Au cours de la dernière décennie, l’industrie des véhicules aériens sans pilote (UAV) a connu une croissance et une diversification immenses. De nos jours, nous trouvons des applications basées sur les drones dans un large éventail d’industries, telles que les infrastructures, l’agriculture, les transports, etc. Ce phénomène a suscité un intérêt croissant dans le domaine de la manipulation aérienne. La mise en œuvre de manipulateurs aériens dans l'industrie des UAV pourrait générer une augmentation significative du nombre d'applications possibles. Cependant, la restriction de la charge utile disponible est l’un des principaux inconvénients de cette approche. L'impossibilité d'équiper les drones de bras robotiques industriels puissants et habiles a suscité l'intérêt pour le développement de manipulateurs légers adaptés à ces applications. Dans le but de fournir une solution légère alternative aux manipulateurs aériens, cette thèse propose un bras robotique léger actionné par des fils en alliage à mémoire de forme (SMA). Bien que les fils SMA représentent une excellente alternative aux actionneurs conventionnels pour les applications légères, ils impliquent également une dynamique hautement non linéaire, ce qui les rend difficiles à contrôler. Cherchant à présenter une solution pour la tâche difficile de contrôler les fils SMA, ce travail étudie les conséquences et les avantages de la mise en œuvre des techniques de commande par retour d’état. L'objectif final de cette étude est la mise en œuvre expérimentale d'un contrôle à rétroaction d'état pour la régulation de la position du bras robotique léger proposé. Tout d'abord, un modèle mathématique basé sur un modèle physique du comportement des câbles SMA est développé et validé expérimentalement. Ce modèle décrit la dynamique du bras robotique léger proposé du point de vue de la mécatronique. Le bras robotique proposé est testé avec trois contrôleurs de retour de sortie pour le contrôle de position angulaire, à savoir un PID, un mode coulissant et une commande adaptative. Les contrôleurs sont testés dans une simulation MATLAB, puis mis en œuvre et testés expérimentalement selon différents scénarios. Ensuite, afin de réaliser la mise en œuvre expérimentale d’une technique de commande par retour d’état, un observateur d’état, à entrée inconnue, est développé. Premièrement, un modèle observable sans commutation avec une entrée inconnue est dérivé du modèle présenté précédemment. Ce modèle prend comme entrée inconnue le taux de fraction de martensite du modèle d'origine, ce qui permet d'éliminer les termes de commutation dans le modèle. Ensuite, un observateur, à entrées inconnues, basé sur le filtre de Kalman étendu et sur l’observateur à mode glissant est développé. Cet observateur permet l’estimation simultanée de l’état et des entrées inconnues. Les conditions suffisantes de convergence et de stabilité sont établies. L'observateur est testé dans une simulation MATLAB et validé expérimentalement dans différents scénarios. Enfin, une technique de commande par retour d’état est testée en simulation et implémentée de manière expérimentale pour le contrôle de position angulaire du bras robotique léger proposé. Elle est basée sur la résolution d’une équation de Riccati (SDRE). En conclusion, une analyse comparative quantitative et qualitative entre une approche de commande par retour de sortie et la une de commande par retour d’état mis en œuvre est effectuée selon plusieurs scénarios, y compris la régulation de position, le suivi de position et le suivi de charges utiles changeantes. / In the last decade, the industry of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has gone through immense growth and diversification. Nowadays, we find drone based applications in a wide range of industries, such as infrastructure, agriculture, transport, among others. This phenomenon has generated an increasing interest in the field of aerial manipulation. The implementation of aerial manipulators in the UAV industry could generate a significant increase in possible applications. However, the restriction on available payload is one of the main setbacks of this approach. The impossibility to equip UAVs with heavy dexterous industrial robotic arms has driven the interest in the development of lightweight manipulators suitable for these applications. In the pursuit of providing an alternative lightweight solution for the aerial manipulators, this thesis proposes a lightweight robotic arm actuated by Shape Memory Alloy (SMA) wires. Although SMA wires represent a great alternative to conventional actuators for lightweight applications, they also imply highly nonlinear dynamics, which makes them difficult to control. Seeking to present a solution for the challenging task of controlling SMA wires, this work investigates the implications and advantages of the implementation of state feedback control techniques. The final aim of this study is the experimental implementation of a state feedback control for position regulation of the proposed lightweight robotic arm. Firstly, a mathematical model based on a constitutive model of the SMA wire is developed and experimentally validated. This model describes the dynamics of the proposed lightweight robotic arm from a mechatronics perspective. The proposed robotic arm is tested with three output feedback controllers for angular position control, namely a PID, a Sliding Mode and an Adaptive Controller. The controllers are tested in a MATLAB simulation and finally implemented and experimentally tested in various different scenarios. Following, in order to perform the experimental implementation of a state feedback control technique, a state and unknown input observer is developed. First, a non-switching observable model with unknown input of the proposed robotic arm is derived from the model previously presented. This model takes the martensite fraction rate of the original model as an unknown input, making it possible to eliminate the switching terms in the model. Then, a state and unknown input observer is proposed. This observer is based on the Extended Kalman Filter (EKF) for state estimation and sliding mode approach for unknown input estimation. Sufficient conditions for stability and convergence are established. The observer is tested in a MATLAB simulation and experimentally validated in various different scenarios. Finally, a state feedback control technique is tested in simulation and experimentally implemented for angular position control of the proposed lightweight robotic arm. Specifically, continuous and discrete-time State-Dependent Riccati Equation (SDRE) control laws are derived and implemented. To conclude, a quantitative and qualitative comparative analysis between an output feedback control approach and the implemented state feedback control is carried out under multiple scenarios, including position regulation, position tracking and tracking with changing payloads.

Les robots manipulateurs sont généralement des machines rigides, conçues pour que leurflexibilité ne perturbe pas leurs mouvements. En effet, des flexibilités mécaniques importantesdans la structure d’un système introduisent des degrés de liberté supplémentaires dont le comportementest complexe et difficile à maîtriser. Cependant, la réduction de la masse d’un systèmeest bénéfique du point de vue des coûts, de la performance énergétique, de la sécurité et des performancesdynamiques. Afin de faciliter l’accès aux nombreux avantages d’une structure légèremalgré la présence de fortes flexibilités, cette thèse porte sur la modélisation, la conception et lacommande de robots manipulateurs flexibles. Elle est motivée par le projet YAKA, dont l’applicationest le lancement et la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route.Cette application nécessite une importante dynamique sur un vaste espace de travail, bien au-delàdes spécifications des robots rigides classiques. Les outils de modélisation, de conception et decommande proposés prennent en compte la flexibilité des segments et des articulations, pour unnombre quelconque de degrés de liberté et de segments flexibles. Le modèle dynamique flexibleest obtenu par le formalisme de Lagrange, les poutres flexibles sont représentées par le modèled’Euler-Bernoulli. Le schéma de commande proposé se décompose en une inversion de modèledynamique rigide et un bloc de précommande par Input Shaping adapté aux robots manipulateursflexibles. Les outils de conception proposés permettent de baser le processus de conceptionsur des performances prédites du système complet muni de ses actionneurs et de son contrôleuravec une simulation réaliste. Les validations expérimentales effectuées sur le robot YAKA permettentde valider la pertinence de la démarche suivie. Les résultats du projet YAKA confirment lafaisabilité de la mise en oeuvre d’un robot flexible de grande envergure et à forte dynamique dansun contexte industriel, en particulier pour le lancement et la récupération d’un drone à voilurefixe depuis un navire faisant route. / Robot manipulators are generally stiff machines, designed in a way that flexibility does not affecttheir movements. Indeed, significant flexibility introduces additional degrees of freedom witha complex behavior. However, reducing the mass of a system allows for costs, performance, andsafety improvements. In order to allow those benefits despite important flexibility, this thesis focuseson modeling, design and control of flexible robot manipulators. It is motivated by the YAKAproject, which aims at developing a robot to launch and recover fixed wing UAVs from a movingship. It implies reaching very high dynamics on a large workspace, way beyond the specificationsof common rigid robots. The proposed tools for modeling, design and control allow for taking intoaccount both joint and link flexibility, for any number of degrees of freedom and flexible links.The elastodynamic model is obtained with Lagrange principle, each flexible link being representedwith one ormany Euler-Bernouilli beams. The proposed control scheme uses a nonlinear rigiddynamic inversion and extends classical Input Shaping techniques to flexible robot manipulators.The proposed design tools allow for performance prediction of the system including its actuatorsand controllers thanks to a realistic simulation. Experiments conducted with the YAKA robot validatedthe proposed approach. The results of the YAKA project confirmed the feasibility of usinga large scale, highly dynamic flexible robot in an industrial context, in particular for UAVs launchand recovery operations from amoving ship.

Cette thèse se situe dans la planification et le suivi de mouvement d’un humanoïde mobile à deux bras. Premièrement, MDH est utilisé pour la modélisation cinématique. Afin de surmonter les insuffisances de la méthode d’Euler-Lagrange qui nécessitent des calculs d’énergie et ses dérivées partielles, la méthode de Kane est utilisée. En plus, la stabilité physique est analysée et un contrôleur est conçu. Deuxièmement, un algorithme avancée MaxiMin NSGA-II est proposée pour concevoir l’orientation et la position optimales de la plate-forme mobile (PB) et la configuration optimale du manipulateur supérieur (MS) étant donnée uniquement la pose initiale et les positions et orientations souhaitées des EEs. Un algorithme à connexion directe combinant BiRRT et la gradient-descente est conçu pour réaliser la transition de la pose initiale à la pose optimale, et une méthode d'optimisation géométrique est conçue pour optimiser et cohérer le chemin. En outre, les motions en avant sont obtenues en attribuant des orientations pour MB indiquant ainsi l'intention du robot. Afin de résoudre le problème d'échec de l’algorithme hors ligne, un algorithme en ligne est proposé en estimant les motions des obstacles dynamiques. De plus, afin d'optimiser les via-poses, un algorithme basé sur les via-points des EEs et MOGA est proposé en optimisant quatre fonctions objectives. Enfin, le problème de suivi de motion est étudié étant donné les motions des EEs dans l'espace de tâche. Au lieu de contrôler la motion absolue, deux motions relatives sont introduites pour réaliser la coordination et la coopération entre MB et MS. De plus, une technique mWLN est proposée pour éviter les limites des joints. / This thesis focuses on the motion planning and tracking of a dual-arm mobile humanoid. First, MDH is used for kinematic modeling. The co-simulation via Simulink-Adams on prototype is realized to validate the effectiveness of RBFNN controller. In order to overcome the shortcomings of Euler-Lagrange’s formulations that require calculating energy and energy derivatives, Kane’s method is used. In addition, physical stability is analyzed based on Kane’s method and a controller is designed using back-stepping technique. Secondly, an improved MaxiMin NSGA-II is proposed to design the mobile base’s (MB) optimal position-orientation and the upper manipulator’s (UM) optimal configuration given only the initial pose and end-effectors’ (EEs) desired positions-orientations. A direct connect algorithm combining BiRRT and gradient-descent is designed to plan the transition from initial pose to optimal pose, and a geometric optimization method is designed to optimize and cohere the path. In addition, forward motions are obtained by assigning orientations for MB thus indicating robot’s intention. In order to solve the failure problem of offline algorithm, an online algorithm is proposed while estimating dynamic obstacles’ motions. In addition, in order to optimize via-poses, an algorithm based on EEs’ via-points and MOGA is proposed by optimizing four via-pose-based objective functions. Finally, the motion tracking problem is studied given EEs’ motions in the task space. Instead of controlling the absolute motion, two relative motions are introduced to realize the coordination and cooperation between MB and UM. In addition, an modulated WLN technique is proposed to avoid joints’ limits.

Notre travail porte sur la définition d'outils de conception préliminaire de mécanismes, capables de construire des solutions admissibles à partir d'un cahier des charges donné et de débuter le processus de conception (esquisse et dimensionnement approché des formes des pièces).<br /><br />Dans cette optique, nous proposons une méthode de conception adaptée à la classe des mécanismes de transmission de mouvement rotatif, à structure linéaire, à 1 degré de mobilité et à rapport constant. Le logiciel CASYMIR (Conception Assistée de SYstèmes Mécaniques de transmIssion en Rotation) a été développé pour illustrer cette démarche qui comporte 3 étapes :<br /><br />À l'étape de synthèse topologique, un algorithme créatif génère l'ensemble des mécanismes-solutions admissibles. Il est basé sur l'exploration combinatoire d'une base de mécanismes (engrenages, courroies, trains épicycloïdaux, accouplements, etc.) et sur des règles de conception permettant d'éliminer les combinaisons inadaptées. Les mécanismes-solutions sont classés par ordre de préférence grâce à une méthode multi-critères ou par un algorithme de logique floue.<br /><br />Pour le pré-calcul dimensionnel, nous proposons la notion de squelette de mécanisme, qui est une représentation filaire spatiale des arbre, des entraxes et des angles du mécanisme. On peut alors construire un modèle géométrique basé sur celui de Denavit-Hartenberg puis l'optimiser pour trouver la position et l'orientation des étages minimisant l'encombrement et vérifiant les conditions de fermeture du mécanisme.<br /><br />La dernière étape de synthèse dimensionnelle permet de calculer les dimensions principales du mécanisme en intégrant des contraintes à la fois géométriques (non interférence des pièces, continuité géométrique et cinématique) et technologiques (résistance des dentures d'engrenages, rapport de réduction, etc.) au sein d'un même problème d'optimisation.<br /><br />Enfin, l'étude d'un réducteur industriel permet de valider le logiciel et la démarche.

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.

Ce travail présente une nouvelle approche de synthèse de la commande non linéaire en suivi de trajectoire de robots manipulateurs. Malgré la richesse de la littérature dans le domaine, le problème n'a pas encore été traité de manière adéquate : en raison de l'existence inévitable dans les applications pratiques de perturbations et incertitudes telles que les forces de frottement, des perturbations externes ou les variations des paramètres il est difficile d'assurer un suivi de trajectoire de haute précision. Afin de résoudre ce problème, nous proposons tout d'abord une méthode de commande prenant en compte la performance H∞ pour le suivi de trajectoire d'un robot manipulateur. Deuxièmement, nous proposons un nouveau cadre pour la synthèse de lois de commande combinant une action anticipatrice et un retour d'état basée sur une représentation sous forme Takagi-Sugeno descripteur de la dynamique du manipulateur. Un avantage de la représentation choisie est de pouvoir simultanément simplifier le calcul des gains de commande à l'aide de LMI de dimension réduite et de réduire la complexité du correcteur en agissant sur le nombre de règles du modèle de Takagi-Sugeno. Basé sur la théorie de la stabilité de Lyapunov, le réglage du correcteur est formulé comme un problème d'optimisation LMI (inégalité matricielle linéaire). Les résultats obtenus en simulation effectuée avec un modèle de manipulateur série développé dans l'environnement Simscape MultibodyTM de Matlab R démontrent clairement l'efficacité de la méthode proposée en comparaison avec le régulateur PID et la commande CTC (Computed Torque Control). / This work presents a new design approach for trajectory tracking control of robot manipulators. In spite of the rich literature in the field, the problem has not yet been addressed adequately due to the lack of an effective control design. In general, it is difficult to adopt design to achieve high-precision tracking control due to the uncertainties in practical applications, such as friction forces, external disturbances and parameter variations. In order to cope this problem, we propose first control with H∞ performance to reference trajectory tracking control of two degrees of freedom robot. Secondly, we propose a new design framework with parametric uncertainties and unknown disturbances by using the feedback and the feedforward controllers. Using the descriptor Takagi-Sugeno systems, the design goal is to achieve a guaranteed tracking performance while signicantly reducing the numerical complexity of the designed controller through a robust control scheme. Based on Lyapunov stability theory, the control design is formulated as an LMI (linear matrix inequality) optimization problem. Simulation results carried out with a high-fidelity serial manipulator model embedded in the Simscape MultibodyTM environment of MatlabR clearly demonstrate the effectiveness of the proposed method by comparing with PID controller and computed torque controller.

Chaque année, plus de 5 millions de personne à travers le monde deviennent hémiplégiques suite à un accident vasculaire cérébral. Ce soudain déficit neurologique conduit bien souvent à une perte partielle ou totale de la station debout et/ou à la perte de la capacité de déambulation. Dans l’optique de proposer de nouvelles solutions d’assistance situées entre le fauteuil roulant et le déambulateur, cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR TECSAN VHIPOD « véhicule individuel de transport en station debout auto-équilibrée pour personnes handicapées avec aide à la verticalisation ». Dans ce contexte, ces travaux de recherche apportent des éléments de réponse à deux problématiques fondamentales du projet : l’assistance au passage assis-debout (PAD) des personnes hémiplégiques et le déplacement à l’aide d’un véhicule auto-équilibré à deux roues. Ces problématiques sont abordées du point de vue de la robotique avec comme question centrale : peut-on utiliser l’approche Takagi-Sugeno (TS) pour la synthèse d’une commande ? Dans un premier temps, la problématique de mobilité des personnes handicapées a été traitée sur la base d’une solution de type gyropode. Des lois de commande basées sur les approches TS standard et descripteur ont été proposées afin d’étudier la stabilisation des gyropodes dans des situations particulières telles que le déplacement sur un terrain en pente ou le franchissement de petites marches. Les résultats obtenus ont non seulement permis d’aboutir à un concept potentiellement capable de franchir des obstacles, mais ils ont également permis de souligner la principale difficulté liée à l’applicabilité de l’approche TS en raison du conservatisme des conditions LMIs (inégalités matricielles linéaires). Dans un second temps, un banc d’assistance au PAD à architecture parallèle a été conçu. Ce type de manipulateur constitué de multiples boucles cinématiques présente un modèle dynamique très complexe (habituellement donné sous forme d’équations différentielles ordinaires). L’application de lois de commande basées sur l’approche TS est souvent vouée à l’échec compte tenu du grand nombre de non-linéarités dans le modèle. Afin de remédier à ce problème, une nouvelle approche de modélisation a été proposée. À partir d’un jeu de coordonnées bien particulier, le principe des puissances virtuelles est utilisé pour générer un modèle dynamique sous forme d’équations algébro-différentielles (DAEs). Cette approche permet d’aboutir à un modèle quasi-LPV où les seuls paramètres variants représentent les multiplicateurs de Lagrange issus de la modélisation DAE. Les résultats obtenus ont été validés en simulation sur un robot parallèle à 2 degrés de liberté (ddl) puis sur un robot parallèle à 3 ddl développé pour l’assistance au PAD. / Every year more than 5 million people worldwide become hemiplegic as a direct consequence of stroke. This neurological deficiency, often leads to a partial or a total loss of standing up abilities and /or ambulation skills. In order to propose new supporting solutions lying between the wheelchair and the walker, this thesis comes within the ANR TECSAN project named VHIPOD “self-balanced transporter for disabled persons with sit-to-stand function”. In this context, this research provides some answers for two key issues of the project : the sit-to-stand assistance (STS) of hemiplegic people and their mobility through a two wheeled self-balanced solution. These issues are addressed from a robotic point of view while focusing on a key question : are we able to extend the use of Takagi-Sugeno approach (TS) to the control of complex systems ? Firstly, the issue of mobility of disabled persons was treated on the basis of a self-balanced solution. Control laws based on the standard and descriptor TS approaches have been proposed for the stabilization of gyropod in particular situations such as moving along a slope or crossing small steps. The results have led to the design a two-wheeled transporter which is potentially able to deal with the steps. On the other hand, these results have also highlighted the main challenge related to the use of TS approach such as the conservatisms of the LMIs constraints (Linear Matrix Inequalities). In a second time, a test bench for the STS assistance based on parallel kinematic manipulator (PKM) was designed. This kind of manipulator characterized by several closed kinematic chains often presents a complex dynamical model (given as a set of ordinary differential equations, ODEs). The application of control laws based on the TS approach is often doomed to failure given the large number of non-linear terms in the model. To overcome this problem, a new modeling approach was proposed. From a particular set of coordinates, the principle of virtual power was used to generate a dynamical model based on the differential algebraic equations (DAEs). This approach leads to a quasi-LPV model where the only varying parameters are the Lagrange multipliers derived from the constraint equations of the DAE model. The results were validated on simulation through a 2-DOF (degrees of freedom) parallel robot (Biglide) and a 3-DOF manipulator (Triglide) designed for the STS assistance.