Ce travail propose l’utilisation d’un nouveau matériau, appelé PMN-PT, qui continue aider la miniaturisation des systèmes complexes, utilisés dans des différentes technologies. Le travail est présenté dans le cadre de collaboration entre deux projets, MIOP et ADMAN. Les besoins tient compte que les actionneurs soient capables de délivrer de haute déplacement tout en conservant la simplicité et la fiabilité du système. L’accent est mis sur la polyvalence de ce matériau piézo-électrique, PMN-PT, en raison de ses propriétés électro-mécanique. Le travail comprend un aperçu sur quoi influence les propriétés électro-mécaniques du PMN-PT. L’accent est mis sur deux différentes, mais très puissants coupes: anisotrope [011] et longitudinale [001], choisi pour grand déplacement et haute dynamique avec un volume petit. Pour le PMN-PT[001], une structure de type poutre a été étudié, avec un modèle amélioré pour prendre en compte les spécificités de matériel. Les déplacements et forces ont été trouvés d’ être supérieur `a un actionneur en PZT, similairement dimensionnée, tandis que avoir des non-linéarités réduites. Ceci est illustré avec une micro pince avec 6DDL. L’étude de PMN-PT [001] coupé longitudinal suit. Cette étude a été fait en utilisant PMNPT comme un actionneur avec une structure simple, facile à intégrer. Les résultats démontrent les améliorations PMN-PT peut apporter à micro-spectrométrie et la correction d’image avec des micromiroirmobiles. Un micro actionneur PMN-PT a été intégré dans une structure compatible avec des MOEMS et présenté. / This work proposes the use of a novel material, called PMN-PT, that futher aids the miniaturizationof complex systems used in different technologies. The work is presented within the collaborativeframework of two projects, MIOP and ADMAN. The end-needs account for actuators capable ofdelivering high displacement, while maintaining system simplicity and reliability. The focus is onthe versatility of the PMN-PT piezoelectric material, due to its electro-mechanical properties. Thework includes an overview on what influences the electro-mechanical properties focusing on twodifferent, though very potent cuts: anisotropic [011] and longitudinal [001]. They were chosen forgenerating large displacement and high dynamics with small volume. For PMN-PT[001] a cantileverstructure was studied, for which the model was improved taking into account the material specificities.Displacements and forces were found to be superior to a similarly dimensioned PZT actuator, whilsthaving reduced non-linearities. This is exemplified with a 6 DoF capable microgripper. The PMNPT[001] longitudinal cut based actuator study follows. This is done by using PMN-PT as a simple,easy to integrate, bulk actuator. The findings demonstrate the improvements PMN-PT can bringto micro-spectrometry and image correction with micro-mirror displacement. A bulk PMN-PT microactuator was integrated into a MOEMS compatible structure and presented.

Les travaux de cette thèse portent sur la saisie et la manipulation dextre et ont pour dénominateur commun la robustesse vis-à-vis d'un environnement incertain (méconnaissance de la géométrie de l'objet ou du préhenseur, initialisation imparfaite du système, etc). La mesure de qualité de prise permet d'évaluer la stabilité d'une saisie. Nos travaux proposent une nouvelle mesure de qualité de prise, dont le principe reste dans la continuité des méthodes les plus connues qui consistent à déterminer l'espace des torseurs dynamiques applicables sur l'objet par le préhenseur. Notre mesure cherche à déterminer cet espace quelle que soit l'incertitude qui affecte le système préhenseur/objet. On appelle cet ensemble le Reachable Wrench Space under Uncertainties (RWSU). Deux algorithmes sont proposés afin de déterminer un majorant et un minorant du RWSU. La deuxième contribution concerne l'application d'algorithmes de commande robuste aux incertitudes de modèle pour la manipulation dextre. La première méthode de commande que nous proposons est un retour d'état, permettant de répondre à la consigne de manipulation, auquel on ajoute une action dynamique, permettant de répondre aux contraintes de saisie. Le retour d'état est synthétisé suivant un problème d'optimisation avec contraintes LMI. Les contraintes LMI permettent de définir la réponse dynamique du système bouclé, et d'assurer la robustesse aux incertitudes de modèle. Une seconde méthode de commande est proposée afin d'améliorer les performances de suivi de trajectoire pour ce système MIMO en découplant le mouvement à suivre des mouvements perturbateurs résultant des couplages dynamiques entre les axes. / This thesis deals with grasping and dexterous manipulation with multifingered hands, with the robustness to uncertain environments as a common denominator.The first contribution of the present work is a new measure of the grasp quality, which is used to evaluate the stability of a grasp. In the footsteps of the most known methods which consist in determining the reachable wrench space, our measure aims to evaluate this space whatever the uncertainty which affects the gripper/object system. This new space is called Reachable Wrench Space under Uncertainty (RWSU). Two algorithms are proposed to find respectively an upper and a lower bound of the RWSU.The second contribution concerns the application of robust control algorithms for dexterous manipulation. The first control method is composed of as a state-space feedback, which enables a manipulation task, and of an additional dynamic action, allowing to respect the grasp constraints. The state-space feedback is designed for a robust regional pole placement by the resolution of an optimization problem under LMI constraints. The LMI constraints define the dynamic response of the system in closed loop, and ensure the robustness with respect to model uncertainties. A second control method, based on eigenstructure assignment, is proposed to improve the trajectory tracking for the MIMO system. The eigenstructure assignment decouples the movement of the task from the disturbing movements resulting from the dynamic coupling between the axes.

<p>Multirotor unmanned aerial vehicles (UAVs) added with the ability to physically interact with the environment has opened endless possibilities for aerial mobile manipulation tasks. With the unlimited reachable workspace and physical interaction capabilities, such robots can enhance human ability to perform dangerous and hard-to-reach tasks. However, realizing aerial mobile manipulation in real-world scenarios is challenging with respect to the diversity in aerial platforms, control fidelity and susceptibility to variations in the environment. Therefore, the first part of the dissertation provides tools to  classify and evaluate different multirotor designs. A measure of responsiveness of a multirotor platform in exerting generalized forces and rejecting disturbances is discussed through the control bandwidth analysis. Superiority in control bandwidth for fully-actuated multirotors is established in a comparison with equivalent under-actuated multirotors. To further classify and distinguish multirotor platforms, a new mobility measure is proposed and compared by surveying all aerial platforms employed for aerial mobile manipulation. In compliance to the control bandwidth analysis, the mobility measure for fully-actuated multirotors is relatively higher making them better suited for manipulation tasks. </p> <p><br></p> <p><br></p> <p>Aerial physical interaction, as a part of aerial mobile manipulation, with partially unknown environments is challenging due to the uncertainties imposed while dexterously exerting force signatures. A hybrid physical interaction (HyPhI) controller is proposed to enable constrained force contact with a steady transition from unconstrained motion, by squelching excess energy during initial impact. However, uncertainties posed by the partially unknown environment requires to understand the surrounding environment and their current physical states, that can enhance interaction performance. The limited resources and flight time of the multirotors requires to simultaneously understand the environment and perform aerial physical interactions. Inspection-on-the-fly is an uncanny ability of humans to intuitively infer states during manipulation while reducing the necessity to conduct inspection and manipulation separately. In this dissertation, the inspection-on-the-fly method based HyPhI controller is proposed to engage in a steady contact with partially unknown environments, while simultaneously estimating the physical states of the surfaces. The proposed method is evaluated in a mockup of real-world facility, to understand the surface properties while engaging in steady interactions. Further, such inspection of surfaces and estimation of various states enables a deeper understanding of the environment while enhancing the ability to physically interact. </p>

Nous nous intéressons à la conception des mains mécaniques anthropomorphes destinées à manipuler des objets dans un environnement humain. Via l'analyse du mouvement de sujets humains lors d'une tâche de manipulation de référence, nous proposons une méthode pour évaluer la capacité des mains robotiques à manipuler les objets. Nous montrons comment les rapports de couplage angulaires entre les articulations et les limites articulaires, influent sur l'aptitude à manipuler dynamiquement des objets. Nous montrons également l'impact du poignet sur les tâches de manipulation rapides. Nous proposons une stratégie pour calculer les forces de manipulation en bout de doigts et dimensionner les moteurs d'un tel préhenseur. La méthode proposée est dépendante de la tâche visée et s'adapte à tout type de mouvement dès lors qu'il peut être capturé et analysé. Dans une deuxième partie, consacrée aux robots manipulateurs, nous élaborons des algorithmes de commande optimale. En considérant l'énergie cinétique du robot comme une métrique, le modèle dynamique est formulé sous forme tensorielle dans le cadre de la géométrie Riemannienne. La discrétisation temporelle est basée sur les Éléments Finis d'Hermite. Nous intégrons les équations de Lagrange du mouvement par une méthode de perturbation. Des exemples de simulation illustrent la superconvergence de la technique d'Hermite. Le critère de contrôle est choisi indépendant des paramètres de configuration. Les équations de la commande associées aux équations du mouvement se révèlent covariantes. La méthode de commande optimale proposée consiste à minimiser la fonction objective correspondant au critère invariant sélectionné. / We focus on the design of anthropomorphous mechanical hands destined to manipulate objects in a human environment. Via the motion analysis of a reference manipulation task performed by human subjects, we propose a method to evaluate a robotic hand manipulation capacities. We demonstrate how the angular coupling between the fingers joints and the angular limits affect the hands potential to manipulate objects. We also show the influence of the wrist motions on the manipulation task. We propose a strategy to calculate the fingertip manipulation forces and dimension the fingers motors. In a second part devoted to articulated robots, we elaborate optimal control algorithms. Regarding the kinetic energy of the robot as a metric, the dynamic model is formulated tensorially in the framework of Riemannian geometry. The time discretization is based on the Hermite Finite Elements.A time integration algorithm is designed by implementing a perturbation method of the Lagrange's motion equations. Simulation examples illustrate the superconvergence of the Hermite's technique. The control criterion is selected to be coordinate free. The control equations associated with the motion equations reveal to be covariant. The suggested control method consists in minimizing the objective function corresponding to the selected invariant criterion.

L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue. / Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.