Les simulateurs d'accouchement sont des outils dédiés à la formation du personnel médical en gynécologie obstétrique. Le BirthSIM développé au laboratoire Ampère constitue une interface haptique de simulateur d'accouchement permettant de reproduire divers scénarios d'accouchement et de former les jeunes sages-femmes et obstétriciens aux différents gestes techniques nécessaires dans le cadre de leurs professions. Dans ce manuscrit, les récentes améliorations apportées au prototype du BirthSIM seront présentées. Parmi ces améliorations, deux sont particulièrement remarquables. La première concerne l'augmentation du nombre de degrés de liberté pilotés de l'interface. Ainsi, les travaux ayant permis le passage d'une interface ne comptant qu'un seul degré de liberté à quatre seront détaillés. Le BirthSIM est le seul simulateur d'accouchement qui intègre à la fois des actionneurs électriques et pneumatiques. La seconde évolution concerne le développement de lois de commande permettant d'améliorer le rendu haptique de l'interface. Les lois de commande retenues permettent d'asservir en position le BirthSIM, mais également de régler la raideur de l'interface. Ce réglage de raideur en coordonnées cartésiennes a pour objectif de reproduire le comportement de la tête fœtale en contact avec les tissus mous du bassin au cours d'une contraction. La loi de commande présentée dans ces travaux de thèse est une loi de commande non-linéaire synthétisée par backstepping. En effet, cette méthode permet de prendre en compte les phénomènes non-linéaires agissant sur le comportement des actionneurs pneumatiques. Cette commande, assurant le suivi d'une consigne de position et une modification de la raideur en temps réel à partir d'une stratégie de réglage de gain, a été testée à la fois en simulation et sur le prototype du BirthSIM. Les performances de cette commande sont également comparées à celles de lois de commande plus classiquement utilisées en robotique. / The childbirth simulators are developed for practitioner training in gynecology and obstetrics. The BirthSIM is a haptic interface which simulates various childbirth scenarios to teach obstetricians and midwives the technical delivery gestures. In this work, the latest improvements on the BirthSIM prototype will be presented. Two improvements are especially detailed. The first one consists in adding actuated degrees of freedom to the haptic interface. Thus, the works which have led to a new four degrees of freedom robot are presented. The BirthSIM is the only childbirth simulator which is actuated by electrical and pneumatic actuators. The aim of the second improvement is to synthesize control laws which improve the haptic rendering. The studied control laws allow the haptic interface to be controlled in position and its stiffness to be tuned in real time. This cartesian stiffness tuning is suitable to reproduce the behavior of the fetal head surrounded by the maternal pelvic muscles. The control law presented in this document have been obtained by the non-linear backstepping synthesis. Indeed, the non-linear phenomenons occurring in pneumatic cylinders can be taken into account by this method. The controller obtained in this work allows the BirthSIM end-effector to track a reference position but also allows the robot stiffness to be tuned in real time. The stiffness control is based on a gain tuning strategy. Finally, the performances have been evaluated in simulation and experimental tests. Those performances have also been compared to the other conventional compliant controllers of the robotic field.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une approche efficace de modélisation et de résolution pour le problème d’ordonnancement, en mettant l’accent sur le partage multi-ressources et sur l’incertitude potentielle d’occurrence de certains événements. L'ordonnancement a pour objectif de réaliser un ensemble de tâches à la fois en respectant des contraintes prédéfinies et en optimisant le temps. Ce travail s’intéresse en particulier à la minimisation du temps total d’exécution. La plupart des approches existantes préconisent une modélisation mathématique exprimant des équations et des contraintes pour décrire et résoudre des problèmes d’ordonnancement. De telles démarches ont une complexité inhérente. Cependant dans l’industrie, la tâche de planification est récurrente et peut requérir des changements fréquents des contraintes. Outre cela, la prise en compte d’événements incertains est peu supportée par les approches existantes; cela peut toutefois augmenter la robustesse d’un ordonnancement. Pour répondre à ces problématiques, après une introduction, le chapitre 2 aborde le problème de l’ordonnancement à travers une démarche de modélisation visuelle, expressive et formelle, s’appuyant sur les automates pondérés et sur la théorie des automates temporisés. L’originalité des modèles proposés réside aussi dans leur capacité de décrire le partage de ressources multiples et proposer une approche de résolution efficace. Ces modèles ont l’avantage d’être directement exploitables par des outils de vérification formelle, à travers une démarche de preuve par contradiction vis-à-vis de l’existence d’une solution. Les résultats effectifs sont obtenus grâce à l’outil UPPAAL. La complexité inhérente à la production d’une solution optimale est abordée à travers un algorithme de recherche et d’amélioration itérative de solutions, offrant une complexité très prometteuse sur la classe de problèmes étudiés. Dans le chapitre 3, une composition synchrone est d’automates pondérés est proposée dans le but de résoudre le problème d’ordonnancement en effectuant une analyse d’atteignabilité optimale directement sur les modèles automates pondérés. Dans le quatrième chapitre, divers comportements incontrôlables tels que le temps de début, la durée de la tâche et l'occurrence d’échec dans un problème d‘ordonnancement sont modélisés par des automates de jeu temporisés. Ensuite, le problème est résolu en effectuant une synthèse de stratégie optimale dans le temps dans l'outil de synthèse TIGA. / The objective of scheduling problems is to find the optimal performing sequence for a set of tasks by respecting predefined constraints and optimizing a cost: time, energy, etc. Despite classical approaches, automata models are expressive and also robust against changes in the parameter setting and against changes in the problem specification. Besides, few studies have used formal verification approaches for addressing scheduling problems; yet none of them considered challenging and practical issues such as multi-resource sharing aspect, uncontrollable environment and reaching the optimal schedule in a reasonable time for industrializing the model. The main objective of this thesis is to propose an efficient modeling and solving approach for the scheduling problem, considering multi-resource sharing and potential uncertainty in occurrence of certain events. For this purpose, after an introduction in Chapter 1, Chapter 2 addresses the problem of scheduling through a visual, expressive and formal modeling approach, based on weighted automata and the theory of timed automata. The originality of the proposed approach lies in ability of handling the sharing of multiple resources and proposing an efficient solving approach. The proposed models have the advantage of being directly exploitable by means of formal verification tools. The results are obtained using the UPPAAL tool. To solve the problem, an algorithm is developed based on iterating reachability analysis to obtain sub-optimal makespan. Results show the proposed model and solving approach provides a very promising complexity on the class of studied problems and can be applied to industrial cases. In Chapter 3, a synchronous composition of weighted automata is proposed to solve the scheduling problem by performing an optimal reachability analysis directly on the weighted automata models. In the fourth chapter, various uncontrollable behaviors such as the start time, the duration of the task and the failure occurrence in a scheduling problem are modeled by timed game automata. Then, the problem is solved by performing an optimal strategy synthesis over time in TIGA as a synthesis tool.

Le véhicule autonome est un véhicule qui se conduira, à terme, sans aucune intervention du conducteur, quelle que soit la situation de conduite. Ce véhicule comprend une nouvelle fonction, nommée fonction AD, pour Autonomous Driving, en charge de la conduite autonome. Cette fonction peut se trouver dans des états différents (Active, Disponible par exemple) selon l'évolution des conditions environnementales. Le changement de ses états est géré par une fonction de Supervision, nommée Supervision AD. Le principal objet de ces travaux consiste à garantir que la fonction AD se trouve constamment dans un état sûr. Ceci revient à s'assurer que la Supervision AD respecte l'ensemble des exigences fonctionnelles et de sûreté qui spécifient son comportement. Ces deux types d'exigences sont émis par deux métiers distincts : l'Architecte Métier Système (AMS) et le pilote Sûreté de Fonctionnement (SdF). Ces deux disciplines d'ingénierie, bien qu'elles contribuent à la conception d'une même fonction, se distinguent en de nombreux points : objectifs, contraintes, planning, outils... Dans notre cas d'étude, ces différences s'illustrent par les exigences considérées : les exigences fonctionnelles sont allouées à la fonction AD globale, tandis que les exigences de sûreté spécifient le comportement de sous-fonctions locales redondantes assurant une continuité de service en cas de défaillance. La mise en cohérence de ces deux perspectives métier au plus tôt dans le cycle de conception et dans un contexte industriel, est la problématique centrale traitée. Les enjeux de SdF soulevés par le véhicule autonome rendent ce problème primordial pour les constructeurs automobiles. Afin de répondre à ces préoccupations, nous avons proposé une démarche outillée et collaborative de conception sûre de la Supervision AD. Cette démarche est intégrée dans les processus normatifs en vigueur (normes ISO 15288 et ISO 26262) ainsi que dans les processus de conception internes chez Renault. Elle est fondée sur la vérification formelle par model checking, la composition parallèle d'automates finis et l'expertise métier. Cette démarche prône l'utilisation d'un même formalisme (l'automate à états finis) par les deux métiers pour mener à bien des activités partageant un objectif de modélisation commun : la vérification d'exigences de comportement en phase amont de conception. Une méthode pour traduire les exigences en propriétés formelles et construire les modèles d'état a été déployée. Il en résulte une consolidation progressive des exigences traitées, initialement rédigées en langage naturel. Les potentielles ambigüités, incohérences et incomplétudes sont exhibées et traitées. / The Autonomous Vehicle is meant to drive itself, without any driver intervention, whatever the driving situation. This vehicle includes a new function, called AD, for Autonomous Driving, function. This function can be in different states (Available, Active for example) according to environmental conditions evolution. This states change is managed by a supervision function, named AD Supervision. The main goal of my works consists in guaranteeing that AD function remains always in a safe state. In other words, the AD Supervision must always respect all the functional and safety requirements that specify its behavior. These two requirements types are produced by two different professions: the System Architect (SA) and the Safety Engineer (SE). These two fields contribute to the design of the same function but distinguish at several aspects: objectives, constraints, planning, tools… In our case study, these differences are illustrated by considered requirements: the functional requirements are allocated to global AD function, while the safety requirements specify the behavior of local redundant sub-functions ensuring a continuous service in case of failure. The consistency of the two perspectives as early as possible in the design phase and in an industrial context, is the central problematic addressed. The safety issues due to Autonomous Vehicle make this topic essential for the automotive manufacturers. To meet these concerns, we proposed a tooled and collaborative approach for safe design of AD Supervision. This approach is integrated in the normative processes (standards ISO 26262 and ISO 15288) as well as in the internal design processes at Renault. It is based on formal verification by model checking, parallel composition of finite sate automata and technical expertise. This approach advocates the utilization of a same formalism (state automata) by the two professions to perform activities sharing a common goal: behavior requirements verification in preliminary design phase. A method to translate requirements into formal properties and to build state models has been deployed. The result is a progressive consolidation of treated requirements, initially expressed in free natural language. The potential ambiguities, inconsistencies and incompleteness are exhibited and treated. Two main contributions are in this way illustrated: highlighting of several formal credible (i.e. validated by expertise) specifications from informal requirements; and precise definition of technical expertise role (milestones, planning). However, this reinforcement – in silos – of the two profession viewpoints does not guarantee that they are mutually consistent. Thus, we proposed a convergence method, relying on expertise and on parallel composition of state automata, for the comparison of local and global views.