Les systèmes robotiques modernes sont généralement des machines mécaniquement rigides et contrôlées en position. Cette conception, bien que cohérente avec une recherche de performance en contrôle du mouvement, limite l'applicabilité aux environnements structurés et sécurisés. Pour que leur domaine d'application puisse s'étendre aux environnements partiellement inconnus, dynamiques ou anthropiques, des capacités d'interaction physique accrues sont nécessaires. Dans ce contexte, répondre aux exigences de sécurité, de robustesse et de polyvalence représente un défi, entre autres parce que les performances des technologies d'actionneur communément disponibles ne sont pas adéquates. Pour adresser cette problématique, ce mémoire propose une solution technologique basée sur l'usage synergique d'un moteur électromagnétique et de deux freins magnétorhéologiques. Le moteur agit comme source de vitesse et fournit la puissance mécanique. Les deux freins dirigent ce flux de puissance en contrôlant l'amplitude et la direction du couple appliqué en sortie. Cette approche découple la sortie de l'actionneur du moteur, permettant une impédance (inertie et friction) de sortie très faible. Elle permet également un contrôle en force relativement précis à haute bande passante. À l'aide de l'information de position de la sortie, elle permet également de réaliser des interactions complexes de façon sécuritaire et performante. Dans ce mémoire, le concept et la réalisation de prototypes sont présentés. Les performances de contrôle de force, d'interaction et de mouvement sont illustrées et discutées. Ces résultats indiquent des performances relativement uniques qui valident le potentiel de l'actionneur pour répondre à la problématique décrite. Une suite possible à ce projet serait la révision du prototype en vue d'optimiser des paramètres tels que la densité de couple, le coût de fabrication et la robustesse. Il s'agirait ensuite de tester l'actionneur dans un système robotique effectuant une tâche choisie. La technologie développée au cours de la maîtrise et décrite dans ce mémoire fait l'objet d'une demande de brevet international (protocole PCT) [Fauteux et al., 2009b].

For robots to operate in real life settings, they must be able to physically interact with the environment, and for instance be able to react to force-guidance interactions. However, only a few research projects have addressed such capabilities, developing prototypes that have to be pushed from their handle bars. AZIMUT-3 is a novel omnidirectional non-holonomic mobile robot developed at IntRoLab (Intelligent, Interactive and Interdisciplinary Robot Lab, Université de Sherbrooke) with force-controlled active steering. This results in a horizontal suspension effect for which the mechanical impedance of the steering actuators can be controlled. This makes the platform ideal for developing physical guidance algorithms. One such algorithm is secured shared-control, making the platform go in the direction of the user pushing the robot while still making it move safely by avoiding obstacles. Such capability is somewhat novel in the field, and the objective is to provide safe navigation with maximum control to the user. This Master's thesis has two important contributions: an algorithm to estimate the applied efforts on AZIMUT-3 from torque measurements on its wheels; an algorithm to use these efforts with obstacle detection using laser range finder data to implement a safe, shared-control approach. Experimental results using the real platform demonstrate feasibility and safe control of the system, with performances similar to using a six degrees of freedom force sensor but at lower cost and with a broader area for shared control. Our implementation also resulted in coupling the simulation environment Webots with the ROS (Robot Operating System) library from Willow Garage, to help develop our approach in simulation before using AZIMUT-3. Overall, our work is the first in demonstrating how it is possible to naturally interact by physically moving or positioning a mobile platform in real life settings, a capability which could be useful for instance in the design of powered shopping carts or active walkers.

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.

Ce travail de thèse propose un système de contrôle pour sécuriser et rigidifier une passerelle en composite verre et carbone. La passerelle autocontrainte se compose d'un double arc porteur, flambé élastiquement à partir de tubes rectilignes et stabilisé par deux câbles et des haubans croisés. Un tablier est posé sur des barres reliées aux câbles et haubans. Une étude Elements Finis identifie les points faibles de la passerelle. La stratégie de contrôle, basée sur des formes d'équilibre, répond à la fragilité des composites en uniformisant les forces dans les éléments de tension et à la souplesse en minimisant le déplacement vertical du tablier. Différentes géométries d'isoforce, avec forces uniformes dans les câbles et haubans, peuvent être déterminées avec la Méthode de la Densité de Force. Parmi les géométries d'isoforce, la géométrie cible d'un chargement a un déplacement minimal du tablier. On obtient une structure intelligente en adaptant interactivement la force des haubans.

Des recherches récentes démontrent que les normes nord-américaines de construction et de dimensionnement des ponts sous-estiment les efforts engendrés lors de collisions de camions ou de barges avec un pont. La majorité des recherches sont menées par modélisations, puisque l’étude d’une collision pleine échelle est très coûteuse. Afin de mener des recherches au sujet des charges d’impact pour l’étude des mécanismes d’endommagement ainsi que des méthodes de réhabilitation, il serait intéressant qu’une méthode d’essai en laboratoire soit développée. Une façon innovatrice de reproduire ces charges serait de procéder par des tests hybrides en temps réel avec un vérin hydraulique dynamique pour l’application des charges. Or, les charges d’impact sont caractérisées en force et le contrôle en force des vérins hydrauliques dynamiques en boucle fermée cause problème. La problématique est due à une faible stabilité de contrôle en boucle fermée ainsi qu’une faible précision des charges appliquées. Ces problèmes peuvent être évités par l’ajout d’un mécanisme flexible entre le vérin et la structure à tester. La déflexion du mécanisme est utilisé comme rétroaction pour contrôler le vérin. En connaissant la rigidité du mécanisme et en contrôlant sa déflexion, un contrôle indirect en force peut être accompli selon la loi de Hooke. Le projet présenté dans ce mémoire consiste à développer et à optimiser un tel mécanisme d’une capacité de [plus ou moins] 50 kN. Son effet sur la stabilité et la performance de la boucle de contrôle est étudié par modélisation et par essais en laboratoire, sa conception et ses principes de fonctionnement sont décrits, son comportement sous sollicitation statique et dynamique est analysé et discuté. Les résultats obtenus montrent l’excellent comportement du prototype sous chargement statique et dynamique ainsi que l’amélioration des performances de contrôle en force avec un vérin hydraulique.

La thèse propose un concept de microbancs optiques reconfigurables (MOEMS 3D hybrides) à base d'éléments microfabriqués et assemblés à l'aide d'une station robotique : ces nouveaux bancs optiques combinent les avantages du micro-assemblage robotique et des techniques de microfabrication sur silicium. Le positionnement fin des supports optiques sur un substrat s'effectue par une tâche de guidage. La réalisation d'une telle tâche à l'échelle micrométrique est une contribution majeure de la thèse. Elle a nécessité plusieurs avancées. L'absence de modèles fiables et de mesures disponibles pour des contacts plan/plan, un type de contact très fréquent en micro-assemblage, nous a conduit au développement d'un banc de mesure robotisé pour évaluer la force de pull-off. Ensuite, un système robotique équipé de préhenseur à deux doigts de serrage instrumentés a été mis en oeuvre pour mesurer simultanément la force de serrage et la force de contact latéral qui agit sur le micro-objet manipulé durant le guidage. Un modèle de l'évolution de la force de serrage lors de l'apparition de la force de contact latéral est présenté et confronté à une modélisation par éléments finis ainsi qu'à des résultats expérimentaux. Enfin, une stratégie de guidage est établie en prenant en compte la stabilité de la saisie et les spécificités du micromonde. Une commande hybride force/position est choisie pour automatiser le guidage par deux doigts instrumentés (GDDI). Elle a été mise en oeuvre avec succès sur un système robotique.

La dextérité manuelle est au centre de notre interaction physique avec le monde. La sophistication des mouvements des doigts chez l’homme nécessite le contrôle de plusieurs composants clés comme la force, l’indépendance, le timing et le séquençage des mouvements des doigts. La dextérité est souvent affectée dans de nombreuses pathologies impactant l’indépendance et la vie quotidienne des patients. Le but global de cette thèse est d’améliorer la rééducation de la dextérité chez ces patients par une meilleure mesure et compréhension de la dextérité et de ses composants. Nous avons développé le Finger Force Manipulandum (FFM), un outil permettant de quantifier les principaux composants de la dextérité chez des sujets sains et des patients. Afin de valider cet appareil, nous avons testé la faisabilité de son utilisation chez des patients souffrant d’un important déficit de dextérité après un accident vasculaire cérébral. Le FFM permet, chez ces patients (N= 10 vs N= 10 sujets sains), de quantifier les différents composants de la dextérité et d’identifier des déficits dans chacun d’entre eux (exemple : les patients font trois fois plus d’erreur que les témoins pour le contrôle de force ; P=0,0002). Les mesures sont plus sensibles que certains tests cliniques comme l’ARAT : elles permettent de détecter des déficits de la dextérité même chez des patients atteignant le score maximum de l’ARAT. Le FFM permet également de créer un profil de dextérité affectée chez chaque patient permettant ainsi de détecter quel composant est significativement affecté et permet aussi de suivre la récupération. Dans une maladie affectant légèrement la dextérité, comme la schizophrénie, lorsque l’on compare les scores FFM des patients stabilisés (N= 35) avec ceux des témoins (N= 20) on constate que les patients ont une performance diminuée de façon significative dans chacun des quatre composants de la dextérité. Certaines des mesures du FFM corrèlent avec des échelles cliniques comme la PANSS (R=0,53, P=0,0019) mais aussi avec des échelles neuropsychologiques. Ces mesures FFM sont également assez sensibles pour détecter une évolution au cours du temps : certains composants restent stables après une remédiation cognitive alors que d’autres s’améliorent. En conclusion, le FFM est un nouvel outil qui permet de quantifier les différents composants de la dextérité. Il est utilisable même chez des patients avec un important déficit manuel et permet d’identifier des profils individuels de dextérité affectée. Il est également assez sensible pour détecter de faibles diminutions de performances motrices comme celles retrouvées chez des patients schizophrènes et pourrait permettre d’identifier certains marqueurs moteurs ayant trait au background neuro-développemental des patients schizophrènes (détection précoce) et à l’évolution de la maladie. / Manual dexterity is essential for our physical interaction with the world. The high degree of dexterity in humans requires sophisticated control of several key components such as the control of force, of independence, timing and sequencing of finger movements. Manual dexterity is affected in various pathologies, impacting activities of daily living and leading to loss of independence. The main purpose of this thesis is to improve rehabilitation of dexterity in these patients by a better behavioral quantification and a clearer understanding of manual dexterity and its components of control. We developed the Finger Force Manipulandum (FFM), a new tool allowing for the quantification of the main components of the dexterity in healthy subjects and in patients. To validate this device, we tested the feasibility of its use with stroke patients suffering from moderate-to-severe deficits of dexterity. In these patients, the FFM allowed for quantification of four components of dexterity and for identification of deficits in each of them (example: patients (N=10) made three times more error than controls (N=10) in force control; P=0.0002). These measures (components) are more sensitive than clinical tests, such as the ARAT: patients reaching the maximum ARAT score still showed deficits of dexterity with the FFM. Based on the four FFM scores, individual profiles of affected dexterity were calculated, highlighting the individual deficit of each patient. This allowed for quantitative longitudinal follow up during recovery. In a disease affecting dexterity mildly, such as schizophrenia, the FFM scores of stabilized patients (N = 35) indicated a significantly lower performance compared to control subjects (N = 20) in each of the four dexterity components. Some of the FFM measures correlated with clinical scales, such as the PANSS (R=0.53, P=0.0019), and also with some neuropsychological scales. These FFM measures also provide indicators for the evolution of dexterity over time: certain components remained stable after cognitive remediation, while others improved. In conclusion, the FFM is a new tool, which allows for quantification of manual dexterity (by measuring various underlying components). It is suitable for patients with moderate-to-sever manual deficits and allows for identification of individual profiles of affected dexterity. It also detects minor manual deficits in schizophrenic patients, and may allow for identification of potential behavioral markers related to the neurodevelopmental background of schizophrenic patients (early detection) and to the evolution of the disease.

La dextérité, notamment la pince de précision (i.e., opposition pouce-index) est une fonction très développée chez l’homme. Elle est basée sur l’habileté à contrôler précisément et indépendamment les forces et mouvements des doigts en relation avec les contraintes de la tâche. Les muscles de la main responsables du mouvement des doigts sont gouvernés par le système corticospinal (CS) latéral. La principale source de ce système CS est l’aire motrice primaire (M1), laquelle possède des projections CS directes sur les motoneurones des muscles de la main. Cependant, d’autres projections CS en provenance des aires motrices non primaires ont été trouvées, notamment en provenance de l’aire motrice supplémentaire (SMA). Chez l’homme, la fonctionnalité de cette voie dans le contrôle habile des doigts a peu été étudiée. L’objectif de cette thèse est d’étudier, chez l’homme, l’implication des projections CS de la SMA lors de contrôle manuel précis de force. Pour ce faire, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et l’électroencéphalographie (EEG).A travers différentes études, nous avons pu mettre en évidence l’importante implication de la SMA dans la dextérité. Il semblerait que cette aire puisse agir en parallèle à M1 en régulant directement l’excitabilité des motoneurones de la moelle épinière. En conclusion, nos résultats suggèrent que M1 et SMAp ont une influence directe et efficace sur la production de force pendant des tâches motrices manuelles fines. / Human dexterity is a highly developed function based on the ability to independently and precisely control forces and movements of the fingers related to the constraints of the task. Hand muscles for finger movements are steered by the lateral corticospinal (CS) system. The main source of this CS system is the primary motor area (M1), which has direct CS projections on motoneurons innervating hand muscles. Recently, CS projections from non-primary motor area have also been found, especially from the supplementary motor area (SMA). However, the functionality of this CS tract in human manual force control is little studied. The aim of this thesis was to study the implication of the CS projections from SMA in precision manual force control, using electroencephalography (EEG) and transcranial magnetic stimulation (TMS).Altogether, the results obtained in our different studies show the important implication of SMA in dexterity. It appears that this area can act in parallel with M1, directly influencing excitability of spinal motoneurons. We conclude that M1 and SMA both have direct and efficient influence on force production during fine manual motor tasks.