance cost associated with wired monitoring systems. The monitoring sensors need to operate for a long period of time, but sensors batteries have a finite life span. Hence, novel wireless powering methods must be devised. The optimization of wireless power transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance (SCMR) to sensors embedded in concrete is studied here. First, we analytically derive the optimal geometric parameters for transmission of power in the air. This specifically leads to the identification of the local and global optimization parameters and conditions, it was validated through electromagnetic simulations. Second, the optimum conditions were employed in the model for propagation of energy through plain and reinforced concrete at different humidity conditions, and frequencies with extended Debye's model. This analysis leads to the conclusion that SCMR can be used to efficiently power sensors in plain and reinforced concrete at different humidity levels and depth, also validated through electromagnetic simulations. The optimization of wireless power transmission via SMCR to Wearable and Implantable Medical Device (WIMD) are also explored. The optimum conditions from the analytics were used in the model for propagation of energy through different human tissues. This analysis shows that SCMR can be used to efficiently transfer power to sensors in human tissue without overheating through electromagnetic simulations, as excessive power might result in overheating of the tissue. Standard SCMR is sensitive to misalignment; both 2-loops and 3-loops SCMR with misalignment-insensitive performances are presented. The power transfer efficiencies above 50% was achieved over the complete misalignment range of 0°-90° and dramatically better than typical SCMR with efficiencies less than 10% in extreme misalignment topologies.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Molecular Origins of Higher Harmonics in Large-Amplitude Oscillatory Shear Flow: Shear Stress Response

Recent work has focused on deepening our understanding of the molecular origins of the higher harmonics that arise in the shear stress response of polymeric liquids in large-amplitude oscillatory shear flow. For instance, these higher harmonics have been explained by just considering the orientation distribution of rigid dumbbells suspended in a Newtonian solvent. These dumbbells, when in dilute suspension, form the simplest relevant molecular model of polymer viscoelasticity, and this model specifically neglects interactions between the polymer molecules [R.B. Bird et al., J Chem Phys, 140, 074904 (2014)]. In this paper, we explore these interactions by examining the Curtiss-Bird model, a kinetic molecular theory designed specifically to account for the restricted motions that arise when polymer chains are concentrated, thus interacting and specifically, entangled. We begin our comparison using a heretofore ignored explicit analytical solution [Fan and Bird, JNNFM, 15, 341 (1984)]. For concentrated systems, the chain motion transverse to the chain axis is more restricted than along the axis. This anisotropy is described by the link tension coefficient, ε, for which several special cases arise: ε = 0 corresponds to reptation, ε > 1/8 to rod-climbing, 1/2 ≥ ε ≥ 3/4 to reasonable predictions for shear-thinning in steady simple shear flow, and ε = 1 to the dilute solution without hydrodynamic interaction. In this paper, we examine the shapes of the shear stress versus shear rate loops for the special cases ε = (0,1/8, 3/8,1) , and we compare these with those of rigid dumbbell and reptation model predictions.

Integrated CoPtP permanent magnets for MEMS electromagnetic energy harvesting applications

This work reports the development of integrated Co rich CoPtP hard magnetic material for MEMS applications such as Electromagnetic Vibration Energy Harvesting. We report a new method of electrodeposition compared to the conventional DC plating, involving a combination of forward and reverse pulses for optimized deposition of Co rich CoPtP hard magnetic material. This results in significant improvements in the microstructure of the developed films as the pulse reverse plated films are smooth, stress free and uniform. Such improvements in the structural properties are reflected in the hard magnetic properties of the material as well. The intrinsic coercivities of the pulse reverse deposited film are more than 6 times higher for both in-plane and out-of-plane measurement directions and the squareness of the hysteresis loops also improve due to the similar reasons.

tRNA anticodon loop modifications ensure protein homeostasis and cell morphogenesis in yeast

Using budding yeast, we investigated a negative interaction network among genes for tRNA modifications previously implicated in anticodon-codon interaction: 5-methoxy-carbonyl-methyl-2-thio-uridine (mcm5s2U34: ELP3, URM1), pseudouridine (Ψ38/39: DEG1) and cyclic N6-threonyl-carbamoyl-adenosine (ct6A37: TCD1). In line with functional cross talk between these modifications, we find that combined removal of either ct6A37 or Ψ38/39 and mcm5U34 or s2U34 results in morphologically altered cells with synthetic growth defects. Phenotypic suppression by tRNA overexpression suggests that these defects are caused by malfunction of tRNALysUUU or tRNAGlnUUG, respectively. Indeed, mRNA translation and synthesis of the Gln-rich prion Rnq1 are severely impaired in the absence of Ψ38/39 and mcm5U34 or s2U34, and this defect can be rescued by overexpression of tRNAGlnUUG. Surprisingly, we find that combined modification defects in the anticodon loops of different tRNAs induce similar cell polarity- and nuclear segregation defects that are accompanied by increased aggregation of cellular proteins. Since conditional expression of an artificial aggregation-prone protein triggered similar cytological aberrancies, protein aggregation is likely responsible for loss of morphogenesis and cytokinesis control in mutants with inappropriate tRNA anticodon loop modifications.

La régulation de la transcription dans les cellules cancéreuses

La chromatine eucaryote, contenant l’ADN et de nombreuses protéines de liaison, subit une compaction dynamique et fonctionnelle à de multiples échelles, nécessaire pour la régulation de nombreux processus biologiques comme l’expression génique. Afin de définir et maintenir les fonctions cellulaires, les protéines de la régulation transcriptionnelle et de la régulation de la structure chromatinienne agissent de concert pour orchestrer les programmes d’expression génique des cellules. Les facteurs de transcription opèrent de manière combinée et hiérarchique au niveau de nombreux éléments régulateurs, dont le fonctionnement est complexe et intégré, capables de générer de larges boucles topologiques pour réguler spécifiquement un promoteur cible à un moment précis. Le co-activateur transcriptionnel Mediator sert de centre d’interprétation, en connectant physiquement les régulateurs de la transcription à la machinerie transcriptionnelle, pour générer une réponse calibrée. Le complexe de maintenance de la structure des chromosomes, Cohesin, est impliqué dans la formation et la stabilisation des connexions génomiques à l’échelle de nombreuses structures chromatiniennes tri-dimensionnelles dont la caractérisation fonctionnelle commence à être explorée. Ensemble, les facteurs de transcription, Mediator et Cohesin contrôlent l’expression des programmes responsables du maintien de l’identité cellulaire. Les cellules cancéreuses présentent de nombreuses dérégulations au niveau transcriptionnel, et donc un programme d’expression aberrant. Nous avons démontré que les mécanismes de régulation qui contrôlent les cellules cancéreuses sont conservés, et proposons une stratégie qui permette de révéler les facteurs clefs dans la progression tumorale. Nous avons appliqué cette stratégie à la problématique de la résistance endocrinienne dans la progression du cancer du sein hormono-dépendant. Les résultats obtenus suggèrent que le complexe transcriptionnel AP-1 pourrait être impliqué dans l’acquisition et/ou le maintien de la résistance, en réponse aux pressions de sélection induites par les traitements hormonaux. Nous proposons une adaptation progressive et agressive des cellules cancéreuses par re-hiérarchisation des facteurs clefs qui contrôlent sa croissance.

Mechanical design and hybrid control strategies for overconstrained cable-driven parallel robots

Cable-driven parallel robots offer significant advantages in terms of workspace dimensions and payload capability. They are attractive for many industrial tasks to be performed on a large scale, such as handling and manufacturing, without a substantial increase in costs and mechanical complexity with respect to a small-scale application. However, since cables can only sustain tensile stresses, cable tensions must be kept within positive limits during the end-effector motion. This problem can be managed by overconstraining the end-effector and controlling cable tensions. Tension control is typically achieved by mounting a load sensor on all cables, and using specific control algorithms to avoid cable slackness or breakage while the end-effector is controlled in a desired position. These algorithms require multiple cascade control loops and they can be complex and computationally demanding. To simplify the control of overconstrained cable-driven parallel robots, this Thesis proposes suitable mechanical design and hybrid control strategies. It is shown how a convenient design of the cable guidance system allows kinematic modeling to be simplified, without introducing geometric approximations. This guidance system employs swiveling pulleys equipped with position and tension sensors and provides a parallelogram arrangement of cables. Furthermore, a hybrid force/position control in the robot joint space is adopted. According to this strategy, a particular set of cables is chosen to be tension-controlled, whereas the other cables are length-controlled. The force-controlled cables are selected based on the computation of a novel index called force-distribution sensitivity to cable-tension errors. This index aims to evaluate the maximum expected cable-tension error in the length-controlled cables if a unit tension error is committed in the force-controlled cables. In practice, the computation of the force-distribution sensitivity allows determining which cables are best to be force-controlled, to ensure the lowest error in the overall force distribution when a hybrid force/position joint-space strategy is used.