Le thème central de cette thèse est la conception d’actionneurs doux à partir de matériaux intelligents et d’une prothèse de main robotique souple. Notre approche prends en compte les différents points qui peuvent influer sur le développement d’une stratégie d’actionnement ou d’un muscle artificiel : i) Les mécanismes et la fonctionnalité de la main humaine afin d’identifier les exigences fonctionnelles pour une prothèse de main robotique en matière de préhension. ii) L’analyse et l’amélioration des mécanismes de la main robotique pour intégrer un comportement souple dans la prothèse. iii) L’évaluation expérimentale de la prothèse de main robotique afin d’identifier les spécifications du système d’actionnement nécessaire au fonctionnement cinématique et dynamique du robot. iv) Le développement et la modélisation d’une stratégie d’actionnement utilisant des matériaux intelligents.Ces points sont abordés successivement dans les 4 chapitres de cette thèse1. Analyse du mouvement de la main humaine pour l’identification des exigences technologiques pour la prothèse de main robotique.2. Conception et modélisation de la prothèse de main robotique à comportement souple.3. Evaluation mécatronique de la prothèse de main.4. Conception d’un muscle artificiel basé sur des matériaux intelligents. / In the field of robotic hand prosthesis, the use of smart and soft materials is helpful in improving flexibility, usability, and adaptability of the robots, which simplify daily living activities of prosthesis users. However, regarding the smart materials for artificial muscles, technologies are considered to be far from implementation in anthropomorphic robotic hands. Therefore, the target of this thesis dissertation is to reduce the gap between smart material technologies and robotic hand prosthesis. Five central axes address the problem: i)identification of useful grasping gestures and reformulation of the robotic hand mechanism, ii) analysis of human muscle behavior to mimic human grasping capabilities, iii) modeling robot using the hybrid model DHKK-SRQ for the kinematics and the virtual works principle for dynamics, iv) definition of actuation requirements considering the synergy between prehension conditions and robot mechanism, and v) development of a smart material based actuation system.This topics are addressed in four chapters:1. Human hand movement analysis toward the hand prosthesis requirements2. Design and modeling of the soft robotic hand ProMain-I3. Mechatronic assessment of Prosthetic hand4. Development of an artificial muscle based on smart materials

Une maladie appelée cholestéatome affecte l'oreille moyenne, en absence de traitement, elle pourrait conduire à des complications graves. Le seul traitement dans la pratique médicale actuelle est une procédure chirurgicale. Les incidences de cholestéatome résiduelle ou récurrente sont élevés et le patient doit subir plus d'une intervention chirurgicale. Par conséquent, un système robotique original a été proposé pour d'éliminer l'incidence du cholestéatome résiduel en enlevant efficacement toutes les cellules infectées de la première intervention chirurgicale, et de faire une chirurgie moins invasive. Ainsi, ce manuscrit montre les différents défis auxquels fait face le chirurgien à travers une telle micro-procédure. Il est également défini le cahier de charge pour la réalisation d'un système futuriste dédié à la chirurgie du cholestéatome. En outre, un contrôleur est proposé comme un première étape vers le système idéal. Un tel contrôleur permet de guider un outil chirurgical rigide afin de suivre un chemin de référence sous les contraintes du trou d'incision. Le contrôleur proposé peut guider soit un outil droit, soit un outil courbe. En effet, le contrôleur proposé est une commande de haut niveau qui es formulé dans l'espace de tâche (ou espace Cartésien). Ce contrôleur est une couche modulaire qui peut être ajoutée à différentes structures robotiques. Le contrôleur proposé a montré de bons résultats en termes de précision tout en étant évalué sur un robot parallèle et un robot en série. / A disease called cholesteatoma affects the middle ear, in the absence of treatment, it could lead to serious complications. The only treatment in current medical practice is a surgical procedure. Incidences of residual or recurrent cholesteatoma are high and the patient may have more than one surgical procedure. Therefore, a novel robotic system was proposed to eliminate the incidence of residual cholesteatoma by removing efficiently all infected cells from the first surgery, and make a less invasive surgery. Thus, this manuscript shows the different challenges that face the surgeon through such a micro-procedure. It also is specified the requirements for achieving a futuristic system dedicated to cholesteatoma surgery. In addition, a controller is proposed as a first step toward the ideal system. Such a controller allows to guide a rigid surgical tool for following a reference path under the constraints of the incision hole. The proposed controller can guide either a straight tool or a curved one. Indeed, the proposed controller is a high level control which is formulated in the task-space (or Cartesian-space). This controller is a modular layer which can be added to different robotics structures. The proposed controller showed a good results in term of accuracy while assessed on a parallel robot and a serial one.

Cette thèse s'intéresse au développement de lois de commande basées sur la perception auditive. Dans le domaine de l'audition robotique, le contrôle du robot à partir d'informations auditives est généralement basé sur des approches de localisation de source sonore. Cependant, la localisation de source en conditions réelles est un tâche complexe à résoudre. En environnement intérieur, les perturbations causées par le bruit, la réverbération ou même la structure du robot peuvent altérer le processus de localisation. Cette tâche de localisation devient encore plus complexe si la source et/ou le robot sont en mouvement. Aujourd'hui, en se restreignant aux systèmes binauraux, la localisation sonore en environnement réel n'est pas encore réalisable de manière robuste. A l'opposé, nous développons dans cette thèse une commande référencée capteurs, l'asservissement sonore, qui ne nécessite pas de localiser la source. Le mouvement du robot est directement reliée à la perception auditive: une tâche de positionnement est réalisée par une boucle de commande, où le mouvement du robot est régi par la dynamique d'indices sonores de bas niveau. Les résultats expérimentaux dans différentes conditions acoustiques et sur différentes plates-formes robotiques confirment la pertinence de cette approche en condition réelle. / This thesis is concerned about the development of a control framework based on auditory perception. In general, in robot audition, the motion control of a robot using hearing sense is based on sound source localization approaches. However, sound source localization under realistic conditions is a significant challenge to solve. In indoor environment perturbations caused by noise, reverberation or even the structure of the robot may alter the localization process. When considering dynamic scenes where the robot and/or the sound source might move, the degree of complexity of source localization raises to a higher level. As a result, sound source localization considering binaural setup is not achievable yet in real-world environments. By contrast, we develop in this thesis a sensor-based control approach, aural servo, that does not require to localize the source. The motion of the robot is straightly connected to the auditory perception: a positioning task is performed through a feedback loop where the motion of the robot is governed by the dynamic of low-level auditory features. Experimental results in various acoustic conditions and robotic platforms confirm the relevance of this approach for real-world environments.

L'intégration hybride d'éléments photoniques individuels offre la promesse de fournir des performances très élevées, de proposer de nouvelles fonctionnalités et produits optiques mais aussi pour exploiter de nouveaux modes de propagation des faisceaux lumineux. Cette approche repose sur la capacité d'un positionnement multi Degré-De-Liberté (DDL) précis des éléments photoniques individuels. Ainsi, la mesure multi-DDL imprécise et le contrôle inexact des robots sont les principaux verrous à surmonter, notamment à l'échelle micrométrique Pour cela, une approche photo-robotique originale a été proposée, s'appuyant sur les mouvements d'un robot à plusieurs DDL associé à l'utilisation de l'interférométrie Fabry-Perot 1-D pour réaliser une mesure de pose multi-DOF. Cette approche intègre notamment la question de l'étalonnage des robots 6-DDL qui a été étudiée à travers l'étalonnage des paramètres géométriques extrinsèques et/ou intrinsèques. Afin de trouver la stratégie d'étalonnage appropriée pour une grande précision de positionnement et adaptée au contexte du micro-positionnement de composants optiques, une quantification et une analyse de durabilité des performances optiques et robotiques ont été étudiées. Des études expérimentales ont démontré qu'une précision de positionnement en rotation et en translation de 0.004° et 27.6 nm ont été obtenues respectivement.Cette approche photo-robotique a été notament appliquée pour réaliser le positionnement 6-DDL d'une lamelle optique par rapport à une fibre optique avec une grande précision ce qui conduit également à des performances optiques maximales. L'approche a également été appliquée pour contrôler les états de polarisation à la sortie d'un système optique hybride en réalisant des rotations très précises d'une lamelle d'onde optique spécifique autour de son axe optique. Les résultats expérimentaux démontrent notamment que la grande précision du positionnement permet un contrôle précis de l'état de polarisation optique. / The hybrid integration of individual photonic elements appears as promising, because it may provide high performances, propose new optical functionalities and products and exploit new propagation modes of light beams. This approach requires an accurate multi Degree-Of-Freedom (DOF) positioning of the individual photonic elements. Hence, the inaccurate multi-DOF measurement and robots control are the main locks to overcome, notably at the micro-scale. For this sake, an original photo-robotic approach has been proposed, relying on multi-DOF robot motion associated with the use of 1-D Fabry-Perot interferometry measure to realize multi-DOF pose measure. This approach notably integrates the issue of 6-DOF robot calibration that has been studied through extrinsic and/or intrinsic geometric parameters calibration. In order to find the appropriate calibration strategy for high positioning accuracy and adapted to the context of micro-positioning of optical components, a quantification and durability analysis of optical and robotic performances have been investigated. Experimental investigations demonstrate that a rotational and translational positioning accuracy of 0.004° and 27.6 nm have been obtained respectively.This photo-robotic approach has especially been applied to achieve the 6-DOF positioning of an optical lamella relative to an optical fiber with high accuracy that also conduct to maximum optical performances. The approach has also been applied to control the optical polarization states at the output of an hybrid optical system through achieving high accurate rotations of a specific optical wave plate around the optical axis. The experimental results notably demonstrate that the high positioning accuracy enables to accurately control of the optical polarization state.

La conception de systèmes de perception autonomes, tels que des robots capables d’accomplir un ensemble de tâches de manière sûre et sans assistance humaine, est l’un des grands défis de notre siècle. Pour ce faire, la robotique développementale propose de concevoir des robots qui, comme des enfants, auraient la faculté d’apprendre directement par interaction avec leur environnement. Nous avons dans cette thèse exploré de telles possibilités en se limitant à l’apprentissage de la localisation des objets d’intérêt (ou objets saillants) dans l’environnement du robot.Pour ce faire, nous présentons dans ces travaux un mécanisme capable d’apprendre la saillance visuelle directement sur un robot, puis d’utiliser le modèle appris de la sorte pour localiser des objets saillants dans son environnement. Cette méthode a l’avantage de permettre la création de modèles spécialisés pour l’environnement du robot et les tâches qu’il doit accomplir, tout en restant flexible à d’éventuelles nouveautés ou modifications de l’environnement.De plus, afin de permettre un apprentissage efficace et de qualité, nous avons développé des stratégies d’explorations basées sur les motivations intrinsèques, très utilisées en robotique développementale. Nous avons notamment adapté l’algorithme IAC à l’apprentissage de la saillance visuelle, et en avons conçu une extension, RL-IAC, pour permettre une exploration efficace sur un robot mobile. Afin de vérifier et d’analyser les performances de nos algorithmes, nous avons réalisé des évaluations sur plusieurs plateformes robotiques dont une plateforme fovéale et un robot mobile, ainsi que sur des bases de données publiques. / Conceiving autonomous perceptual systems, such as robots able to accomplish a set of tasks in a safe way, without any human assistance, is one of the biggest challenge of the century. To this end, the developmental robotics suggests to conceive robots able to learn by interacting directly with their environment, just like children would. This thesis is exploring such possibility while restricting the problem to the one of localizing objects of interest (or salient objects) within the robot’s environment.For that, we present in this work a mechanism able to learn visual saliency directly on a robot, then to use the learned model so as to localize salient objects within their environment. The advantage of this method is the creation of models dedicated to the robot’s environment and tasks it should be asked to accomplish, while remaining flexible to any change or novelty in the environment.Furthermore, we have developed exploration strategies based on intrinsic motivations, widely used in developmental robotics, to enable efficient learning of good quality. In particular, we adapted the IAC algorithm to visual saliency leanring, and proposed an extension, RL-IAC to allow an efficient exploration on mobile robots.In order to verify and analyze the performance of our algorithms, we have carried out various experiments on several robotics platforms, including a foveated system and a mobile robot, as well as publicly available datasets.

Le corps humain a toujours été une source d’inspiration pour les ingénieurs et les scientifiques de tous les domaines dans le monde entier. L’un des sujets les plus intéressants de la dernière décennie a été les robots humanoïdes. Les robots humanoïdes représentent les systèmes robotiques les plus complexes. Ils offrent une plus grande mobilité dans les terrains accidentés et non structurés que les véhicules à roues normaux. À l’avenir, les robots humanoïdes devraient être employés pour une variété de tâches dangereuses dans des domaines tels que les opérations de sauvetage, l’assistance aux personnes âgées, l’éducation et le déminage humanitaire. Le travail réalisé dans cette thèse est réalisé sur le robot hydraulique humanoïde HYDROïD, un humanoïde à commande hydraulique avec 52 degrés de liberté actifs, conçu pour exécuter des tâches très dynamiques comme la marche, la course et le saut. robot puisque les actionneurs hydrauliques ont un excellent rapport poids/puissance et absorbent naturellement les pics de force d’impact lors des différentes activités. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement des mécanismes robotiques de la cheville et du genou avec une dynamique élevée. Un nouveau mécanisme de cheville est développé afin de pallier les inconvénients des performances réalisées avec l’ancien mécanisme de cheville d'origine. Des taux de fuite et de frottement plus faibles sont obtenus en plus d’une optimisation de pression pour les articulations de la cheville. De plus, une nouvelle solution pour optimiser le poids des actionneurs hydrauliques est appliquée sur le mécanisme du genou du robot.Une telle solution comprend l’utilisation de la technologie des matériaux composites légers pour atteindre un poids et une performance optimisés pour le joint. Afin d’appliquer des méthodologies de contrôle sur les mécanismes de la cheville et du genou, un modèle géométrique inverse pour les deux mécanismes est présenté. Le contrôle de position est utilisé pour contrôler les angles des articulations de la cheville et les mécanismes du genou. Enfin, les conclusions et les perspectives d’avenir sont présentées dans le dernier chapitre. / Human body has always been an inspiration for engineers and scientists from all fields all over the world. One of the most interesting topics in the last decade was humanoid robots. Humanoid robots represent the most complex robotic systems. They provide greater mobility in rough and unstructured terrain than the normal wheeled vehicles. In the future, humanoid robots are expected to be employed for a variety of dangerous tasks in fields like rescue operations, assisting elderly people, education and humanitarian demining. The work achieved in this dissertation is performed on the humanoid hydraulic robot HYDROïD. It is hydraulically actuated humanoid featuring 52 active degrees of freedom and is designed to perform highly dynamic tasks like walking, running and jumping. Hydraulic power was chosen for this robot since hydraulic actuators have an excellent power to weight ratio and naturally absorb impact force peaks during different activities. The objective of this dissertation is to contribute toward the development of ahighly dynamic robotic ankle and knee mechanisms. A new ankle mechanism islooked for in order to tackle the drawbacks raised by the performances achievedwith the original old ankle mechanism. Lower leakage and friction rates areachieved in addition to a pressure optimization for the ankle joints. Moreover, anew solution for optimizing the weight of hydraulic actuators is applied on theknee mechanism of the robot. Such solution includes the usage of light compositematerial technology to achieve optimized weight and performance for the joint.In order to apply control methodologies on the ankle and knee mechanisms,inverse geometrical model for the both mechanism are presented. Position controlis used to control the joints angles of the ankle and the knee mechanisms. Finally,the conclusions and the future perspectives are presented in the last chapter.

La plupart des applications robotiques, telles que les véhicules autonomes, sont développées à partir d’une page blanche avec quelques rares réutilisations de conceptions ou de codes issus d’anciens projets équivalents. Qui plus est, les systèmes robotiques deviennent de plus en plus critiques, dans la mesure où ils sont déployés dans des environnements peu structurés, et centrés sur l’humain. Ces systèmes à fort contenu logiciel qui utilisent des composants distribués et hétérogènes interagissent dans un environnement dynamique, et incertain. Or, il s’agit là d’étapes indispensables pour la mise en place de méthodes d’évaluation extensibles, ainsi que pour permettre la réutilisation de composants logiciels pré-existants. Le développement de structures logicielles et d’outils de conception d’architectures, orientés pour la robotique, coûte cher en termes de temps et d’effort, et l’absence d’une approche systématique pourrait conduire à la production de conceptions adhoc, peu flexibles et peu réutilisables. Faire de la meta-structure de l’architecture un point de convergence offre de nouvelles possibilités en termes d’interopérabilité, et de partage de la connaissance, au sein des communautés dédiées à la mise en place d’architectures et de structures. Nous suivons cette direction, en proposant un modèle commun, et en fournissant une approche méthodologique systématique aidant à spécifier les différents aspects du développement d’architectures logicielles, et leurs relations au sein d’une structure partagée. / Most innovative applications having robotic capabilities like self-driving cars are developed from scratch with little reuse of design or code artifacts from previous similar projects. As a result, work at times is duplicated adding time and economic costs. Absence of integrated tools is the real barrier that exists between early adopters of standardization efforts and early majority of research and industrial community. These software intensive systems are composed of distributed, heterogeneous software components interacting in a highly dynamic, uncertain environment. However, no significant systematic software development process is followed in robotics research. The process of developing robotic software frameworks and tools for designing robotic architectures is expensive both in terms of time and effort, and absence of systematic approach may result in ad hoc designs that are not flexible and reusable. Making architecture meta-framework a point of conformance opens new possibilities for interoperability and knowledge sharing in the architecture and framework communities. We tried to make a step in this direction by proposing a common model and by providing a systematic methodological approach that helps in specifying different aspects of software architecture development and their interplay in a framework.

Les forces et faiblesses des robots différant grandement de celles des humains, les robots chirurgicaux ont plusieurs avantages qui expliquent leur utilisation croissante en salle d'opération. Cependant, la robotique chirurgicale demeure un domaine qui comporte de nombreux défis. Plutôt que de travailler directement au niveau de l'application sur un robot spécifique, il a été décidé de concentrer les efforts sur une des composantes mécaniques qui impose des limitations aux interactions humain-robot : l'actionneur. Dans cette optique, un prototype de bras interactif a été réalisé en utilisant la technologie de l'Actionneur Différentiel Élastique (ADE), un actionneur élastique haute-performance de faible impédance mécanique intrinsèque. Le bras à trois degrés de liberté, dont les actionneurs sont contrôlés en impédance, pourra servir à étudier la façon dont les interactions humain/robot permettent d'augmenter les capacités humaines de manipulation. Le contrôle d'impédance de l'ADE a été utilisé en tant que noyau central lors du développement du contrôle du bras interactif. L'analyse des performances dans la plage de fréquence d'intérêt suggère un bon comportement de l'actionneur lorsque l'impédance mécanique demandée est faible.Les premiers essais d'interaction humain-robot avec le bras interactif suggèrent que l'ADE est tout indiqué pour une telle application. Le contrôle d'impédance développé a pu être utilisé dans le cadre d'une autre application robotique : le contrôle des axes de direction du robot mobile omnidirectionnel AZIMUT[indice inférieur 3].

En raison de l'augmentation continuelle des coûts en santé, il est profitable de détecter et traiter tôt les cancers afin de diminuer les coûts de traitement à long terme. La problématique s'applique particulièrement au cancer de la prostate, qui constitue 25 % des nouveaux cas de cancer chaque année. Afin de pouvoir détecter avec un niveau de confiance élevé les petites tumeurs durant les premiers stades de développement, l'Imagerie par résonance magnétique (IRM) peut être utilisée en raison de la qualité de son imagerie des tissus mous. Cependant, les IRM offrent un accès limité au patient (diamètre < 70 cm), limitant ainsi les possibilités d'interventions intra-IRM.En combinant la précision et la polyvalence d'un système robotique et la précision de l'imagerie par IRM, il serait donc possible de pouvoir détecter et traiter tôt les petites tumeurs pour augmenter les chances de survie des patients, et ainsi, réduire une partie des coûts en santé. Les interventions visées incluent la biopsie (prélèvement), la cryothérapie (brûlure par le froid), la curiethérapie (dépôt de pastilles émettrices de radiations) et l'ablation thermique par laser. La compatibilité IRM (qui exige le fonctionnement sous un champ magnétique de plus de 7 teslas) et l'espace confiné sont les deux principaux défis de la robotique en IRM, et nécessitent l'implantation de nouveaux types d'actionneurs. Le mémoire présente la conception et la fabrication de muscles pneumatiques de polymère et leur application à un manipulateur robotisé pour le cancer de la prostate. L'intégration des muscles pneumatiques dans des structures de polymère permet de simplifier leur fabrication, en plus d'assurer plus de précision en diminuant les erreurs liées à la fabrication. Une méthode de conception est développée, utilisant un modèle de manipulateur et quatre modèles de muscles. La modélisation des muscles débute par un modèle géométrique et est suivie d'un raffinement géométrique par éléments finis. Les éléments finis servent également à valider l'hypothèse de déformation uniaxiale du muscle qui sert de prémisse au troisième modèle, un modèle 1-D analytique qui prédit les performances du muscle. Enfin, le muscle est modélisé en se basant sur une caractérisation expérimentale. Les muscles pneumatiques, intégrés dans une architecture parallèle, permettent d'améliorer la précision des interventions intra-IRM tout en maintenant un rapport efficacité-coût élevé. Les performances des muscles pneumatiques et du manipulateur sont validées expérimentalement et permettent d'atteindre les requis cliniques de l'application de détection et traitement du cancer de la prostate. Les expériences en laboratoire et en IRM ont en effet permis de démontrer une erreur en boucle fermée inférieure à 0.5 mm, une rigidité adéquate de 0.32 N/mm et une absence d'impact du manipulateur sur la qualité des images d'IRM. Enfin, les performances des muscles pneumatiques intégrés ouvrent la porte à de nouvelles applications et à un changement de paradigme pour la conception de robots binaires précis à faible coût.

Ces dernières années, de nombreuses compagnies ont mis sur le marché des robots de téléprésence pour des usages de vidéoconférence mobile. Ces plateformes robotiques transmettent généralement la vidéo, l’audio et les données de capteurs de proximité à l’opérateur distant par l’intermédiaire d’une interface de téléopération s’exécutant sur un ordinateur de bureau standard. De nouvelles modalités d’interaction comme la localisation et le suivi de sources sonores, la capacité de ressentir les forces appliquées et la visualisation d’une représentation 3D de l’environnement sont développées et testées sur des plateformes robotique avancées. Il devient donc nécessaire d’explorer de nouvelles techniques pour intégrer ces informations supplémentaires au sein de l’interface. Ce projet de maîtrise propose une solution pour représenter visuellement les sources sonores et les forces d’interaction du robot à travers une interface de téléopération 3D. Cette interface inclut sous une seule vue les fonctionnalités de base comme la représentation du modèle du robot, la reconstruction 3D du nuage de points transmis par le capteur Kinect, la présentation des données des capteurs de proximité ainsi que la possibilité de passer d’une vue égocentrique à une vue exocentrique. L’affichage des sources sonores est réalisé avec des bulles de bandes dessinées pour la parole et des anneaux bleus pour tous les autres types de sons. L’intensité des forces d’interaction sur les bras du robot est affichée par changement de couleur et de taille du modèle 3D et avec des jauges. La direction des forces exercées est matérialisée par des flèches. Enfin, le champs de vision limité de la caméra est augmenté par l’affichage d’une représentation 3D de l’environnement construit dynamiquement par le robot. La phase de validation a été effectuée avec la plateforme robotique IRL-1 qui dispose des modalités perceptuelles nécessaires. Les performances de 31 participants ont été comparées dans l’exécution de trois sous-tâches réalisées avec et sans l’ajout des modalités supplémentaires. La première épreuve d’écoute visait à connaître l’impact de l’affichage de la position des sources sonores. La tâche de manipulation évaluait l’impact de l’affichage des forces ressenties sur les bras. Enfin, le pilotage du robot à travers un slalom avait pour but de tester l’impact de la représentation 3D de l’environnement. L’étude démontre que l’affichage visuel des modalités d’interaction sonores et de force du robot soulage et améliore les performances des utilisateurs dans la réalisation de certaines tâches précises d’écoute ou de manipulation. Cependant, les tests de pilotage du robot à travers un slalom autour de trois cylindres ne permettent pas d’affirmer que l’ajout d’une représentation 3D de l’environnement déjà visité par le robot améliore les performances de navigation.