La manipulation dextre est un sujet important dans la recherche en robotique et dans lequel peu de travaux ont abordé la manipulation d'objets déformables. De nouvelles applications en chirurgie, en industrie agroalimentaire ou encore dans les services à la personne nécessitent la maîtrise de la saisie et la manipulation d'objets déformables. Cette thèse s’intéresse à la manipulation d’objets déformables par des préhenseurs mécaniques anthropomorphiques tels que des mains articulées à plusieurs doigts. Cette tâche requière une grande expertise en modélisation mécanique et en commande : modélisation des interactions, perception tactile et par vision, contrôle des mouvements des doigts en position et en force pour assurer la stabilité de la saisie. Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur la modélisation de la saisie d'objets déformables. Pour cela, nous avons utilisé une discrétisation par des systèmes masses-ressorts non-linéaires pour modéliser des corps déformables en grands déplacements et déformations tout en ayant un coût calculatoire faible. Afin de prédire les forces d’interactions entre main robotique et objet déformable, nous avons proposé une approche originale basée sur un modèle rhéologique visco-élasto-plastique pour évaluer les forces tangentielles de contact et décrire la transition entre les modes d’adhérence et de glissement. Les forces de contact sont évaluées aux points nodaux en fonction des mouvements relatifs entre les bouts des doigts et les facettes du maillage de la surface de l’objet manipulé. Une autre contribution de cette thèse consiste à utiliser de cette modélisation dans la planification des tâches de manipulation d’objets déformables 3D. Cette planification consiste à déterminer la configuration optimale de la main pour la saisie de l’objet ainsi que les trajectoires à suivre et les efforts à appliquer par les doigts pour contrôler la déformation de l’objet tout en assurant la stabilité de l’opération. La validation expérimentale de ces travaux a été réalisée sur deux plateformes robotiques : une main Barrett embarquée sur un bras manipulateur Adept S1700D et une main Shadow embarquée sur un bras manipulateur Kuka LWR4+. / Dexterous manipulation is an important issue in robotics research in which few works have tackled deformable object manipulation. New applications in surgery, food industry or in service robotics require mastering the grasping and manipulation of deformable objects. This thesis focuses on deformable object manipulation by anthropomorphic mechanical graspers such as multi-fingered articulated hands. This task requires a great expertise in mechanical modeling and control: interaction modeling, tactile and vision perception, force / position control of finger movements to ensure stable grasping. The work presented in this thesis focuses on modeling the grasping of deformable objects. To this end, we used a discretization by non-linear mass-spring systems to model deformable bodies in large displacements and deformations while having a low computational cost. To predict the interaction forces between robot hand and deformable object, we proposed an original approach based on a visco-elasto-plastic rheological model to evaluate tangential contact forces and describe the transition between the sticking and slipping modes. The contact forces are evaluated at nodes as function of the relative movements between the fingertips and the surface mesh facets of the manipulated object. Another contribution of this thesis is the use of this model in the planning of 3D deformable object manipulation tasks. This planning consists in determining the optimal configuration of the hand for grasping the objects as well as the paths to track and the efforts to be applied by the fingers to control the deformation of the object while ensuring the stability of the operation. The experimental validation of this work has been carried out on two robotic platforms: a Barrett hand embedded on a Adept S1700D ® manipulator and a Shadow hand embedded on a Kuka LWR4+® manipulator.

Cette thèse propose une nouvelle approche pour l'analyse des prises. En se basant sur la théorie de l'axe central du torseur des forces de contact, nous avons développé une nouvelle condition nécessaire et suffisante pour qu'une prise soit en fermeture de force (force-closure). Pour le cas des prises planes à n points de contact, nous avons proposé une nouvelle méthode géométrique pour le test de la force-closure. Cet algorithme graphique est basé sur des calculs géométriques simples qui permettent de réduire d'une manière significative le coût de calcul par rapport aux schémas linéaires. En outre, une nouvelle formulation linéaire est proposée pour le test et la caractérisation d'une prise à n points de contact. Cet algorithme présente l'avantage d'être très simple du point de vue implémentation et rapide du point de vue temps de calcul. Afin de valider l'approche proposée, nous l'avons comparée avec les algorithmes basés sur le calcul de l'enveloppe convexe des torseurs primitifs de contact. Des implémentations de cet algorithme sont effectuées dans le démonstrateur " Move3d " du LAAS ainsi que dans le simulateur " GraspIt ". Nous abordons ensuite la synthèse de prises qui définissent une force-closure. En premier lieu, nous avons proposé la formulation du problème de recherche de la configuration des points de contact assurant un maximum de stabilité de l'objet comme étant un problème d'optimisation sous contraintes. En second lieu, pour les prises robotisées, nous avons présenté une approche pour la recherche des prises stables d'objets 3D. Le planificateur de prises proposé permet de générer des prises faisables sans passer par le calcul de la cinématique inverse de la main mécanique. Cette approche exploite, sans aucune transformation géométrique, les modèles CAO des objets à saisir pour minimiser le temps de recherche des prises. Ce planificateur de prises utilise un algorithme de résolution basé sur la techniques d'optimisation stochastique du recuit simulé . Cette méthode nous a permis de synthétiser des prises de bonne qualité d'objets complexes même dans des environnements encombrés d'obstacles. Pour illustrer l'efficacité de la démarche proposée, nous avons présenté des implémentations dans l'environnement de simulation "GraspIt".

L'objectif du travail proposé est de concevoir et commander un groupe des robots mobiles similaires et d'architecture simple appelés m-bots (mono-robots). Plusieurs m-bots ont la capacité de saisir ensemble un objet afin d'assurer sa co-manipulation et son transport quelle que soit sa forme et sa masse. Le robot résultant est appelé p-bot (poly-robot) et est capable d'effectuer des tâches de déménageur pour le transport d'objets génériques. La reconfigurabilité du p-bot par l'ajustement du nombre des m-bots utilisés permet de manipuler des objets lourds et des objets de formes quelconques (particulièrement s'ils sont plus larges qu'un seul m-bot). Sont considérés dans ce travail l'évitement d'obstacle ainsi que la stabilité du p-bot incluant la charge à transporter. Une cinématique pour un mécanisme de manipulation a été proposée et étudiée. Ce dernier assure le levage de la charge et son dépôt sur le corps des robots pour la transporter. Plusieurs variantes d'actionnement ont été étudiées : passif, avec compliance et actionné. Un algorithme de positionnement optimal des m-bots autour de l'objet à manipuler a été proposé afin d'assurer la réussite de la tâche à effectuer par les robots. Cet algorithme respecte le critère de "Force Closure Grasping" qui assure la stabilité de la charge durant la phase de manipulation. Il maintient aussi une marge de stabilité statique qui assure la stabilité de l'objet durant la phase de transport. Enfin, l'algorithme respecte le critère des zones inaccessibles qui ne peuvent pas être atteintes par les m-bots. Une loi de commande a été utilisée afin d'atteindre les positions désirées pour les m-bots et d'assurer la navigation en formation, durant la phase du transport, durant laquelle chaque robot élémentaire doit maintenir une position désirée par rapport à l'objet transporté. Des résultats de simulation pour un objet de forme quelconque, décrite par une courbe paramétrique, sont présentés. Des simulations 3D en dynamique multi-corps ainsi que des expériences menées sur les prototypes réalisés ont permis de valider nos propositions. / Our goal in the proposed work is to design and control a group of similar mobile robots with a simple architecture, called m-bot. Several m-bots can grip a payload, in order to co-manipulate and transport it, whatever its shape and mass. The resulting robot is called a p-bot andis capable to solve the so-called "removal-man task" to transport a payload. Reconfiguring the p-bot by adjusting the number of m-bots allows to manipulate heavy objects and to manage objects with anyshape, particularly if they are larger than a single m-bot. Obstacle avoidance is addressed and mechanical stability of the p-bot and its payload is permanently guaranteed. A proposed kinematic architecture for a manipulation mechanism is studied. This mechanism allows to lift a payload and put it on them-bot body in order to be transported. The mobile platform has a free steering motion allowing the system maneuver in any direction. An optimal positioning of the m-bots around the payload ensures a successful task achievement without loss of stability for the overall system. The positioning algorithm respects the Force Closure Grasping (FCG) criterion which ensures the payload stability during the manipulation phase. It respects also the Static Stability Margin (SSM) criterion which guarantees the payload stability during the transport. Finally, it considers also the Restricted Areas (RA) that could not be reached by the robots to grab the payload. A predefined control law is then used to ensure the Target Reaching (TR) phase of each m-bot to its desired position around the payload and to track a Virtual Structure (VS), during the transportation phase, in which each elementary robot has to keep the desired position relative to the payload. Simulation results for an object of any shape, described by aparametric curve, are presented. Additional 3D simulation results with a multi-body dynamic software and experiments by manufactured prototypes validate our proposal.