Les interfaces haptiques sont des dispositifs relativement récents issus du monde de la robotique et de l'informatique, qui permettent de générer des retours sensoriels à destination de l'utilisateur. Or, il est difficile à l'heure actuelle d'identifier avec précision les influences de ces retours sensoriels sur la réalisation de tâches dans lesquelles ils se trouvent appliqués. Par exemple, pouvons nous utiliser ces dispositifs en vue de fournir une aide (ou un guidage) au geste réalisé ? Le fait d'ajouter des informations tactiles modifie-t-il notre perception de la tâche ? Comment le geste d'un chirurgien sera-t-il modifié en présence d'un dispositif haptique dans un simulateur de chirurgie ? Afin d'apporter des éléments de réponse à ces multiples interrogations, nous avons étudié les effets de l'ajout d'interfaces haptiques ou/et tactiles sur le suivi manuel de trajectoires bidimensionnelles ou tridimensionnelles au mode visuel classique de retour d'informations. Ce travail se situe à la frontière de plusieurs disciplines impliquant la compréhension des mécanismes cognitifs de traitement des informations somesthésique multi sensorielles (psychologie cognitive), l'étude du fonctionnement de ces dispositifs et donc la manière dont les informations numériques sont calculées (informatique et robotique) et la mise en œuvre de ces appareils dans une contexte de simulation (réalité virtuelle). Suite à une première partie bibliographique sur les caractéristiques du toucher, les dispositifs haptique et la problématique de guidage haptique, de nombreuses questions relatives à l'analyse de la performance humaine subsistent. Nos premières contributions quant au choix de méthodes d'analyses et des indices liés à la mesure de la performance du geste manuel sont exposées dans la seconde partie de ce rapport. L'étude proprement dite de l'influence des dispositifs haptique a été conduite dans la troisième partie de ce manuscrit, à travers une série d'expérimentations impliquant des trajectoires bidimensionnelles (geste d'écriture) ou tridimensionnelles (en réalité virtuelle ou dans l'utilisation au sein d'un simulateur de chirurgie), différents types de dispositifs haptiques (vibrotactiles ou à retour d'effort) et de multiples tâches (écriture, manipulation dans une configuration de réalité virtuelle ou encore chirurgie de la base du crâne). Ces expérimentations nous ont permis d'apporter une meilleure compréhension des implications des dispositifs haptiques sur le geste manuel en terme de modification des indices haptiques présents et de guidage haptique. La dernière partie de ce rapport intègre nos résultats de recherches dans une discussion transversale, apportant des tentatives de réponses à la problématique du sujet et un certain nombre de perspectives.

La chirurgie sans cicatrices, visant à réaliser des opérations chirurgicales sans cicatrices visibles, est l'avant-garde dans le domaine de la chirurgie mini-invasive. L'absence d'instruments adéquats est l'un des freins à son utilisation en routine clinique. Dans ce contexte, nous introduisons un nouveau robot chirurgical téléopéré, composé d'un endoscope et de deux instruments flexibles, avec 10 DDL motorisés. Cette thèse explore les différentes façons de contrôler le système. La cinématique du robot est analysée et différentes stratégies de contrôle maître/esclave, allant du contrôle articulaire au Cartésien, sont proposées. Ces stratégies ont été testés sur un simulateur virtuel ainsi que sur le système réel en laboratoire et en ex-vivo. Les résultats montrent qu’un seul utilisateur est capable de contrôler le robot et d’effectuer des tâches complexes en utilisant deux interfaces haptiques. / No-scar surgery, which aims at performing surgical operations without visible scars, is the vanguard in the field of Minimally Invasive Surgery (MIS). The lack of adequate instrumentation is one of the issues to its clinical routine use. In this context, we introduce a novel teleoperated surgical robot, consisting of an endoscope and two flexible instruments, with 10 motorized DOFs. This thesis investigates the possibilities to control the system. The robot kinematics is analyzed, and differentmaster/slave control strategies, ranging from joint to Cartesian control, are proposed. These strategies have been tested on a specifically developed virtual simulator and on the real system in laboratory and ex-vivo experiments. The results show that a single user is capable to control the robotic system and to perform complex tasks by means of two haptic interfaces.

L'hémiplégie est une préoccupation mondiale pour la santé; C'est une partie de la Paralysie Cérébrale (PC) où une moitié verticale du corps est affectée. Cela peut avoir un impact significatif sur le niveau du handicap. Les déficiences motrices concernant les membres supérieurs, sont fréquentes chez les personnes hémiplégiques. Ces handicaps surviennent en raison de la perte de la communication entre le cerveau et le côté affecté du corps. Dans cette thèse, une stimulation visuelle, audio et tactile a été fournie aux patients pour une réhabilitation de ces membres affectés. La stratégie de contrôle haptique a été développée en utilisant des dispositifs haptiques, qui sont moins coûteux. Des scénarios de Réalité Virtuelle (RV) pour la thérapie haptique-RV, ont été développés afin de s'assurer la cohérence entre les flux visuels, audio et tactiles. Un dispositif haptique à 3 degrés de liberté (DDL) (Novint Falcon) que nous avons associé à un dispositif de rotation avec 1 DDL, que nous avons réalisé, a été utilisé pour appliquer cette stratégie de contrôle en mode-actif. La stratégie développée fournit des trajectoires libres dans des scènes RV et force feed-back dans d'autres directions, autrement dit modèle ‘résistant aux besoins’. Deux méthodes ont été développées pour évaluer les performances des membres supérieurs ciblés. La première méthode a été développée en utilisant une kinectTM pour Windows. Cet appareil a été choisi et utilisé dans notre système en raison sa portabilité, de son espace de travail, de sa facilité d'utilisation et de son prix bas. Le but principal de cette méthode d'évaluation est de valider la relation entre les différents scénarios de RV et le type de mouvement effectué par les membres supérieurs affectés des enfants. La deuxième méthode d'évaluation a été développée en utilisant les données collectées du système lui-même afin de fournir aux thérapeutes la qualité et la quantité de performance à chaque type de mouvements. Cette méthode a été construite en utilisant l'approche de la logique floue. Enfin, trois expériences ont été réalisées. Deux expériences de thérapie et une expérience d'évaluation. Les résultats illustrent la faisabilité de notre approche. Des perspectives ont été données en vue d’une validation au près d’un groupe d’enfant hémiplégique plus important dans l’avenir. Ce travail nécessite une préparation importante et une coordination sur le très long terme avec le corps médical et les familles des enfants atteints. / Hemiplegia is a global concern for health; it is a part of Cerebral Palsy (CP) where a vertical half of the body is affected. This can have a significant impact on the level of disability. Upper extremity motor impairments are common in hemiplegic patients. These disabilities occur because of the loss of communication between the brain and the affected side of the body. In this thesis, visual, audio and tactile stimulation was provided to patients for rehabilitation of these affected limbs. The haptic control strategy has been developed using haptic devices, which are less costly. Virtual Reality (VR) scenarios for haptic-VR therapy have been developed to ensure coherence between visual, audio and tactile flows. A 3-degree-of-freedom (DOF) haptic device (Novint Falcon) which we have associated with a rotation device with 1 DOF, which we have realized, has been used to apply this active-mode control strategy. The developed strategy provides free trajectories in VR scenes and forces feedback in other directions, 'resistant when needed' model. Two methods have been developed to evaluate the performance of the targeted upper limbs. The first method was developed using a kinectTM for Windows. This device was chosen and used in our system because of its portability, workspace, ease of use and low price. The main purpose of this evaluation method is to validate the relationship between the different VR scenarios and the type of movement performed by the affected upper limbs of children. The second evaluation method was developed using the collected data from the system itself in order to provide the therapists with the quality and the quantity of the performance for each type of movements. This method was constructed using the fuzzy logic approach. Finally, three experiments were carried out. Two therapy experiments and one evaluation experiment. The results illustrate the feasibility of our approach. Prospects have been given for validation with a larger group of hemiplegic children in the future. This work requires considerable preparation and coordination over the very long term with the medical profession and the families of affected children.

Bien que la pleine autonomie dans des environnements inconnus soit encore loin, les architectures de contrôle partagé où l'humain et un contrôleur autonome travaillent ensemble pour atteindre un objectif commun peuvent constituer un « terrain intermédiaire » pragmatique. Dans cette thèse, nous avons abordé les différents problèmes des algorithmes de contrôle partagé pour les applications de saisie et de manipulation. En particulier, le travail s'inscrit dans le projet H2020 Romans dont l'objectif est d'automatiser le tri et la ségrégation des déchets nucléaires en développant des architectures de contrôle partagées permettant à un opérateur humain de manipuler facilement les objets d'intérêt. La thèse propose des architectures de contrôle partagé différentes pour manipulation à double bras avec un équilibre opérateur / autonomie différent en fonction de la tâche à accomplir. Au lieu de travailler uniquement sur le contrôle instantané du manipulateur, nous proposons des architectures qui prennent en compte automatiquement les tâches de pré-saisie et de post-saisie permettant à l'opérateur de se concentrer uniquement sur la tâche à accomplir. La thèse propose également une architecture de contrôle partagée pour contrôler un humanoïde à deux bras où l'utilisateur est informé de la stabilité de l'humanoïde grâce à un retour haptique. En plus, un nouvel algorithme d'équilibrage permettant un contrôle optimal de l'humanoïde lors de l'interaction avec l'environnement est également proposé. / While full autonomy in unknown environments is still in far reach, shared-control architectures where the human and an autonomous controller work together to achieve a common objective may be a pragmatic "middle-ground". In this thesis, we have tackled the different issues of shared-control architectures for grasping and sorting applications. In particular, the work is framed in the H2020 RoMaNS project whose goal is to automatize the sort and segregation of nuclear waste by developing shared control architectures allowing a human operator to easily manipulate the objects of interest. The thesis proposes several shared-control architectures for dual-arm manipulation with different operator/autonomy balance depending on the task at hand. While most of the approaches provide an instantaneous interface, we also propose architectures which automatically account for the pre-grasp and post-grasp trajectories allowing the operator to focus only on the task at hand (ex., grasping). The thesis also proposes a shared control architecture for controlling a force-controlled humanoid robot in which the user is informed about the stability of the humanoid through haptic feedback. A new balancing algorithm allowing for the optimal control of the humanoid under high interaction forces is also proposed.

Ce mémoire couvre le développement d'une interface bimanuelle pour IMAGE v2, une application de simulation visuelle interactive aidant à la compréhension de situations complexes. Cette interface est centrée sur l'utilisateur et est développée principalement pour les environnements immersifs, environnements dans lesquels IMAGE v2 doit être déployé. Il s'agit d'une interface gestuelle, car l'utilisateur devra interagir avec les objets de l'application à l'aide de ses mains. Deux variantes de l'interface ont été implémentées, l'une requérant l'utilisation d'une seule main et l'autre permettant d'utiliser les deux mains. Ces deux variantes ont été comparées dans une étude sur un groupe d'utilisateurs qui devaient exécuter une série de tâches avec chaque variante de l'interface, le temps étant mesuré. L'étude a montré que l'interface bimanuelle augmente significativement la performance et la précision des utilisateurs. / This thesis covers the conception of a bimanual interface for IMAGE v2, an application of visual interactive simulation aiming to help in understanding complex situations. This interface is user-centric and is developed principally for virtual immersive environments, environments in which IMAGE v2 is to be used. It is a gestural interface because users will interact with the application by using their hands. Two variants of the interface have been implemented, the first requiring the user to use only one hand and the other allowing the use of both hands. Those two variants were compared in a study on a group of users who executed a series of tasks with each variant of the interface, time being measured. This study showed that the bimanual interface increased significantly the performance and precision of the users.

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

Pour rendre compte physiquement de la manipulation d'un objet virtuel dans l'espace ou sur un plan, la plupart des dispositifs haptiques actuels font appel à des actionneurs à un seul degré de liberté, dont les actions sont couplées par diverses liaisons mécaniques (type pantographe). La technologie piézoélectrique est une solution avantageuse dans ce domaine d'utilisation, pour son important effort massique, le travail à faible vitesse, et surtout la capacité à motoriser plusieurs degrés de liberté à partir d'un seul actionneur. Pour cette raison, un translateur piézoélectrique plan à onde stationnaire est étudié. Un modèle simplifié est élaboré pour offrir une interprétation globale des phénomènes de contact. Il est établi selon le formalisme du graphe informationnel causal qui met en évidence deux asservissements applicables au domaine haptique : un retour d'effort actif par le contrôle en force, et une solution alternative comparable à un embrayage, qualifié de retour d'effort dissipatif.

Le projet de recherche qui est présenté dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre d'une maîtrise en génie mécanique. Le but de ces recherches était de réaliser un mécanisme haptique avec un robot à câbles ayant la capacité de reproduire des contacts brusques et rigides durant une simulation en réalité virtuelle. Un simulateur de combat d'épée élémentaire a donc été construit pour servir de banc d'essai puisque ce genre de simulation nécessite ces genres de contacts. La majeure partie du projet était consacrée à l'élaboration des prototypes d'enrouleurs du mécanisme à câbles. Ces enrouleurs ont été conçus pour créer des impacts en induisant la collision de deux petites pièces métalliques. Les vibrations créées ainsi voyagent des enrouleurs vers l'utilisateur par l'entremise des câbles et l'effecteur et donnent ainsi la sensation de frapper un objet rigide. Les mécanismes ainsi créés sont très innovateurs et démontrent beaucoup de potentiel. Le fonctionnement de ces enrouleurs, ainsi que le processus de conception qui a mené à l'élaboration de ceux-ci est détaillé tout au long de ce mémoire. De plus, la performance de ces mécanismes est évaluée et il y a une liste de recommandations pour créer un prototype plus avancé.

Les progrès récents dans le domaine de l'infographie et la capacité des ordinateurs personnels de rendre les scènes 3D réalistes ont permis de développer des environnements virtuels dans lesquels plusieurs utilisateurs peuvent co-exister et travailler ensemble pour atteindre un objectif commun. Ces environnements sont appelés Environnements Virtuels Collaboratifs (EVCs). Les applications potentielles des EVCs sont dans les domaines militaire, medical, l'assemblage, la conception assistee par ordinateur, la teleoperation, l'éducation, les jeux et les réseaux sociaux. Un des problemes liés aux EVCs est la faible connaissance des utilisateurs concernant l'état, les actions et les intentions de leur(s) collaborateur(s). Ceci reduit non seulement la performance collective, mais conduit également à des résultats non satisfaisants. En outre, les tâches collaboratives ou coopératives réalisées sans aide ou assistance, sont plus difficiles et plus sujettes aux erreurs. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'influence de guides multi-modaux sur la performance des utilisateurs lors de tâches collaboratives en environnement virtuel (EV). Nous proposons un certain nombre de guides basés sur les modalites visuelle, auditive et haptique. Dans ce contexte, nous étudions leur qualité de guidage et examinons leur influence sur l'awareness, la co-presence et la coordination des utilisateurs pendant la réalisation des tâches. A cette effet, nous avons développé une architecture logicielle qui permet la collaboration de deux (peut être étendue à plusieurs utiliateurs) utilisateurs (distribués ou co-localisés). En utilisant cette architecture, nous avons développé des applications qui non seulement permettent un travail collaboratif, mais fournissent aussi des assistances multi-modales aux utilisateurs. Le travail de collaboration soutenu par ces applications comprend des tâches de type "Peg-in-hole", de télé-manipulation coopérative via deux robots, de télé-guidage pour l'écriture ou le dessin. Afin d'évaluer la pertinence et l'influence des guides proposés, une série d'expériences a ete effectuée au LISA (Laboratoire d'Ingénierie et Systemes Automatisés) à l'Université d'Angers et au Laboratoire IBISC (Informatique, Biologie Integrative et Systemes Complexes) à l'Université d'Evry. Dans ces expériences, les utilisateurs ont été invités à effectuer des tâches variées, dans des conditions différentes (avec et sans guides). L'analyse a été effectuée sur la base du temps de réalisation des tâches, des erreurs et de l'apprentissage des utilisateurs. Pour les évaluations subjectives des questionnaires ont été utilisés. Ce travail contribue de manière signicative au développement de systèmes collaboratifs pour la téléoperation, la simulation d'assemblage, l'apprentissage de gestes techniques, la rééducation, la conception assistée par ordinateur et le divertissement.

Les travaux décrits dans ce document abordent le problème du couplage dynamique homme-système haptique. Nous proposons une étude de ce couplage basée sur l'hypothèse d'un système hybride temporaire. Selon cette hypothèse, le système formé lors du couplage peut être considéré comme un système dynamique dont les deux parties ne peuvent pas être séparées. Ce sujet est pluridisciplinaire, se situant à l'intersection des sciences cognitives, de l'automatique et de l'haptique. La première partie du document comporte un état de l'art sur l'analyse du couplage dans ces trois domaines, une description de la problématique et de la méthode à utiliser pour notre étude ainsi qu'une proposition des typologies du geste. Lors de cette étude du couplage, nous nous intéressons à un groupe de gestes particuliers, notamment le geste périodique et le geste passif dans une situation de simulation haptique ainsi qu'aux modèles d'interaction capables de les générer. La méthode générale, consiste à définir des approches pour la modélisation du couplage main-système haptique pour ensuite réaliser une analyse du système couplé à partir d'une acquisition des données du système lors du couplage et en utilisant des méthodes d'identification de paramètres issus de l'automatique pour caractériser les modèles. La dernière partie, décrit la mise en place du dispositif pour l'analyse expérimentale du couplage en situation de simulation avec une interaction haptique. Ce dispositif permet l'acquisition des données du geste pour l'analyse. Nous présentons également, l'étude réalisée sur le simulateur haptique afin d'établir l'équivalence entre les paramètres virtuels introduits et issus du simulateur et des paramètres physiques réels. Ensuite, nous décrivons l'analyse expérimentale des différentes situations de couplage proposées. Les expériences effectuées lors de cette étude ont été réalisées sur la plateforme temps réel ERGON_X, conçue par l'ACROE/ICA. Les résultats de ces expériences ont permis de quantifier les modèles du geste et d'observer ses composantes, selon les modèles établis. Mots clés : haptique, interface haptique, interfaces homme-machine, simulation temps réel, couplage homme-objet, geste, modélisation physique, identification de paramètres.