La robotique souple s’inspire de la nature, de la manière dont les organismes vivants se déplacent et adaptent leur forme à leur environnement. Contrairement aux robots traditionnels, les robots souples accomplissent des tâches avec plus de flexibilité. Les matériaux souples avec lesquels ils sont construits les rendent plus sûrs pour des environnements fragiles.Cependant, le domaine de la robotique souple pose de nouveaux défis, en particulier pour la modélisation et le contrôle. Dans cette thèse, nous visons à fournir des méthodes génériques pour leur modélisation. Les méthodes sont basées sur la méthode des éléments finis pour capturer les déformations de la structure du robot, et de son environnement, quand il est déformable. Nous formulons le problème de leur cinématique inverse et dynamique inverse comme un programme d’optimisation, permettant de gérer facilement des contraintes aux actionneurs et des problèmes de singularité. Nous sommes en mesure de contrôler plusieurs types d’actionnement, tels que les actionnements par câbles, pneumatiques et hydrauliques.De plus, la plupart des applications impliquent une interaction du robot avec des obstacles. Or, la cinématique des robots souples dépend fortement des facteurs environnementaux. Nous proposons ainsi de nouvelles méthodes qui prennent en compte les contacts dans le processus d’optimisation. Enfin, nous proposons de contrôler certaines tâches de locomotion et de préhension nécessitant l’utilisation de contacts frottants (statique). Nous accordons une attention particulière à fournir des solutions avec des performances temps réel, permettant un contrôle en ligne des robots dans des environnements changeant. / Soft robotics draws its inspiration from nature, from the way living organisms move and adapt their shape to their environment. In opposition to traditional rigid robots, soft robots are built from highly compliant materials, allowing them to accomplish tasks with more flexibility. They are safer when working in fragile environment, which allows for potential use of soft robotics in the fields of manufacturing and medicine.Yet, the field of soft robotics brings new challenges, in particular for modeling and control. Within this thesis we aim at providing generic methods for soft robot modeling, without assumptions on the geometry. The methods are based on the finite element method to capture the deformations of the robot’s structure and of its environment when deformable. We formulate the problem of their inverse kinematics and dynamics as optimization programs, allowing easy handling of constraints on actuation and singularity problems. We are able to control several types of actuation, such as cable, pneumatic and hydraulic actuations.Moreover, most of the applications involve interaction of the robot with obstacles. Yet soft robots kinematics is highly dependent on environmental factors. We propose new methods that include contacts into the optimization process. These methods make an important step as we think that the knowledge of contacts in the modeling is all the more important. Finally, we propose to control some soft robots during locomotion and grasping tasks which require the use of contact with static friction. We give a particular attention to provide solutions with real-time performance, allowing online control in evolving environments.

La technologie de fabrication additive a été identifiée comme l'une des innovations numériques majeures qui a révolutionné non seulement le domaine de l'industrie, mais aussi celui de la construction. D'un point de vue de recherche, la fabrication additive reste un sujet d’actualité. C’est un procédé automatisé de dépôt de matériaux couche par couche afin d'imprimer des maisons ou des structures de petites dimensions pour un montage sur site. Dans la fabrication additive, l'étape de dépôt des matériaux est généralement suivie d'une étape de contrôle de la qualité d'impression. Cependant, le contrôle de qualité des objets imprimés ayant des surfaces funiculaires est parfois complexe à réaliser avec des robots rigides, ne pouvant atteindre des zones mortes. Dans cette thèse, un manipulateur souple et hyper-redondant a été modélisé et commandé cinématiquement, placé comme un effecteur d'un manipulateur rigide et mobile, afin d'effectuer une inspection des structures imprimées par des techniques de la fabrication additive. En effet, les manipulateurs souples peuvent fléchir et du coup suivre la forme géométrique de surfaces funiculaires. Ainsi, une approche hybride a été proposée pour modéliser la cinématique du robot souple et hyper-redondant, combinant une approche analytique pour la génération des équations cinématiques et une méthode qualitative à base des réseaux de neurones pour la résolution de ces dernières. Les performances de l'approche proposée sont validées à travers des expériences réalisées sur le robot "compact bionic handling arm" (cbha). / Additive manufacturing technology has been identified as one of the major digital innovations that has revolutionized not only industry, but also building. From a research point of view, additive manufacturing remains a very relevant topic. It is an automated process for depositing materials layer by layer to print houses or small structures for on-site assembly. In additive manufacturing processes, the deposition of materials is generally followed by a printing quality control step. However, the geometry of structures printed with funicular surfaces is sometimes complex, as robots with rigid structures cannot reach certain areas of the structure to be inspected. In this thesis, a flexible and highly redundant manipulator equipped with a camera is attached to the end-effector of a mobile manipulator robot for the quality inspection process of the printed structures. Indeed, soft manipulators can bend along their surounded 3D objects; and this inherent flexibility makes them suitable for navigation in crowded environments. As the number of controlled actuators is greater than the dimension of the workspace, this thesis can be summarized as a trajectory tracking of hyper-redundant robots. In this thesis, a hybrid approach that combines the advantages of model-based approaches and learning-based approaches is developed to model and solve the kinematics of soft and hyper-redundant manipulators. The principle is to develop mathematical models with reasonable assumptions, and to improve their accuracy through learning processes. The performance of the proposed approach is validated by performing a series of simulations and experiments applied to the compact bionic handling arm (cbha) robot.

Ce travail apporte de nouvelles méthodes pour la modélisation cinématique et le contrôle de manipulateurs continus et déformables, fondées sur la méthodes des éléments finis. À la différence des manipulateurs rigides, les manipulateurs continus et déformables engendrent leurs mouvements en se déformant, c'est pourquoi la méthode proposée prend en compte les déformations mécaniques pour mieux décrire la cinématique de ce genre de robots. Cette méthode n'apporte pas de solution analytique, mais une approximation numérique, par des méthodes dérivées de la mécanique numérique. La méthodologie est appliquée à un manipulateur continu, appelé "Compact Bionic Handling Assistant (CBHA)". Une stratégie de commande en boucle fermée, fondée sur l'allocation du contrôle, est également présentée. Les modèles et contrôleurs sont validés expérimentalement. / This work provides new methods for the kinematic modeling and control of soft, continuum manipulators based on the Finite Element Method. Contrary to the case of rigid manipulators, soft and continuum manipulators generate their motion by deformation, therefore, the proposed methodology accounts for the deformation mechanics to better describe the kinematics of these type of robots. This methodology does not produce analytic solutions, instead, a numerical approximation is provided by methods derived from Computational Mechanics. The methodology is applied to a continuum manipulator, namely, the Compact Bionic Handling Assistant (CBHA). A closed-loop control scheme based on control allocation is also presented. The models and controller are validated experimentally.

Ce travail de thèse propose une nouvelle méthode de modélisation et de reconstruction de la forme d’une classe de manipulateurs continuum, basée sur la géométrie des courbes. Les Hodographes Pythagoriens (courbes HP) sont utilisées pour reconstruire des formes optimales pour ce type de robots, par une optimisation des énergies potentielles de flexion et de torsion. Cette méthode nous permis de déduire la cinématique optimale des bras manipulateurs continuum. La validation de la méthode proposée a été réalisée sur le robot dit trompe d’éléphant ‘Compact Bionic Handling Assistant (CBHA)’. Une calibration a été réalisée sur la méthode de reconstruction afin d’améliorer les performances en terme de précision et de prendre en considération les incertitudes dues à la structure du bras manipulateur. La méthode proposée est également testée dans le cas de la préhension, en s’appuyant sur une approche qualitative à base de réseaux de neurones. De plus, l'approche HP est étendue à la modélisation des structures de robots hétérogènes avec plusieurs sections. Ce dernier a été validé pour une chaîne cinématique fermée, composée de deux manipulateurs CBHA, manipulant conjointement une corde flexible. / This work provides a new methodology to reconstruct the shape of continuum manipulators using a curve based approach. Pythagorean Hodograph (PH) curves are used to reconstruct the optimal shape of continuum manipulators using minimum potential energy (bending and twisting energy) criteria. This methodology allows us to obtain the optimal kinematics of continuum manipulators. The models are applied to a continuum manipulator, namely, the Compact Bionic Handling Assistant (CBHA) for experimental validation under free load manipulation. The calibration of the PH-based shape reconstruction methodology is performed to improve its accuracy to accommodate the uncertainties due to the structure of the manipulator. The proposed method is also tested under the loaded manipulation after combining it with a qualitative Neural Network approach. Furthermore, the PH-based methodology is extended to model multi-section heterogeneous bodies. This model is experimentally validated for a closed loop kinematic chain formed using two CBHA manipulating jointly a rope.

Cette thèse s'intéresse à la modélisation et la commande d'une classe des manipulateurs mobiles continus, a savoir le Robotino XT. Ce dernier comporte un manipulateur bionique continu montée sur une plate-forme mobile omnidirectionnel appelée Robotino. Premièrement, en utilisant la logique floue de type-2 et le champ de potentiel artificiel, nous avons proposé un contrôleur hybride intelligent pour la navigation de la plate-forme mobile. Ensuite, une architecture de commande adaptative neuronale a été proposée pour le contrôle de la partie manipulatrice. Cette architecture comporte deux sous-contrôleurs. Le premier sous-contrôleur, associé à la cinématique du manipulateur, et basé sur un système d'apprentissage supervisé distal contrôle les comportements stationnaires du manipulateur; tandis que le second, associé à la cinétique du manipulateur, et basé sur une commande adaptative permet de contrôler les comportements non stationnaires. Enfin, les deux contrôleurs sont coordonnés par un système neuronal pour contrôler le Robotino XT. Les performances de chaque contrôleur sont évaluées en réalisant des expériences en temps réel. / This dissertation addresses the modeling and the control of a class of Continuum manipulators, namely the Robotino XT. It consists of a bionic continuum manipulator mounted on an omnidirectional mobile platform named Robotino. Thus, we first propose a hybrid intelligent controller based on Type-2 Fuzzy Logic (type-2 FL) and Artificial Potential Function (APF) concepts for the mobile platform navigation. Then, an adaptive neural network controller is proposed for the manipulator part. The latter includes two sub-controllers. The first one, associated with the arm kinematics, and based on Distal Supervised Learning (DSL) scheme, deals with stationary behaviors of the manipulator; while the second, associated with the arm kinetics, and based on adaptive control, is applied to the non stationary behaviors. Finally, the two controllers are coordinated by a neural network system to control the Robotino XT. The performance of each controller is assessed by conducting real-time experiments.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και τον έλεγχο της κίνησης ενός ιδιόμορφου ρομποτικού βραχίονα προορισμένου να υλοποιεί ελαφρού τύπου εργασίες. Η διάταξη περιλαμβάνει τις τριβο-πολυμερείς αρθρώσεις συνδεόμενες μεταξύ τους μέσω ελαφρών σωλήνων αλουμινίου, τους βηματικούς κινητήρες, καθώς και τις κάρτες οδήγησής τους, τους αισθητήρες μέτρησης γωνίας περιστροφής των αρθρώσεων και τον προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) για τον έλεγχο της κίνησης του βραχίονα. Επίσης, χρησιμοποιείται το λογισμικό SCADA WinCC Flexible για την επικοινωνία του χρήστη με τη διάταξη. Βασικός σκοπός της εργασίας είναι ο έλεγχος κίνησης του ρομποτικού βραχίονα Robolink μέσω βηματικών κινητήρων, οι οποίοι με τη σειρά τους ελέγχονται από το PLC. Ο ρομποτικός βραχίονας Robolink είναι ένας βραχίονας από ελαφριά υλικά, σχεδιασμένος για ελαφριές εργασίες με μεγάλες δυνατότητες σε ταχύτητα αλλά σχετικά μικρή ακρίβεια στην επίτευξη θέσης στο χώρο. Ο Robolink είναι ένας βραχίονας διαμορφώσιμος από το χρήστη, ο οποίος μπορεί να επιλέξει το μήκος των μελών του και συνεπώς την απόσταση μεταξύ των αρθρώσεων, ενώ διατίθεται με διάφορους βαθμούς ελευθερίας, ανάλογα με τις ανάγκες της εφαρμογής. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή ο βραχίονας διαθέτει 4 βαθμούς ελευθερίας, δύο περιστροφικούς περί άξονα και δύο περιστροφικούς σε επίπεδο. Η κίνηση του βραχίονα γίνεται μέσω νηματόσχοινων τα οποία κινούν τις αρθρώσεις του και συνδέονται μέσω ειδικών τροχαλιών με τους βηματικούς κινητήρες. Η ανίχνευση της κίνησης γίνεται με κωδικοποιητές (encoders) που βρίσκονται πάνω στο βραχίονα και δίνουν την πληροφορία για τη γωνία περιστροφής κάθε άρθρωσης στο PLC. Τα σήματα των κωδικοποιητών διαβάζονται μέσω της κάρτας μέτρησης FM 350-2 του PLC. Η κάρτα FM 350-2 έχει τη δυνατότητα να μετρά παλμικά σήματα μεγάλης συχνότητας, όπως είναι αυτά των κωδικοποιητών, καθώς και να ενεργοποιεί κάποιες ψηφιακές εξόδους ανάλογα με τον αριθμό των σημάτων που έχει δεχθεί. Το PLC λαμβάνει από τη μονάδα FM 350-2 την ακριβή γωνία περιστροφής κάθε άρθρωσης του βραχίονα και ελέγχει την ενεργοποίηση και φορά περιστροφής κάθε ενός από τους τέσσερις βηματικούς κινητήρες, ελέγχοντας κατ’ επέκταση την κίνηση του βραχίονα. Για τη λειτουργία της διάταξης, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ανάμεσα σε 4 δυνατές λειτουργίες κίνησης του βραχίονα. Οι λειτουργίες αυτές είναι: Χειροκίνητη κίνηση με αναλογικά-γραμμικά ποτενσιόμετρα, κίνηση με χρήση οθόνης αφής, κίνηση προκαθορισμένης επίδειξης και κίνηση επιστροφής στη θέση αναφοράς (Reset). / --

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη και ο έλεγχος ρομποτικού συστήματος για την επεξεργασία βωξίτη. Αφορά συγκεκριμένα το μηχανολογικό σχεδιασμό του συστήματος, την επιλογή εξοπλισμού, τον ηλεκτρολογικό σχεδιασμό, τον έλεγχο με χρήση προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (PLC) και τέλος την υλοποίηση εφαρμογής scada / The purpose of this thesis is the development and control of robotic system for processing bauxite. Concern in particular the mechanical system design, the choice of equipment, the electrical design, the control using programmable logic controller (PLC) and finally the creation of scada application.

Cette thèse se place dans un contexte médical de traitements oncologiques, plus particulièrement en protonthérapie robotisée. L’objectif de cette thèse, réalisée sous contrat Cifre avec la société LEONI CIA Cable Systems, est le développement d’une commande en co-manipulation sûre dédiée à un robot médical sériel. Cette commande doit permettre à un opérateur de manipuler intuitivement et précisément un robot de grande inertie positionneur de patients. Les contributions portent sur deux axes, d’une part le développement et l’implémentation sur le robot Orion de l’entreprise LEONI CIA Cable Systems d’une commande en admittance ainsi que la comparaison de trois dispositifs haptiques, et d’autre part le développement d’un mécanisme de détection de collisions proprioceptif permettant l’amélioration de la sécurité de fonctionnement. À partir d’une revue de la littérature concernant les commandes compliantes, nous avons développé et implémenté une commande en admittance dédiée au robot Orion en tenant compte de la discrétisation de la commande par le contrôleur spécifique de ce robot. Une expérience de comparaison sur le robot nous a permis d’identifier le dispositif haptique le mieux adapté au cas clinique considéré. Après une étude de l’état de l’art des mécanismes de détection de collisions, une approche fréquentielle de la modélisation du couple axial prenant en compte les rapports de réduction élevés et de technologie différente du robot a été proposée. Elle permet de modéliser finement le couple théoriquement fourni par les moteurs ; celui-ci est ensuite comparé avec la mesure du couple réellement produit afin de détecter une éventuelle collision. / This PhD thesis takes place in a medical context of oncological treatments, more particularly in robotised protontherapy. The objective of this thesis, carried out under a CIFRE contract with LEONI CIA Cable Systems, is the development of a safe comanipulation control dedicated to a serial medical robot. This control law should allow an operator to intuitively and precisely manipulate a robot of high inertia for accurate patients positioning. The contributions of this thesis focus on the development and implementation of an admittance-controlled Orion robot from LEONI CIA Cable Systems and the comparison of three haptic devices, and on the other hand, on the development of a proprioceptive collision detection mechanism allowing the improvement of operational safety. Based on a review of the literature on compliant controls, we have developed and implemented an admittance control approach dedicated to the Orion robot, taking into account the discretization of the control by the controller specific to this robot. A comparison experiment on the robot allowed us to identify the haptic device best suited to the clinical case considered. Based on a state of the art of collision detection mechanisms analysis, a frequency approach of the modeling of the axial torque taking into account the high reduction ratios and different robot technology has been proposed. It allows us to finely model the torque theoretically provided by the motors ; The latter is then compared with the measurement of the torque actually produced in order to detect a possible collision.

Nous présentons dans cette thèse les différentes étapes de conception d'une plateforme microrobotique dédiée au positionnement sous faisceau de lumière d'objets de dimensions micrométriques. Cette plateforme a pour vocation de mettre en oeuvre des méthodologies d'asservissement et de suivi de position de micro-objets placés au coeur même d'un faisceau de lumière. L'objectif final étant de caractériser des micro/nano-matériaux par diffraction et diffusion des rayons X. Les différentes contraintes technologiques rencontrées par les systèmes de micro-nanomanipulation actuels en environnement synchrotron nous ont amené à concevoir une plateforme microrobotique de manipulation duale utilisant des sondes de microscope à force atomique (AFM). Diverses méthodologies de préhension avec une ou deux sondes AFM avec capteur de force intégré - ont été proposées en vue d'évaluer chacune d'entre-elles dans un contexte de positionnement tridimensionnel. Une stratégie de commande des micromanipulateurs à double étage est mise en oeuvre pour assurer l'asservissement de position des sondes AFM lors des tâches d’approche et de transport du micro-échantillon sous test. Afin d’augmenter la robustesse de positionnement vis-à-vis des erreurs de modélisation, des perturbations extérieures et des bruits de mesure, nous avons proposé une commande robuste de type H∞, avec optimisation des paramètres de pondération à partir d’algorithmes génétiques. De plus, les erreurs aléatoires d’alignement du faisceau de lumière avec l’objet sont corrigées en temps-réel par l’utilisation d’estimateurs de position (filtres de Kalman et particulaire). Finalement, des tâches microrobotiques automatisées de micro-préhension, de transport et de positionnement de microobjets sphériques de 8 μm de diamètre placés sous faisceau de lumière laser ont été réalisées avec succès. Le « benchmark » proposé est en cours de transfert au sein du European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble pour validation sous faisceau de rayons X. / We present in this thesis the various stages in the design of a microrobotics platform dedicated to the manipulation of micro/nano objects in a synchrotron environment. It is composed of dual micro/nano manipulators in order to handle and to maintain a micro/nano-sample through the focus of a X-ray or laser beam for material characterization and analysis. The main idea is to control and to drive in a robust way the micro/nanomanipulators by focusing the beam on the center part of the handled micro-object. A microgripper based on two Atomic Force Microscope (AFM) tips with integrated piezoresistive force sensors is proposed. First, the dual manipulators are controlled cooperatively by combining the different actuator dynamics to track a laser beam with nanometer precision. A robust control strategy based on H∞ control ensures a robust microhandling task under the focus of the laser beam whatever the external perturbations involved and parametric model uncertainties. The Genetic Algorithm (GA) approach is used to compute the parameter weighting functions in to obtain an optimal H∞ controller. Then, we propose to compensate the laser beam variations (thermal drift, mechanical variations) by estimating the position of the laser beam using stochastic estimators (Kalman and particle filters). To this aim, the maximum intensity of the laser beam is measured and tracked in real-time by a four-quadrant photodiode sensor. Finally, experimental results performed of micro-spheres (diameter: 8 μm) demonstrate the robustness of the robotic microhandling tasks using the proposed control scheme strategy.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης, η οποία περιλαμβάνει δύο ρομποτικές αρθρώσεις δύο βαθμών ελευθερίας η καθεμία, οκτώ πνευματικά έμβολα τύπου μυών και ισάριθμες αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, μία οθόνη χειρισμού SCADA και έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) για τον έλεγχο της διάταξης. Πιο συγκεκριμένα, η πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε είναι ένας ρομποτικός βραχίονας. Ο βραχίονας αποτελείται συνολικά από τις δύο αρθρώσεις και δύο μεταλλικούς σωλήνες, ο ένας από τους οποίους στερεώθηκε σε πάγκο εργασίας, ενώ ο δεύτερος παρεμβάλλεται μεταξύ των αρθρώσεων. Κάθε άρθρωση έχει εσωτερικά δύο ζεύγη νηματόσχοινων, όπου καθένα προκαλεί από μία κίνηση, περιστροφική με άξονα τον σωλήνα ή περιστροφική περιορισμένη στο επίπεδο που είναι κάθετο στον σωλήνα. Η έλξη του ενός ή του άλλου σκοινιού από κάθε ζεύγος ορίζει τη φορά περιστροφής. Τα νηματόσχοινα, που εκτείνονται εσωτερικά των σωλήνων, εξέρχονται στο κάτω μέρος, όπου εφαρμόζουν σε πνευματικούς μύες, υπεύθυνους για την έλξη. Το άλλο άκρο των μυών είναι στερεωμένο στο δάπεδο, ενώ τροφοδοτούνται με πεπιεσμένο αέρα από κατάλληλες βαλβίδες ρύθμισης πίεσης. Η πίεση του αέρα που παρέχεται στους μύες κάθε στιγμή ελέγχεται μέσω του PLC. Στα πλαίσια των πειραμάτων, αναπτύχθηκαν δύο τρόποι κίνησης του βραχίονα. Στην πρώτη περίπτωση, ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να ελέγχει καθεμιά από τις τέσσερις δυνατές κινήσεις ξεχωριστά, μέσω κατάλληλα διαμορφωμένης οθόνης χειρισμού SCADA. Στη δεύτερη περίπτωση, έχει προγραμματιστεί μια προκαθορισμένη κίνηση επίδειξης, που ξεκινά και τερματίζει με εντολή του χρήστη, αλλά δεν μπορεί να επέμβει κατά τη διάρκεια εκτέλεσής της. / -