Le maintien de personnes âgées au domicile le plus longtemps possible est censé apporter une réponse à la croissance de l’espérance de vie en occident et a des coûts toujours croissants pour la société. ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet CompanionAble, qui vise a fournir une solution intégrée maison intelligente - robot aux personnes âgées, vivant seules. L'objectif est de maintenir un confort en fin de vie à un niveau élevé et à traiter les situations dangereuses pour elles, comme les chutes, avant que les conséquences ne deviennent trop importantes. Les éléments qui m’intéressent dans ce cadre sont le robot et l’opérateur, qui se trouve à l’extérieur de la maison, et qui peut téléopérer le robot en vue d’interagir avec la personne âgée, soit pour des activités ludiques (visioconférence, exercices de stimulation cognitive), soit pour des situations d’urgence (chute, perte de connaissance… de la personne âgée). Pour maintenir les coûts du système à un niveau raisonnable, on a envisagé l’utilisation de l’internet public pour la connexion entre le site maître (où se trouve l‘opérateur) et le site esclave (où se trouve le robot). Une autre spécificité du notre système est le fait que les utilisateurs ne sont pas des spécialistes de la téléopération. J’ai donc cherché à faciliter la tâche de pilotage du robot, dans ce contexte spécifique. Du côté de l’interface, on a cherché à aider l’opérateur traitant les problèmes liés aux délais de transmission (possibles à cause de l’utilisation de l’internet) et lui donner la possibilité d’utiliser une interface écologique, qui utilise des éléments de réalité augmentée. Du côté du robot, on a rajouté un nouveau mode de commande, semi-autonome, pour que l’opérateur soit plus à l’aise pendant qu’il le déplace. Pour finir, on a examiné la possibilité de passer d’un mode de commande à un autre, pour que l’opérateur soit le moins affecté que possible par des perturbations et que les performances du système restent acceptables. Les solutions proposées ont été implantée sur un système réel et évaluées au laboratoire et en situations réelles dans le cadre du projet européen CompanionAble. / Enabling older people to live in their homes as long as possible is supposed to respond to the growth of life expectancy in the west and the increasing costs to society. The present thesis was conducted in the framework of the companionable, which aims to provide an integrated smart home - robot for the elderly, which are living alone. The objective is to maintain the end of life comfort at a high level and to deal with dangerous situations for them, such as falls, before the consequences become too costly. The elements that interest me in this context are the robot and the remote operator, which is outside the home, and can teleoperate the robot to interact with the elderly, for recreational activities ( videoconferencing, cognitive stimulation exercises) or for emergency situations (falls, loss of consciousness, etc.). To keep the system costs to a reasonable level, we considered using the public internet as the connection between the master site (where the operator is) and the slave site (where the robot is). another unique feature of our system is that users are not specialists in teleoperation. As such, i tried to ease the task of controlling the robot, in this specific context. On the remote control interface side, we tried to help the operator in dealing with the problems associated with transmission delays (due to the possible use of the internet) and we gave him/her the option of using an ecological interface, which uses elements of augmented reality. On the robot side, we added a new command mode, semi-autonomous, so that the operator is more at ease as he/she controls the robot. finally, we examined the possibility of switching from one control mode to another, so that the operator is the least affected by possible disturbances and system performance is kept acceptable. The proposed solutions have been implemented on a real system and evaluated in the laboratory and in real situations, in the framework of the european CompanionAble project.

Le maintien de personnes âgées au domicile le plus longtemps possible est censé apporter une réponse à la croissance de l'espérance de vie en occident et a des coûts toujours croissants pour la société. ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet CompanionAble, qui vise a fournir une solution intégrée maison intelligente - robot aux personnes âgées, vivant seules. L'objectif est de maintenir un confort en fin de vie à un niveau élevé et à traiter les situations dangereuses pour elles, comme les chutes, avant que les conséquences ne deviennent trop importantes. Les éléments qui m'intéressent dans ce cadre sont le robot et l'opérateur, qui se trouve à l'extérieur de la maison, et qui peut téléopérer le robot en vue d'interagir avec la personne âgée, soit pour des activités ludiques (visioconférence, exercices de stimulation cognitive), soit pour des situations d'urgence (chute, perte de connaissance... de la personne âgée). Pour maintenir les coûts du système à un niveau raisonnable, on a envisagé l'utilisation de l'internet public pour la connexion entre le site maître (où se trouve l'opérateur) et le site esclave (où se trouve le robot). Une autre spécificité du notre système est le fait que les utilisateurs ne sont pas des spécialistes de la téléopération. J'ai donc cherché à faciliter la tâche de pilotage du robot, dans ce contexte spécifique. Du côté de l'interface, on a cherché à aider l'opérateur traitant les problèmes liés aux délais de transmission (possibles à cause de l'utilisation de l'internet) et lui donner la possibilité d'utiliser une interface écologique, qui utilise des éléments de réalité augmentée. Du côté du robot, on a rajouté un nouveau mode de commande, semi-autonome, pour que l'opérateur soit plus à l'aise pendant qu'il le déplace. Pour finir, on a examiné la possibilité de passer d'un mode de commande à un autre, pour que l'opérateur soit le moins affecté que possible par des perturbations et que les performances du système restent acceptables. Les solutions proposées ont été implantée sur un système réel et évaluées au laboratoire et en situations réelles dans le cadre du projet européen CompanionAble.

Les dernières années ont vu le développement de recherches portant sur l'interaction physique entre les robots aériens et leur environnement, accompagné de l'apparition de nombreux nouveaux systèmes mécaniques et approches de régulation. La communauté centrée autour de la robotique aérienne observe actuellement un déplacement de paradigmes des approches classiques de guidage, de navigation et de régulation vers des tâches moins triviales, telle le développement de l'interaction physique entre robots aériens et leur environnement. Ceci correspond à une extension des tâches dites de manipulation, du sol vers les airs. Cette thèse contribue au domaine de la manipulation aérienne en proposant un nouveau concept appelé MAGMaS, pour " Multiple Aerial Ground Manipulator System ". Les motivations qui ont conduites à l'association de manipulateurs terrestres et aériens pour effectuer des tâches de manipulation coopérative, résident dans une volonté d'exploiter leurs particularités respectives. Les manipulateurs terrestres apportant leur importante force et les manipulateurs aériens apportant leur vaste espace de travail. La première contribution de cette thèse présente une modélisation rigoureuse des MAGMaS. Les propriétés du système ainsi que ses possibles extensions sont discutées. Les méthodes de planning, d'estimation et de régulation nécessaire à l'exploitation des MAGMaS pour des tâches de manipulation collaborative sont dérivées. Ce travail propose d'exploiter les redondances des MAGMaS grâce à un algorithme optimal d'allocation de forces entre les manipulateurs. De plus, une méthode générale d'estimation de forces pour robots aériens est introduite. Toutes les techniques et les algorithmes présentés dans cette thèse sont intégrés dans une architecture globale, utilisée à la fois pour la simulation et la validation expérimentale. Cette architecture est en outre augmentée par l'addition d'une structure de télé-présence, afin de permettre l'opération à distances des MAGMaS. L'architecture générale est validée par une démonstration de levage de barre, qui est une application représentative des potentiels usages des MAGMaS. Une autre contribution relative au développement des MAGMaS consiste en une étude exploratoire de la flexibilité dans les objets manipulés par un MAGMaS. Un modèle du phénomène vibratoire est dérivé afin de mettre en exergue ses propriétés en termes de contrôle. La dernière contribution de cette thèse consiste en une étude exploratoire sur l'usage des actionneurs à raideur variable dans les robots aériens, dotant ces systèmes d'une compliance mécanique intrinsèque et de capacité de stockage d'énergie. Les fondements théoriques sont associés à la synthèse d'un contrôleur non-linéaire. L'approche proposée est validée par le biais d'expériences reposant sur l'intégration d'un actionneur à raideur variable léger sur un robot aérien. / In recent years, the subject of physical interaction for aerial robots has been a popular research area with many new mechanical designs and control approaches being proposed. The aerial robotics community is currently observing a paradigm shift from classic guidance, navigation, and control tasks towards more unusual tasks, for example requesting aerial robots to physically interact with the environment, thus extending the manipulation task from the ground into the air. This thesis contributes to the field of aerial manipulation by proposing a novel concept known has Multiple Aerial-Ground Manipulator System or MAGMaS, including what appears to be the first experimental demonstration of a MAGMaS and opening a new route of research. The motivation behind associating ground and aerial robots for cooperative manipulation is to leverage their respective particularities, ground robots bring strength while aerial robots widen the workspace of the system. The first contribution of this work introduces a meticulous system model for MAGMaS. The system model's properties and potential extensions are discussed in this work. The planning, estimation and control methods which are necessary to exploit MAGMaS in a cooperative manipulation tasks are derived. This works proposes an optimal control allocation scheme to exploit the MAGMaS redundancies and a general model-based force estimation method is presented. All of the proposed techniques reported in this thesis are integrated in a global architecture used for simulations and experimental validation. This architecture is extended by the addition of a tele-presence framework to allow remote operations of MAGMaS. The global architecture is validated by robust demonstrations of bar lifting, an application that gives an outlook of the prospective use of the proposed concept of MAGMaS. Another contribution in the development of MAGMaS consists of an exploratory study on the flexibility of manipulated loads. A vibration model is derived and exploited to showcase vibration properties in terms of control. The last contribution of this thesis consists of an exploratory study on the use of elastic joints in aerial robots, endowing these systems with mechanical compliance and energy storage capabilities. Theoretical groundings are associated with a nonlinear controller synthesis. The proposed approach is validated by experimental work which relies on the integration of a lightweight variable stiffness actuator on an aerial robot.