L'objectif principal de cette thèse est de développer une nouvelle interface pour la simulation des procédures de chirurgie mini-invasive. L'interface développée introduit les modalités visuelle, haptique et thermique pour les futures générations de simulateurs et de robots chirurgicaux. La particularité de cette recherche réside dans l'utilisation de la stimulation thermique dans une perspective d'application pour la chirurgie. Dans ce cadre, plusieurs modèles de transfert de chaleur ont été développés, implémentés et évalués pour des applications de téléprésence et de réalité virtuelle. Des sensations intéressantes ont été enregistrées, ce qui a une conséquence directe sur la capacité de distinguer entre des objets dans l'environnement et particulièrement dans le domaine médical où la sensation thermique est en corrélation avec la présence d'anomalies dans certaines maladies. Un nouveau dispositif haptique est conçu et réalisé en analysant les tâches chirurgicales en termes de dextérité, d'espace de travail, de force et de couple exigés. Nous avons tenu compte des exigences générales de conception mécaniques des interfaces haptiques à partir de ce qui a été établi dans la littérature de l'haptique. Le dispositif complet a été interfacé avec un logiciel de simulation en réalité virtuelle (SOFA). Nous avons intégré dans SOFA le module nécessaire pour la simulation thermique. L'intégration était réussie et un scénario de simulation réaliste avec le retour d'information visuel que thermique a été réalisé. Des résultats préliminaires utilisant la simulation complète sont présentés.

Le sujet de thèse concerne la réalisation et la caractérisation d'un simulateur dynamique de véhicule deux-roues. La thèse est organisée en plusieurs parties essentielles. D'abord, une étude bibliographique est menée pour cerner la problématique de la simulation de conduite d'une manière générale en se focalisant sur les simulateurs de point de vue conception. Dans cette partie, on a pris connaissance des différentes architectures mécaniques utilisées auparavant ainsi que les problèmes liés. Le choix de l'architecture du simulateur est guidé par les besoins nécessaires d'avoir une perception suffisante au cours de la simulation de conduite. Notre objectif est de reproduire les effets inertiels (accélération, effort,..) les plus pertinents perçus dans une conduite réelle. Le second chapitre aborde la dynamique des véhicules et compare celle des deux-roues contre les automobiles. Des adaptations pour des modèles dynamiques de moto ont été présentées pour répondre à nos besoins en termes de rendus privilégiés. Le troisième chapitre présente les aspects conception, réalisation, caractérisation et identification du simulateur de moto mis au point dans le cadre de cette thèse. Il constitue la principale contribution de ces travaux de recherche. Les deux derniers chapitres sont dédiés aux algorithmes de contrôle/commande ainsi qu'essais expérimentaux sur la plateforme. Ces tests ont été réalisés en vue de la caractérisation et la validation de performances de toute la chaîne de simulation.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d’un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d’un robot de télé-échographie et d’un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l’amélioration de la compacité d’une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l’ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l’optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d’améliorer les performances en termes de force et vitesse à l’effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d’adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l’aspect imparfait du processus créatif. / In this thesis, we propose a contribution to the design of medical robots, by offering a concurrent design or simultaneous approach. As opposed to a natural sequential view of the design process, the formalization of the creative process allows simultaneity, paving the way for innovative structures, dedicated: in the medical robotic field, low mass and low compactness of the mechanical structure are often sought. From a description of existing approaches, we design a tele-ultrasound robot and a minimally invasive surgery robot. For both applications, high physical integration is required. For tele-ultrasound robots, portability is highly sought, requiring low compactness. For minimally invasive surgery, geared motors of the in vivo robot must be sized correctly. Here, we formalized the improvement of compactness of an existing parallel structure for remote ultrasound application. The results show an improvement of compactness of around 5%. In the same way, we formalize the dimensional synthesis of two robots 2R-R-R for in vivo minimally invasive surgery. The results show the under-sizing of some actuators. We perform simultaneous optimization between the design of geared motors and lengths of the body of a robot 2R-RR, tendering towards full simultaneity of the creative process, allowing to improve minimal force and velocity at the end-effector of the robot. These experiments of design show limits to a strict simultaneity. We indicate the need to adapt the tools and methods of mechatronic design for simultaneous robotics design, taking into account the imperfect aspect of the creative process.

En raison de leurs multiples avantages, les systèmes mécatroniques sont largement utilisés dans la réhabilitation physique de diverses pathologies, en particulier de l'articulation du genou. Bien que la littérature fasse état d'une variété de ce type de systèmes, nous pouvons dire qu’ils ont encore de nombreux problèmes techniques et faiblesses et qu’il n'existe actuellement aucun dispositif en mesure de satisfaire pleinement les besoins de rétablissement des patients. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse a été axé sur la recherche, la conception et la mise en œuvre d'une remise en état d'origine mécatronique de l'articulation du genou. Le système développé est destiné à tous les groupes sociaux et constitue une alternative moderne à la réadaptation médicale traditionnelle. Le système de réadaptation mécatronique a été mis en œuvre comme une solution originale, intégrée, efficiente et efficace, et offre des solutions techniques pour tous les problèmes signalés concernant les systèmes mécatroniques actuelles de la récupération médicale. L'originalité de ce système est mis en évidence par les fonctionnalités clés suivantes: la conception, les applications, le traitement personnalisé pour chaque patient, les méthodes de commandement et de contrôle, les protocoles de communication avec rétroaction du patient, les exigences de sécurité par rapport à l’interaction du patient avec le système mécatronique, la simplicité et la portabilité. Les résultats expérimentaux obtenus au cours des essais réalisés sur des sujets sains et des patients montrent: les meilleurs résultats sont obtenus en ce qui concerne le mouvement, la récupération articulaire, la qualité de la sécurité et la thérapie du patient ; le système offre le traitement le plus efficace pour la récupération de l'articulation du genou et il est en mesure d'assurer , en outre, la rééducation fonctionnelle des autres articulations du membre inférieur (la hanche et la cheville), applicable à une technique de reprise en boucle fermée: diagnostic - traitement - rétroaction du patient; le système permet un enregistrement en temps réel du progrès de la récupération du patient et aussi un base de données qui stocke l'évolution du patient; aussi, le système conçu peut successivement récupérer les deux jambes ; le système mécatronique évalue le rétablissement du patient en tenant compte des changements de positions angulaires et des forces normales et tangentielles développées au cours de l'interaction entre le pied humain et un système de récupération ; les valeurs obtenues des forces normales et tangentielles peuvent mettre en évidence la gravité de la maladie et le progrès de la réadaptation ; de même, ces valeurs peuvent être utilisées pour calculer le moment total développée dans l'articulation du genou mais aussi fournir des informations précieuses sur l'instabilité du genou ; le système mécatronique réduit le rétablissement médical du patient et accélère considérablement sa guérison. / Mechatronic systems are widely used in physical rehabilitation of various pathologies, especially of the knee joint, because of their multiple benefits. Although the literature notes a variety of such kind of systems, we can say that, they still have many technical problems and deficiencies and currently there is no device which is able to fully satisfy the need of patient recovery. In this context, the general objective of this thesis was focused on researching, designing and implementing an original mechatronic rehabilitation of the knee joint. The developed system is intended for all social groups and is a modern alternative to traditional medical rehabilitation. The rehabilitation mechatronic system was implemented as an original solution, integrated, efficient and effective, and offers some technical solutions for all the reported problems of the currently medical recovery mechatronic systems. The system’s originality is highlighted by the following key features: design; applications; personalized treatment to each patient; methods of command and control; communication protocols with feedback from the patient; safety requirements for the patient interaction with the mechatronic system, simplicity and portability. The experimental results achieved during the tests on healthy subjects and patients show: best results are obtained concerning the movement, joint recovery, quality of therapy and patient safety; the system provides the most effective treatment for the knee joint recovery and it is able to ensure, in addition, the functional rehabilitation of the other joints of the lower limb (hip and ankle); applies a closed loop technique recovery: diagnosis - treatment - feedback from the patient; allows a real time recuperative progress recording of the patient and also a database that stores the patient’s evolution; can successively recover the both legs; the mechatronic system evaluates the patient's recovery based on joint angular positions changes and the normal and tangential forces developed during the interaction between the human foot and recovery system; the obtained values of the normal and tangential forces can highlight the disease’s gravity and the rehabilitation progress; the values of normal and tangential forces can be used to calculate the total moment developed in the knee joint, but can also provide valuable information about knee instability; the mechatronic system reduces the patient's medical recovery and accelerates considerably its healing.

Les récupérateurs d'énergie vibratoire électrostatiques (REV) sont des systèmes convertissant une partie de l'énergie cinétique de leur environnement en énergie électrique, afin d'alimenter de petits systèmes électroniques. Les REV inertiels sont constituées d'un sous-système mécanique bâti autour d'une masse mobile, ainsi que d'une interface électrique. Ces deux blocs sont couplés par un transducteur électrostatique. Cette thèse étudie l'amélioration des performances des REV par la conception optimisée de leur interface électrique. La première partie de cette thèse étudie une famille d'interfaces électriques appelées pompes de charge (PC). On commence par la construction d'une théorie formelle des PC. Des interfaces rapportées dans la littérature sont identifiées comme membres de cette famille. Cette dernière est ensuite complétée par une nouvelle topologie de PC. Une comparaison des différents PC est alors faite dans le domaine électrique, puis un outil semi-analytique est présenté pour la comparaison des PC en prenant en compte le couplage électromécanique. L'étude des PC se termine par la présentation d'une nouvelle méthode de mesure du potentiel d'électret des REV. La deuxième partie de la thèse présente une approche de conception radicalement différente de ce qui est présenté dans les travaux actuels sur les REV. Elle préconise une synthèse active de la dynamique de la masse des REV à travers leur interface électrique. Nous montrons d'abord que cela permet la conversion d'énergie en quantités proches des limites physiques, et ce à partir de vibrations d'entrée de forme arbitraire. Enfin, une architecture pour un tel REV est proposée et testée en simulation. / Electrostatic vibration energy harvesters (e-VEHs) are systems that convert part of their surroundings' kinetic energy into electrical energy, in order to supply small-scale electronic systems. Inertial E-VEHs are comprised of a mechanical subsystem that revolves around a mobile mass, and of an electrical interface. The mechanical and electrical parts are coupled by an electrostatic transducer. This thesis is focused on improving the performances of e-VEHs by the design of their electrical interface. The first part of this thesis consists in the study of a family of electrical interfaces called charge-pumps conditioning circuits (CPCC). It starts by building a formal theory of CPCCs. State-of-the-art reported conditioning circuits are shown to belong to this family. This family is then completed by a new CPCC topology. An electrical domain comparison of different CPCCs is then reported. Next, a semi-analytical tool allowing for the comparison of CPCC-based e-VEHs accounting for electromechanical effects is reported. The first part of the thesis ends by presenting a novel method for the measurement of e-VEHs' built-in electret potential. The second part of the thesis presents a radically different design approach than what is followed in most of state-of-the-art works on e-VEHs. It advocates for e-VEHs that actively synthesize the dynamics of their mobile mass through their electrical interface. We first show that this enables to convert energy in amounts approaching the physical limits, and from arbitrary types of input vibrations. Then, a complete architecture such an e-VEH is proposed and tested in simulations submitted to human body vibrations.

Les systèmes d'entraînement de bandes flexibles sont utilisés dans la production d'une très grande variété de produits du quotidien mais également dans la métallurgie et dorénavant pour la production des nouvelles technologies. L'amélioration des systèmes industriels d'entraînement de bandes est un problème difficile car ils sont de grande dimension, non-linéaires, à paramètres variant et incertains. Ils possèdent un fort couplage entre les différentes parties (mécanique et commande) à cause de la bande qui relie les éléments. Il faut donc améliorer la chaîne de production par une approche pluridisciplinaire. Les objectifs sont de maîtriser les paramètres clés de ces systèmes afin de garantir les cadences de production et les précisions demandées de plus en plus importantes. Il faut également réduire les défauts les plus récurrents, notamment les plis de bande. Or jusqu'à présent seuls des modèles 1D étaient utilisés. Ils sont indispensables pour la synthèse de commande et les études fréquentielles mais ne permettent pas d'étudier des phénomènes complexes tels que les plis de bande. Une nouvelle approche d'étude de ces systèmes est développée. Dans un premier temps, des améliorations de structures de commandes sont proposées. Dans un second temps un modèle 3D par éléments finis utilisant un algorithme de dynamique multicorps flexibles est développé et utilisé pour étudier les plis de bande par comparaison à la théorie classique de prédiction de ces défauts. Dans un troisième temps un simulateur complet est développé comprenant le modèle 3D mécanique par élément finis couplé à la partie commande (co-simulation). / Roll-to-Roll systems are used in the manufacturing of a wide variety of everyday products as well as in metallurgy and for the manufacturing of new technologies. The improvement of Roll-to-Roll systems is a difficult problem because they are large, non-linear, with varying and uncertain parameters. They have a coupling between the different parts (mechanical and control) with the help of the web connecting the elements. It is therefore necessary to improve the process line through a multidisciplinary approach. The objectives are to master the key parameters of these systems in order to guarantee the manufacturing rates and the more important accuracies requested. It is also necessary to reduce or remove the most recurring defects such as web wrinkles. Until now, only 1D models were used. They are essential for control synthesis and frequency studies but they do not allow to study complex phenomena such as web wrinkles. A new approach for studying these systems is developed. First, improvements of control structures are proposed. Secondly, a 3D finite element model using a flexible multibody dynamics algorithm is developed, used in this work to study web wrinkles and compared to the classical prediction theory of these defects. Finally, a complete simulator is developed including the mechanical 3D model by finite element coupled to the control part (co-simulation).