Le secteur de la robotique domestique est en pleine expansion. Comme toute nouvelle technologie, les capacités offertes aux clients doivent évoluer pour conquérir de nouveaux marchés. Des bras manipulateurs sur ces robots augmenteraient considérablement leurs capacités d'interactions. Mais il faut des bras à la fois performants et sécuritaires avant d'introduire ce type robot dans les domiciles et les hôpitaux. Dans cette optique, le laboratoire IntRoLab a développé un bras muni d'un nouveau type d'actionneur appelé ADE (Actionneur différentiel élastique). Les ADE, de par leur conception, ont une compliance intrinsèque de par l'usage d'un ressort dans leur mécanisme, et permettent un contrôle en force afin d'effectuer les actions sécuritairement. L'objectif de cette maîtrise consiste à développer la partie logicielle permettant de contrôler ce type de bras pour qu'ils puissent réaliser un grand nombre d'actions tout en conservant l'aspect sécuritaire du robot pour les interactions humain-robot. Pour réaliser cela, le système de contrôle développé combine à la fois un contrôle d'impédance articulaire, un contrôle d'impédance cartésien et un contrôle en force. Ces trois types de contrôle permettent au bras d'effectuer des actions dans différentes configurations. Le contrôle d'impédance articulaire permet de placer le bras dans une configuration articulaire précise. Le contrôle cartésien permet de placer la pince à la position souhaitée dans l'espace. Le contrôle en force permet d'appliquer une force cartésienne dans une direction souhaitée ce qui permet de faire des actions comme écrire, repasser, etc. Un système de compensation de gravité a également été ajouté à ce contrôle afin d'améliorer la précision et que le bras soit plus simple à bouger. En effet, sans la compensation ces contrôles présentent une erreur statique causée par le poids du bras. Les tests réalisés permettent de démontrer les caractéristiques et les limites des différents types de contrôles réalisables. Ainsi, l'influence des coefficients de raideur et d'amortissement sur les contrôles et notamment sur leur bande passante est analysée. La précision des contrôles est également déterminée. Pour vérifier la sécurité des bras, des tests sur la vitesse atteignable sont réalisés à l'aide du contrôleur d'impédance articulaire et du contrôleur d'impédance cartésien.

Le vieillissement de la population dans notre société moderne va entraîner de nouveaux besoins pour l’assistance aux personnes âgées et pour la réhabilitation. Les exosquelettes sont une piste de recherche prenant de plus en plus d’importance pour répondre à ces nouveaux challenges. Deux de ces challenges sont, la réalisation d’un contrôle naturel pour l’utilisateur et la sécurité. Cette maîtrise cherche à répondre à ces deux problématiques. Nous avons donc développé un outil de travail informatique utilisant les décharges électriques produites par les neurones moteurs pour contracter les muscles et un modèle des os et des muscles du bras. Cet outil utilise la librairie informatique ROS et OpenSim. Elle permet de connaître la force et le mouvement développés par le coude. De plus, un autre outil informatique a été développé pour optimiser le modèle des os et des muscles du bras pour le personnaliser à l’utilisateur pour un meilleur résultat. Une carte d’acquisition utilisant des électrodes de surface pouvant être reliées avec un ordinateur par USB et compatible avec ROS a été développée. Pour tester les algorithmes développés, un exosquelette pour le coude utilisant un actionneur compliant et contrôlé en force a été conçu. Pour compenser le poids de l’exosquelette et l’effet d’amortissement passif de l’actionneur, une compensation de gravité dynamique a été développée. Finalement, des expérimentations ont été menées sur l’efficacité de l’optimisation du modèle et sur l’exosquelette avec les différents algorithmes.

Cette thèse traite de la compensation magnétique de pesanteur. Tout d’abord, des expériences de lévitation magnétique de fluides sont interprétées à l’aide d’un potentiel magnéto-gravitationnel SL. Puis, l’utilisation d’une méthode générale d’analyse de la force magnétique grâce aux harmoniques du champ magnétique est développée. Elle souligne l’importance et le rôle de chacun des trois premiers harmoniques du champ magnétique sur les configurations de forces résultantes inhérentes à la compensation magnétique de pesanteur. En géométrie cylindrique (invariante par translation) diverses combinaisons de forces d’origines magnétique, gravitationnelle et centrifuge offrent des perspectives nouvelles pour la lévitation magnétique. Une combinaison judicieuse des forces magnétiques et centrifuges permet de compenser exactement la pesanteur sur des matériaux diamagnétiques. En géométrie axisymétrique (invariante par rotation), le dimensionnement de stations de lévitation d’oxygène, techniquement réalisables (NbTi@4,2K), est présenté. Ces stations permettent de léviter des volumes d’oxygène supérieurs à 1 litre avec des inhomogénéités inférieures à 1%. La constitution de ces stations rend possible les variations spatiales et temporelles des configurations d’accélérations résultantes. Enfin, la compensation magnétique dynamique de gravité, à l’aide d’une station de lévitation réelle, est étudiée afin de simuler des phases d’accélération ou de décélération d’engins spatiaux / The thesis deals with magnetic gravity compensation. First of all magnetic levitation experiments are explained with the help of a magneto-gravitational potential SL. Next, a general analysis method of the magnetic force is developed which employs magnetic field harmonics. The method underlines both the significance and role of the first three magnetic field harmonics on the resulting forces inherent in magnetic gravity compensation. In cylindrical geometry – with translational invariance – various combination of magnetic, gravitational and centrifugal forces open new possibilities for the magnetic levitation. A suitable combination of both magnetic and centrifugal forces allows exactly compensating gravity on diamagnetic materials. In axisymmetric geometry – with rotational invariance – designs of feasible oxygen magnetic levitation stations are introduced (NbTi@4,2K). Levitation of oxygen volumes more than one litre with inhomogeneities less than 1% can be accomplished within these magnetic levitation facilities. The constitution of the stations makes possible both spatial and temporal variations of the resulting acceleration configurations. At last the dynamic magnetic compensation of gravity with a real coil system is studied so as to simulate both acceleration and deceleration of spaceships

Ce travail présente le développement d’un robot exosquelette du membre supérieur pour des applications expérimentales dans le domaine des neurosciences. Le premier chapitre présente une description générale de l’anatomie du bras humain et introduit les principaux mouvements de l’épaule, du coude, et du poignet. Puis, l’état de l’art en matière d’exosquelettes et leurs différentes applications, fonctionnalités et limitations sont dressés. Le deuxième chapitre traite la conception mécanique et la plateforme électronique de notre prototype. Le calibrage et le traitement des signaux de commande et des retours codeurs sont abordés. Les modèles géométriques et cinématiques ainsi que les modèles dynamiques théoriques du robot sont calculés, simulés, et validés. Dans le troisième chapitre, la procédure d’identification des paramètres dynamiques de base du robot est présentée. Elle permet d’aboutir à une estimation du modèle dynamique réel utilisé dans la commande de l’exosquelette. Ensuite, une nouvelle méthode pour la compensation de gravité du robot est développée et validée, elle offre une alternative de commande plus simple et plus robuste et permet d’exécuter des manipulations dans un mode passif et transparent. Dans le dernier chapitre, la commande de l’exosquelette est abordée, trois stratégies de commande sont présentées, testées, et comparées. Une commande basée sur la compensation de la gravité et des frottements s’est avérée particulièrement appropriée pour nos manipulations. Puis, un protocole expérimental est mis au point pour un échantillon de douze personnes. Il permet l’évaluation des habilités visuelles et proprioceptives de l’homme à reconnaitre explicitement et implicitement ses propres mouvements reconstruits parmi d’autres. Enfin, une analyse statistique exhaustive des résultats est menée. Elle met en évidence une discrimination implicite entre les mouvements de soi et d’autrui, traduite par un avantage substantiel dans la reconnaissance des spécificités des mouvements reconstruits de soi par rapport à d’autrui. / This work presents the development of an upper extremity exoskeleton for experimental applications in the neuroscience field. The first chapter gives a general description of the anatomy of the human arm and introduces the major movements of the shoulder, elbow, and wrist joints. Then, the state of the art of exoskeletons and their different applications, features, and limitations are presented. The second chapter presents the mechanical design and the electronic platform our prototype. The calibration and signal processing procedures of the control and encoder feedback signals are discussed. The geometric, kinematic and dynamic models of the robot are calculated, simulated and validated. In the third chapter, the identification of the dynamic parameters of the robot is treated. It leads to an estimate of the real dynamic model employed in the control of the exoskeleton. Then, a new method for the gravity compensation of serial robots is developed and validated. It offers a simple and robust control alternative and the possibility to operate in a passive and transparent mode. In the last chapter, the control of the exoskeleton is addressed, three control strategies are presented, tested and compared. A control based on the gravity and friction compensation was particularly appropriate for our applications. Then, an experimental protocol is developed and applied on a sample of twelve persons. It allows the evaluation of the visual and proprioceptive abilities of humans to explicitly or implicitly recognize their own movements. Finally, an exhaustive statistical analysis of the results is conducted. It gives substantial evidence of an implicit discrimination between self and others’ movements manifested by a clear advantage in the recognition of the specificities of ones own movements reconstructed among others.

Le développement de technologies sécuritaires pour les interactions humain-robot offre la possibilité de concevoir des robots d’assistance thérapeutique. Une des approches recherchées est l’exosquelette permettant aux utilisateurs souffrant de paralysie partielle de retrouver leur mobilité en augmentant la force et la stabilité des jambes. Pour atteindre cet objectif, l’utilisation de l’actionneur différentiel élastique (ADE) permet d’appliquer une assistance mécanique aux membres de l’utilisateur tout en lui permettant d’influencer le résultat final. Le contrôle par impédance permet de tirer avantage de cette technologie, mais demande une gestion des forces externes plus élaborée. La gravité influence la position finale en exerçant une force vers le sol. Les frictions internes du robot et les résistances articulatoires de l’utilisateur peuvent aussi limiter la capacité d’atteindre une position désirée. Pour assurer la sécurité de l’utilisateur, il est nécessaire de compenser ces problèmes de façon à ne pas limiter le caractère compliant des actionneurs. Le contrôle par impédance combiné à la génération de trajectoire par polynôme quintique proposée permet d’améliorer la précision de l’exosquelette tout en réduisant la rigidité nécessaire. La compensation de gravité proposée permet à l’exosquelette d’apprendre l’influence de la gravité sur la précision du système et d’appliquer le couple supplémentaire pour l’annuler. Les résultats montrent que le système est capable d’assurer une performance intéressante et qu’il peut maintenir cette performance malgré la présence de forces externes autres que la gravité. Les exosquelettes actuellement sur le marché fournissent une assistance en force sans évaluer la sécurité de la démarche de l’utilisateur, ce qui nécessite un utilisateur capable de marcher par lui-même pour le contrôler. L’approche proposée a le potentiel de rendre possible l’exosquelette thérapeutique capable d’assurer l’équilibre de son utilisateur lors de ses déplacements, même s’il peut difficilement le faire sans assistance.