La robotique collaborative a pour vocation d'assister physiquement l'opérateur dans ses tâches quotidiennes. Les deux partenaires qui composent un tel système possèdent des atouts complémentaires : physique pour le robot versus cognitif pour l'opérateur. Cette combinaison offre ainsi de nouvelles perspectives d'applications, notamment pour la réalisation de tâches non automatisables. Dans cette thèse, nous nous intéressons à une application particulière qui est l'assistance à la manipulation de pièces de grande taille lorsque la tâche à réaliser et l'environnement sont inconnus du robot. La manutention de telles pièces est une activité quotidienne dans de nombreux domaines et dont les caractéristiques en font une problématique à la fois complexe et critique. Nous proposons une stratégie d'assistance pour répondre à la problématique de contrôle simultané des points de saisie du robot et de l'opérateur liée à la manipulation de pièces de grandes dimensions, lorsque la tâche n'est pas connue du robot. Les rôles du robot et de l'opérateur dans la réalisation de la tâche sont distribués en fonction de leurs compétences relatives. Alors que l'opérateur décide du plan d'action et applique la force motrice qui permet de déplacer la pièce, le robot détecte l'intention de mouvement de l'opérateur et bloque les degrés de liberté qui ne correspondent pas au mouvement désiré. De cette façon, l'opérateur n'a pas à contrôler simultanément tous les degrés de liberté de la pièce. Les problématiques scientifiques relatives à l'interaction physique homme-robot abordées dans cette thèse se décomposent en trois grandes parties : la commande pour l'assistance, l'analyse du canal haptique et l'apprentissage lors de l'interaction. La stratégie développée s'appuie sur un formalisme unifié entre la spécification des assistances, la commande du robot et la détection d'intention. Il s'agit d'une approche modulaire qui peut être utilisée quelle que soit la commande bas niveau imposée dans le contrôleur du robot. Nous avons mis en avant son intérêt au travers de tâches différentes réalisées sur deux plateformes robotiques : un bras manipulateur et un robot humanoïde bipède. / Collaborative robotics aims at physically assisting humans in their daily tasks.The system comprises two partners with complementary strengths : physical for the robot versus cognitive for the operator. This combination provides new scenarios of application such as the accomplishment of difficult-to-automate tasks. In this thesis, we are interested in assisting the human operator to manipulate bulky parts while the robot has no prior knowledge of the environment and the task. Handling such parts is a daily activity in manyareas which is a complex and critical issue. We propose a new strategy of assistances to tackle the problem of simultaneously controlling both the grasping point of the operator and that of the robot. The task responsibilities for the robot and the operator are allocated according to their relative strengths. While the operator decides the plan and applies the driving force, the robot detects the operator's intention of motion and constrains the degrees of freedom that are useless to perform the intended motion. This way, the operator does not have to control all the degrees of freedom simultaneously. The scientific issues we deal with are split into three main parts : assistive control, haptic channel analysis and learning during the interaction.The strategy is based on a unified framework of the assistances specification, robot control and intention detection. This is a modular approach that can be applied with any low-level robot control architecture. We highlight its interest through manifold tasks completed with two robotics platforms : an industrial arm manipulator and a biped humanoid robot.

Dans le contexte industriel actuel, il existe encore un grand nombre de tâches pénibles qui ne peuvent pas être automatisées, et où le geste humain reste indispensable. L'introduction d'une assistance robotique peut alors être envisagée pour réduire les efforts que l'opérateur doit fournir, et ainsi éviter l'occurrence de troubles musculosquelettiques. En permettant à l'opérateur de manipuler conjointement un outil (ou objet) porté par le robot, il est possible envisager une collaboration sous forme de compensation de gravité, d'augmentation d'effort ou de réalisation de guides virtuels. Les robots industriels peuvent être des candidats pertinents pour ce type de collaboration, car leurs qualités mécaniques sont particulièrement complémentaires à celles de l'homme : ils sont notamment optimisés pour avoir une grande force, rigidité et précision absolue. Cependant les frottements dans les articulations et l'inertie importante de ces robots s'opposent à une interaction physique avec l'opérateur fluide et légère. L'utilisation d'un capteur d'effort au niveau de l'effecteur et d'une boucle d'effort est donc incontournable. On montre que la stabilité d'un système ainsi asservi dépend alors fortement de l'impédance mécanique qu'oppose la main de l'opérateur lorsqu'il manipule l'effecteur du robot. Nous appuierons notre étude sur une modélisation du robot capable de prendre en compte une flexibilité structurelle entre l'actionneur et la mesure d'effort, qui est à l'origine des limites de stabilité. Afin de résoudre le compromis performance/stabilité très contraignant qui en découle, nous proposons une loi de commande en impédance prenant en compte les caractéristiques de la prise de main sur une poignée d'interaction spécialement conçue. Pour caractériser la prise de main, il nous a été nécessaire de développer un capteur capable de cartographier la pression appliquée sur la surface arrondie de la poignée. Nous détaillons l'architecture et le fonctionnement d'un tel capteur, et montrons qu'il peut aussi être employé pour recouvrir le corps du robot. Nous proposons ainsi une solution pour assurer la sécurité de l'utilisateur vis-à-vis des autres parties mobiles du robot, peu sensibles aux interactions physiques avec l'opérateur ou avec son environnement. Nous complétons notre étude en considérant une interaction tripartite où le robot amplifie les efforts que l'opérateur applique sur l'outil. En adaptant les outils théoriques communément employés dans le domaine de la téléopération, nous menons une étude approfondie sur les limites de stabilité et de performances de ce dispositif. L'ensemble de ces travaux reposent sur des développements théoriques appuyés par des expérimentations sur un robot industriel réel.

Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la commande d'un robot manipulateur industriel, configuré pour une co-manipulation avec un opérateur humain, en vue de la manutention de charges lourdes. Dans un premier temps, nous avons présenté une vue d'ensemble des études qui ont été menées dans ce cadre. Ensuite, nous avons abordé la modélisation et l'identification des paramètres dynamiques du robot Denso VP-6242G. Nous avons utilisé le logiciel OpenSYMORO pour calculer son modèle dynamique. Après une présentation détaillée de la méthode d'identification des paramètres de robots manipulateurs, nous l'avons appliqué au cas de notre robot. Cela nous a permis d'obtenir un vecteur des paramètres qui garantit une matrice d'inertie définie positive pour n'importe quelle configuration articulaire du robot, tout en assurant une bonne qualité de reconstruction des couples pour des vitesses articulaires constantes, ou variables au cours du temps. Par la suite, nous avons détaillé les nouvelles fonctionnalités proposées pour le générateur de trajectoire en temps réel, sur lequel repose notre schéma de commande. Nous avons présenté une méthode d'estimation de la force de l'opérateur à partir des mesures de la force d'interaction entre le robot et l'opérateur, tout en tenant compte de la pénalisation de la force de l'opérateur afin d'avoir une image de cette dernière permettant de générer une trajectoire qui respecte les limites de l'espace de travail. Des tests du générateur de trajectoire simulant différents cas de figure possibles nous ont permis de vérifier l'efficacité des nouvelles fonctionnalités proposées. Le générateur permet de produire une trajectoire dans l'espace de travail tridimensionnel selon la direction de l'effort appliqué par l'opérateur, ce qui contribue à l'exigence de transparence recherchée en co-manipulation robotique. Dans la dernière partie, nous avons présenté et validé en simulation une commande en impédance dont les trajectoires de référence sont issues du générateur développé. Les résultats obtenus ont donné lieu à une bonne qualité de poursuite des trajectoires désirées. D'autre part, le respect des limites virtuelles de l'espace de travail a également été pris en compte. Cependant, les trajectoires articulaires correspondantes peuvent franchir les limites définies pour préserver l'intégrité du robot. / In this thesis, we were interested in the control of industrial manipulators in co-manipulation mode with a human operator for the handling of heavy loads. First, we have presented an overview of existing studies in this framework. Then, we have addressed the modeling and the identification of dynamic parameters for the Denso VP-6242G robot. We have used the OpenSYMORO software to calculate its dynamical model. After a detailed presentation of the method for identifying the robot's parameters, we have applied it to the case of our robot. This allowed us to obtain a vector of the parameters which guarantees a positive definite inertia matrix for any configuration of the robot, as well as a good quality of reconstruction of the torques in the case of constant joint velocities or in the case of variable ones over time. To continue, we have detailed the new features that have been proposed for the online trajectory generator, for which the control scheme is based on. We have presented a method for estimating the operator's force from the measurements of the interaction force between the robot and the operator, while taking into account for the penalization of the operator's force in order to have an information of this last which allows to generate a trajectory that respects the limits of workspace. Some tests of the trajectory generator simulating different possible scenarios have allowed us to check the effectiveness of the new proposed features. The generator makes it possible to produce a trajectory in the three-dimensional workspace according to the direction of the force applied by the operator, which contributes to fulfill the requirement of transparency that is sought in a co-manipulation. In the last part, we have presented and validated, in simulation, an impedance control whose reference trajectories are delivered by the proposed generator. The obtained results have shown a good trajectory tracking. On the other hand, the satisfaction of the virtual bounds of the workspace has also been nicely taken into account. However, the corresponding articular trajectories can cross the bounds defined to preserve the integrity of the robot.

La rééducation neuromotrice est un des nouveaux champs d'application de la robotique en interaction physique. Dans ce domaine, on cherche à concevoir des machines pouvant assister les mouvements de patients atteints de troubles neuromoteurs dans la réalisation d'exercices physiques. Un des enjeux importants est de pouvoir proposer des machines capables de maîtriser des efforts mécaniques distribués le long des membres du patient durant les mouvements. Ceci a conduit la communauté à travailler au développement de structure exosquelettiques. L'essentiel des recherches en cours est focalisé sur les aspects cinématiques plus que sur le problème des transmissions d'efforts. C'est au contraire à ces aspects cruciaux qu'est consacrée la présente thèse. Pour améliorer la qualité du contrôle des efforts dans la mise en oeuvre des exosquelettes robotiques, les principales contributions se situent dans les domaines de la conception et de la commande. S'agissant de la conception, nous avons exploité des résultats existants dans la littérature pour la structure mécanique et la mécatronique d'actionnement, en utilisant l'exosquelette réversible ABLE conçu au CEA LIST. Partant de ce modèle, représentatif de l'existant, nous avons travaillé sur le problème du couplage mécanique entre le robot et le bras. Ce travail a permis de proposer une méthode générale pour synthétiser des mécanismes de fixation articulés passifs entre un exosquelette et un membre humain. Les fixations ainsi conçues garantissent l'isostaticité globale de l'ensemble. L'étude théorique générale est appliquée à ABLE, montrant une amélioration nette de la qualité de l'interaction. S'agissant de la commande, nous avons déployé une commande en efforts multi-contacts, ce qui constitue en soit une originalité, puis proposé de faciliter l'accompagnement des mouvements du sujet en exploitant une anticipation de trajectoire, grâce à un contrôleur mixte force/position. Là encore, l'apport expérimental évalué sur l'exosquelette ABLE est probant. Un dernier résultat important de la thèse concerne l'évaluation de la qualité de l'interaction homme-exosquelette dans des tâches de comanipulation. En effet, pour pouvoir quantifier l'apport des différentes propositions dans le domaine de la conception et de la commande, nous avons dû établir une méthode permettant d'étudier de manière reproductible l'interaction physique homme-robot, en analysant simultanément les efforts et la cinématique des gestes.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la manipulation et de la coordination robotique à deux bras ayant pour objectif le développement d'une approche unifiée dont différentes tâches seront décrites dans le même formalisme. Afin de fournir un cadre théorique compact et rigoureux, les techniques présentées utilisent les quaternions duaux afin de représenter les différents aspects de la modélisation cinématique ainsi que de la commande. Une nouvelle représentation de la manipulation à deux bras est proposée - l'espace dual des tâches de coopération - laquelle exploite l'algèbre des quaternions duaux afin d'unifier les précédentes approches présentées dans la littérature. La méthode est étendue pour prendre en compte l'ensemble des chaînes cinématiques couplées incluant la simulation d'un manipulateur mobile. Une application originale de l'espace dual des tâches de coopération est développée afin de représenter de manière intuitive les tâches principales impliquées dans une collaboration homme-robot. Plusieurs expérimentations sont réalisées pour valider les techniques proposées. De plus, cette thèse propose une nouvelle classe de tâches d'interaction homme-robot dans laquelle le robot contrôle tout les aspects de la coordination. Ainsi, au-delà du contrôle de son propre bras, le robot contrôle le bras de l'humain par le biais de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) dans le cadre d'applications d'interaction robot / personne handicapée. Grâce à cette approche générique développée tout au long de cette thèse, les outils théoriques qui en résultent sont compacts et capables de décrire et de contrôler un large éventail de tâches de manipulations robotiques complexes.