Les travaux de cette thèse portent sur la saisie et la manipulation dextre et ont pour dénominateur commun la robustesse vis-à-vis d'un environnement incertain (méconnaissance de la géométrie de l'objet ou du préhenseur, initialisation imparfaite du système, etc). La mesure de qualité de prise permet d'évaluer la stabilité d'une saisie. Nos travaux proposent une nouvelle mesure de qualité de prise, dont le principe reste dans la continuité des méthodes les plus connues qui consistent à déterminer l'espace des torseurs dynamiques applicables sur l'objet par le préhenseur. Notre mesure cherche à déterminer cet espace quelle que soit l'incertitude qui affecte le système préhenseur/objet. On appelle cet ensemble le Reachable Wrench Space under Uncertainties (RWSU). Deux algorithmes sont proposés afin de déterminer un majorant et un minorant du RWSU. La deuxième contribution concerne l'application d'algorithmes de commande robuste aux incertitudes de modèle pour la manipulation dextre. La première méthode de commande que nous proposons est un retour d'état, permettant de répondre à la consigne de manipulation, auquel on ajoute une action dynamique, permettant de répondre aux contraintes de saisie. Le retour d'état est synthétisé suivant un problème d'optimisation avec contraintes LMI. Les contraintes LMI permettent de définir la réponse dynamique du système bouclé, et d'assurer la robustesse aux incertitudes de modèle. Une seconde méthode de commande est proposée afin d'améliorer les performances de suivi de trajectoire pour ce système MIMO en découplant le mouvement à suivre des mouvements perturbateurs résultant des couplages dynamiques entre les axes. / This thesis deals with grasping and dexterous manipulation with multifingered hands, with the robustness to uncertain environments as a common denominator.The first contribution of the present work is a new measure of the grasp quality, which is used to evaluate the stability of a grasp. In the footsteps of the most known methods which consist in determining the reachable wrench space, our measure aims to evaluate this space whatever the uncertainty which affects the gripper/object system. This new space is called Reachable Wrench Space under Uncertainty (RWSU). Two algorithms are proposed to find respectively an upper and a lower bound of the RWSU.The second contribution concerns the application of robust control algorithms for dexterous manipulation. The first control method is composed of as a state-space feedback, which enables a manipulation task, and of an additional dynamic action, allowing to respect the grasp constraints. The state-space feedback is designed for a robust regional pole placement by the resolution of an optimization problem under LMI constraints. The LMI constraints define the dynamic response of the system in closed loop, and ensure the robustness with respect to model uncertainties. A second control method, based on eigenstructure assignment, is proposed to improve the trajectory tracking for the MIMO system. The eigenstructure assignment decouples the movement of the task from the disturbing movements resulting from the dynamic coupling between the axes.

Pas de résumé en français / Pas de résumé en anglais

La micromanipulation a un grand potentiel pour révolutionner la recherche biologique et les soins médicaux. À petite échelle, microrobots peuvent effectuer des tâches médicales avec peu invasive, et d'explorer la vie à un niveau fondamental. Pinces optiques sont l'une des techniques les plus populaires pour la manipulation biologique. La production de petits lots qui exige une grande flexibilité repose principalement sur le processus de téléopération. Cependant, le niveau limité d'intuitivité rend de plus en plus difficile de conduire efficacement les tâches de manipulation et d'exploration dans le micromonde complexe. Dans de telles circonstances, des chercheurs pionniers ont proposé d'incorporer l'haptique dans la boucle de contrôle du système OTs, qui vise à gérer les tâches de micromanipulation de manière plus flexible et plus efficace. Cependant, la solution n'est pas encore complète, et il ya deux défis principaux à résoudre dans cette thèse: Détection de force 3D, qui doit être précis, rapide et robuste dans un espace de travail suffisamment grand; Haute vitesse jusqu'à 1 kHz force de rétroaction, ce qui est indispensable pour permettre une sensation tactile fidèle et d'assurer la stabilité du système. Dans la micromanipulation des pinceaux optiques, la vision est un bon candidat pour l'estimation de la force puisque le modèle force-position est bien établi. Cependant, le suivi de 1 kHz dépasse la vitesse des procédés de traitement classiques. La discipline émergente de l'ingénierie biomorphe visant à intégrer les comportements de vie dans le matériel informatique ou le logiciel à grande échelle rompt le goulot d'étranglement. Le capteur d'image asynchrone basé sur le temps (ATIS) est la dernière génération de prototype de rétine de silicium neuromorphique qui enregistre seulement les changements de contraste de scène sous la forme d'un flux d'événements. Cette propriété exclut le fond redondant et permet la détection et le traitement des mouvements à grande vitesse. La vision événementielle a donc été appliquée pour répondre à l'exigence de la rétroaction de force 3D à grande vitesse. Le résultat montre que les premières pinces optiques haptiques 3D à grande vitesse pour une application biologique ont été obtenues. La réalisation optique et les algorithmes de suivi événementiel pour la détection de force 3D à grande vitesse ont été développés et validés. L'exploration reproductible de la surface biologique 3D a été démontrée pour la première fois. En tant que puissant capteur de force 3D à grande vitesse, le système de pinces optiques développé présente un potentiel important pour diverses applications. / Micromanipulation has a great potential to revolutionize the biological research and medical care. At small scales, microrobots can perform medical tasks with minimally invasive, and explore life at a fundamental level. Optical Tweezers are one of the most popular techniques for biological manipulation. The small-batch production which demands high flexibilities mainly relies on teleoperation process. However, the limited level of intuitiveness makes it more and more difficult to effectively conduct the manipulation and exploration tasks in the complex microworld. Under such circumstances, pioneer researchers have proposed to incorporate haptics into the control loop of OTs system, which aims to handle the micromanipulation tasks in a more flexible and effective way. However, the solution is not yet complete, and there are two main challenges to resolve in this thesis: 3D force detection, which should be accurate, fast, and robust in large enough working space; High-speed up to 1 kHz force feedback, which is indispensable to allow a faithful tactile sensation and to ensure system stability. In optical tweezers micromanipulation, vision is a sound candidate for force estimation since the position-force model is well established. However, the 1 kHz tracking is beyond the speed of the conventional processing methods. The emerging discipline of biomorphic engineering aiming to integrate the behaviors of livings into large-scale computer hardware or software breaks the bottleneck. The Asynchronous Time-Based Image Sensor (ATIS) is the latest generation of neuromorphic silicon retina prototype which records only scene contrast changes in the form of a stream of events. This property excludes the redundant background and allows high-speed motion detection and processing. The event-based vision has thus been applied to address the requirement of 3D high-speed force feedback. The result shows that the first 3D high-speed haptic optical tweezers for biological application have been achieved. The optical realization and event-based tracking algorithms for 3D high-speed force detection have been developed and validated. Reproducible exploration of the 3D biological surface has been demonstrated for the first time. As a powerful 3D high-speed force sensor, the developed optical tweezers system poses significant potential for various applications.

L’objectif de ces travaux porte sur la navigation de robots autonomes sur de grandes distances dans des environnements extérieurs dynamiques, plus précisément sur le développement et l’évaluation de fonctions avancées de perception, embarquées sur des véhicules se déplaçant en convoi sur un itinéraire inconnu a priori, dans un environnement urbain ou naturel. Nous avons abordé trois problématiques : d’abord nous avons exploité plusieurs méthodes de l’état de l’art, pour qu’un véhicule A, équipé d’un capteur stéréoscopique, apprenne à la fois une trajectoire et un modèle de l’environnement supposé d’abord statique. Puis nous avons proposé deux modes pour l’exécution de cette trajectoire par un véhicule B équipé d’une simple caméra : soit un mode différé, dans lequel B charge toute la trajectoire apprise par A, puis l’exécute seul, soit un mode convoi, dans lequel B suit A, qui lui envoie par une communication HF, les tronçons de la trajectoire au fur et à mesure qu’ils sont appris. Enfin nous avons considéré le cas des environnements évolutifs et dynamiques, en traitant de la détection d’événements depuis les images acquises depuis un véhicule mobile: détection des changements (disparition ou apparition d’objets statiques, typiquement des véhicules garés dans un milieu urbain), ou de la détection d’objets mobiles (autres véhicules ou piétons) / The global objective of these works concerns the navigation of autonomous robots on long routes in outdoor dynamic environments, more precisely on the development and the evaluation of advanced perception functions, embedded on vehicles moving in a convoy formation, on an a priori unknown route in urban or natural environments. Three issues are tackled: first several methods from the State of the Art have been integrated in order to cope with the visual mapping and the trajectory learning problems for a vehicle A equipped with a stereovision sensor, moving in a large-scale environment, assumed static. Then it is proposed two modes for the execution of this trajectory by a vehicle B equipped by a single camera: either a delayed mode, in which B loads initially all representations learnt by A, and executes alone the recorded trajectory, or a convoy mode, in which B follows A, which sends him by a communication link, the trajectory sections as soon as they are learnt. Finally, it has been considered changing and dynamic environments, dealing with the detection of events from images acquired on a dynamic vehicle: detection of changes (disappearances or appearances of static objects, typically cars parked in a urban environment), or detection of mobile objects (pedestrians or other vehicles)

Cette thèse se concentre sur les robots aériens autonomes qui interagissent avec l’environnement et en particulier sur la conception de nouvelles méthodes de commande et de planification de mouvement pour tels systèmes. De nos jours, les véhicules aériens autonomes sont de plus en plus utilisés dans des nombreux domaines d’application, mais ils viennent utilisés surtout comme des simples capteurs. Au vu de ça, les défis majeurs dans le domaine de l’interaction physique aérienne, est aujourd’hui d’aller au-delà de cette application limitée, et d’exploiter entièrement les capacités des robots aériens afin d’interagir avec l’environnement. Dans le but de réaliser cet objectif, cette thèse considère l’analyse d’une classe spécifique de systèmes aériens interagissant avec l’environnement : les véhicules aériens attachés avec des câbles ou des bars. Ce travail se concentre sur l’analyse formelle et minutieuse de véhicules aériens attachés, en allant du contrôle et l’évaluation d’état à la planification du mouvement. Nous avons examiné notamment la platitude différentielle du système, trouvant deux sorties plate possibles qui révèlent des nouvelles capacités de tel système pour l’interaction physiques. En plus, poussé par l’intérêt pour l’interaction physique aérienne d’A à Z, nous avons abordés des problèmes supplémentaires liés à la conception, au contrôle et à la planification du mouvement pour des manipulateurs aériens. / This thesis focuses on the study of autonomous aerial robots interacting with the surrounding environment, and in particular on the design of new control and motion planning methods for such systems. Nowadays, autonomous aerial vehicles are extensively employed in many fields of application but mostly as autonomously moving sensors. On the other hand, in the recent field of aerial physical interaction, the goal is to go beyond sensing-only applications and fully exploit the aerial robots capabilities in order to interact with the environment. With the aim of achieving this goal, this thesis considers the analysis of a particular class of aerial robots interacting with the environment: tethered aerial vehicles. This work focuses on the thorough formal analysis of tethered aerial vehicles ranging from control and state estimation to motion planning. In particular, the differential flatness property of the system is investigated, finding two possible flat outputs that reveal new capabilities of such system for the physical interaction. The theoretical results were finally employed to solve the challenging problem of landing and takeoff on/from a sloped surface. In addition, moved by the interest on aerial physical interaction from A to Z, we addressed supplementary problems related to the design, control and motion planning for aerial manipulators.

Ce travail de thèse suit une logique exposée dans trois chapitres, pour terminer par un exposé sur des applications futures. La première partie fait l’inventaire des difficultés de l’apprentissage des habiletés de base de la chirurgie robotique, notamment dans ses aspects de l’exploitation des avantages ergonomiques. Elle se fonde notamment les travaux de master 2 des Docteurs N. Hubert et C. Perrenot auxquels l’auteur a participé. On conclut ainsi à la nécessité de développer un outil de monitoring de l’ergonomie plus efficace que celui existant sur les logiciels du simulateur dV-Trainer®. La deuxième partie décrit la conception et la validation d’un système de capteurs de pression des avant-bras sur les appuis-bras de la console du robot et/ou des simulateurs (Système de Surveillance de Pression - SSP-). Il est créé le concept d’Armrest Load, formule plus efficace d’évaluation des performances des stagiaires en matière d’ergonomie que l’évaluation automatique par le simulateur. La troisième partie décrit l’amélioration du système SSP via l’ajout de fonctions supplémentaires et leurs évaluations : - une alarme informant l’étudiant des mauvaises positions. Ce système crée un réflexe conditionné, accélère l’utilisation ergonomique des appuis-bras du simulateur, mais également améliore les performances globales. - des caméras et une interface, « Contrôleur d’Évènement en Simulation Robotique » (CESIR), permettant au stagiaire de visionner à volonté et pour chaque exercice les vidéos de référence, celles avec les erreurs à éviter et ses propres performances. Ces techniques vidéo, largement répandues dans le milieu sportif sont utilisées pour la première fois en chirurgie et prouvent ici leur efficacité. La partie « conclusion » synthétise les résultats de tout le travail de thèse et expose des perspectives d’amélioration du système CESIR et de son utilisation dans la poursuite de la collaboration franco-chinoise en formation robotique. / This thesis is logically split into three chapters, concluding with a discussion on future applications. The first part makes an inventory of the difficulties in learning the basic skills in robotic surgery, especially in the aspects of exploiting the ergonomic benefits. It relies in particular on the master degrees of Drs N. Hubert and C.Perrenot to which the author participated. It is concluded that there is a need to develop a more efficient monitoring tool for ergonomics than the existing software on the dV-Trainer® simulator. The second part describes the design and validation of a system of forearms pressure sensors attached on the robot’s console and/or simulator’s armrests (SSP- Pressure Surveillance System). The concept of Armrest Load is created, a more effective formula for evaluating the trainees’ performance in ergonomics than the automatic evaluation provided by the simulator. The third part describes the improvement of the SSP system by adding additional functions and their evaluation: - An alarm informing the student of bad positions. This system creates a conditioned reflex, speeds up the ergonomic use of armrests on the simulator, and also improves the overall performance. - Cameras and a "Controller of Event in Robotic Simulation " (CESIR) interface, allowing the participant to view at will the reference video, the one with mistakes to avoid and the video of their own performances. This video technique is widely used in sports but is applied for the first time in surgery and proves its effectiveness. The conclusion part summarizes the results of the whole thesis and outlines the possibilities for CESIR’s improvement and its development in the French-Chinese collaboration in robotic training.

Dans cette thèse, on s’intéresse à la commande des robots marcheurs. Contrôler ces systèmes naturellement instables, de dynamique non linéaire, non convexe, de grande dimension, et dépendante des contacts représente un défi majeur en robotique mobile. Les approches classiques formulent une chaîne de contrôle formée d’une cascade de sous problèmes tels que la perception, le planning, la commande du corps complet et l’asservissement articulaire. Les contributions rapportées ici ont toutes pour but d’introduire une rétroaction au niveau de la commande du corps complet ou du planning. Précisément, une première contribution technique est la formulation et la comparaison expérimentale de deux estimateurs de la base du robot. Une seconde contribution est l’implémentation d’un contrôleur par dynamique inverse pour contrôler en couple le robot HRP-2. Une variante de ce contrôleur est aussi formulée et testée en simulation pour stabiliser un robot en contact flexible avec son environnement. Finalement un générateur de marche par commande pré-dictive et couplé à un contrôleur corps complet est présenté. / In this thesis, we are interested in the control of walking robots. Controlling these naturally unstable, non-linear, non-convex, large and contact-dependent systems is a major challenge in mobile robotics. Traditional approaches formulate a chain of control formed by a cascade of sub-problems such as perception, planning, full body control and joint servoing. The contributions reported here are all intended to provide state feedback at the whole body control stage or at the planning stage. Specifically, a first technical contribution is the formulation and experimental comparison of two estimators of the robot base. A second contribution is the implementation of a reverse dynamic controller to control the HRP-2 robot in torque. A variant of this controller is also formulated and tested in simulation to stabilize a robot in flexible contact with its environment. Finally, a predictive control operation generator coupled to a whole body controller is presented.

L'objectif de cette thèse est le déploiement et l'évaluation d'une plate-forme de télé-échographie mobile, utilisée pour fournir un diagnostic et des soins à distance dans des milieux médicalement isolés. La plateforme intègre de nouveaux concepts qui permettent de l’utilisation de la télé-échographie robotisée sur les réseaux sans fil 3G, 4G et 5G pour satisfaire au transfert de qualité des vidéos ultrasonores pour un diagnostic médical robuste. Ce travail contribue au domaine des Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication appliquées au secteur de la santé et en particulier à la robotique médicale téléopérée. Les principales contributions de la thèse sont : I. Un état de l’art des systèmes télé-robotiques appliqués au médical menée sur la base de publications écrites entre 2004 et 2016, II. L'évaluation objective et subjective (clinique) de la qualité vidéo a démontré que les normes H.264/AVC et HEVC peuvent atteindre une qualité vidéo sans perte de diagnostic à des débits (1024 et 2048 Kbps) bien en deçà des débits de données supportés par les réseaux 4G. Les normes de codage vidéo antérieures (Mpeg-4, Mpeg-2) ne peuvent pas être utilisées pour le diagnostic clinique à ces débits car elles présentent une perte d'information pour le diagnostic médical, III. Les experts médicaux ont apprécié la réactivité dynamique mécanique de la plate-forme en raison du faible délai présenté par les canaux LTE. La limitation la plus importante soulevée par l'expert médical, empêchant une évaluation globale clinique favorable au diagnostic, était le positionnement initial du robot sur le corps du patient et son déplacement vers l'obtention d’une échographie cardiaque, Les résultats fournissent une forte indication que la plate-forme télé-échographie robotisée peut être utilisée pour fournir un diagnostic fiable et à distance sur les réseaux sans fil émergents 4G et au-delà. / The objective of this Thesis was the deployment and evaluation of an end-to-end mobile tele-echography platform used to provide remote diagnosis and care within medically isolated settings. The platform integrates new concepts that enable robotized tele-echography over commercially available 4G and beyond mobile networks for rendering diagnostically robust medical ultrasound video. It contributes to the field of Information and Communication technologies applied in the healthcare sector. The main contributions of the Thesis are: I. A systematic review on the state of the art in medical telerobotic systems was conducted based on publications of the last decade, and more specifically between the years 2004 to 2016. II. Both objective and subjective (clinical) video quality assessment demonstrated that H.264/AVC and HEVC standards can achieve diagnostically-lossless video quality at bitrates (1024 and 2048 Kbps) well within the LTE supported data rates. Earlier video coding standards (Mpeg-4 & Mpeg-2) cannot be employed for clinical diagnosis at these rates as they present loss of clinical information.III. Medical experts highly appreciated the proposed platform’s mechanical dynamic responsiveness due to the low end-to-end delay (latency) facilitated by LTE-channels. The most important limitation raised by the medical expert and prevented higher overall rating and ultimately clinical QoE was the robot initial positioning on the patient’s body and navigation towards obtaining the cardiac ultrasound. IV. Results provides a strong indication that the proposed robotized tele-echography platform can be used to provide reliable, remote diagnosis over emerging 4G and beyond wireless networks.

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV. / In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable.