Les techniques de diagnostic actuellement utilisées en endoscopie digestive ne permettentpas une observation complète et précise de l’intestin grêle. Les capsules endoscopiquestentent de répondre à cette problématique, mais le médecin n’a aucune maîtrise de leurdéplacement une fois qu’elles sont avalées par les patients. Dans ce contexte, les travauxdéveloppés dans cette thèse portent sur l’utilisation des champs magnétiques afin demanipuler un objet (comme une capsule) sans contact sur un large espace de travail. Pourcela, nous étudions les systèmes de manipulation magnétique à électroaimants mobiles.Nous étudions dans un premier temps la manière de modéliser le champ magnétiquecréé par un électroaimant. Nous développons un modèle hybride (analytique recalé surdes mesures) prenant en compte le noyau ferromagnétique des électroaimants. Dans unsecond temps, nous nous intéressons à un système générique de manipulation magnétique,composé de n électroaimants pouvant se déplacer dans tout l’espace. Nous développons unmodèle de ce système, en intégrant les mobilités de chacun des électroaimants. Ce modèleest ensuite linéarisé, ce qui nous permet d’introduire une commande linéarisante. Cettecommande permet une gestion indépendante du déplacement de chacun des électroaimants,ainsi que du courant qui les traverse. Enfin, les développement théoriques sont testés ensimulation et sur un dispositif expérimental. / Diagnostic techniques currently used in gastrointestinal endoscopy do not allow a completeand accurate observation of the small bowel. Endoscopic capsules were designed to solvethis problem, but the doctor cannot control their movement once they are swallowed bypatients. In that context, the work developed in this thesis focuses on the use of magneticfields to manipulate an object (such as a capsule) without contact, on a large workspace.For this, we study magnetic systems with mobile electromagnets. We study first how tomodel the magnetic field created by an electromagnet. We develop an analytical modeltaking into account the ferromagnetic core of electromagnets. Then, we study a genericsystem composed of n electromagnets which can move throughout space. We develop amodel of the system, integrating the mobility of each of the electromagnets. This modelis then linearized, allowing us to introduce a linearizing control. This command allowsindependent management of the movement of each of the electromagnets, and the currentflowing in it. Finally, the model and the command are tested in simulation and on anexperimental device.Keywords: Magnetism,

La pression de radiation acoustique est la force moyenne qu'une onde peut exercer sur un obstacle. Initialement, la faible manifestation de cette force ne suggérait pas d'applications potentielles. Néanmoins, avec l'avènement de sources acoustiques de haute puissance, il a rapidement été envisagé de manipuler de petits objets à distance par pression de radiation. Depuis, c'est via l'excitation d'ondes stationnaires dans des cavités que cette méthodologie connait son essor. Parallèlement, la pression de radiation de la lumière a rapidement permis de piéger et de manipuler des petits objets. Grâce à un laser fortement focalisé, la pince optique a donné une grande flexibilité aux techniques de manipulation sans contact et est devenue un outil fondamental pour de nombreuses disciplines scientifiques. Cependant, les faibles forces développées, les importantes intensités lumineuses requises et la petite taille des objets sont d'importantes limites tout particulièrement pour leur application en biologie.A l'heure actuelle, il n'existe pas l'équivalent de la pince optique en acoustique utilisant un unique faisceau. Le travail présenté donne un ensemble d'éléments théoriques et expérimentaux profitables pour la compréhension de la pression de radiation en acoustique et le dimensionnement d'une pince acoustique utilisant un unique faisceau ultrasonore : le vortex acoustique. Ce travail esquisse l'ébauche d'une nouvelle méthode de manipulation sans contact donnant une véritable dextérité de préhension. Les faibles intensités nécessaires associées aux larges forces développées sauront se montrer attractives pour imaginer un large panel de nouvelles applications scientifiques. / As an acoustic wave impinges an obstacle, a mean force is exerted on its surface. This so-called radiation pressure arises from the non linear interaction between the wave and the object.The early history of this force did not suggest any application of such a feeble effect. Nevertheless, as technological advances improved the prospects of new powerful sound sources, it was rapidly considered to use the acoustic radiation pressure as a mean of non-contact manipulation of small objects. Ever since, standing wave schemes excited in cavities has been the preferred strategy that is becoming considerably popular.In the same time, the radiation pressure of light was also recognised to trap and manipulate very small objects. Using a single focused laser beam, optical tweezers brought a great dexterity to non contact manipulation techniques and rapidly grew to become a fundamental tool in many scientific fields. However, the minuteness of the force, the high intensities required and the smallness of trappable objects are well-known limitations in particular for biological applications.Although optics and acoustics have shown many similarities, an acoustical analogue to optical tweezers using a single beam is yet to be demonstrated. Theoretical and experimental efforts are presented here and shed light on the underpinning mechanisms of single-beam acoustical tweezers. The analysis of a peculiar beam's radiation pressure, i.e. acoustical vortices, unveiled new characteristics for single-beam trapping. Our experimental demonstration along with the low intensities required and the large forces developed show promise for a wide spectrum of new scientific applications.

Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d'un manipulateur pneumatique, fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d'air verticaux permettent de créer un flux d'air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objets sont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d'air, et peuvent être positionnés selon trois degrés de liberté du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuée de jets d'air verticaux. Nous détaillons la conception d'un prototype original de manipulateur exploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentale afin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à une vitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieurs méthodes. Un premier modèle comportemental, fondé sur des données expérimentales, a été établi. Il permet de simuler l'évolution de la position d'un objet sur la surface, selon un degré de liberté. Deux modèles de connaissance, fondés sur une étude aérodynamique fondamentale, donnent l'évolution de la position de l'objet selon respectivement deux et trois degrés de liberté du plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différents contrôleurs afin d'asservir la position de l'objet : un premier, de type PID, et un second, de type robuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permis d'atteindre de bonnes performances : temps de réponse d'environ 2 s et dépassement souvent inférieur 'a 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant de déplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d'air inclinés. Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement est inférieure 'a 0.4 μm.

Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d’un manipulateur pneumatique,fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d’air verticauxpermettent de créer un flux d’air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objetssont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d’air, et peuvent positionnés selon trois degrés de libert´ du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuéede jets d’air verticaux. Nous détaillons la conception d’un prototype original de manipulateurexploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentaleafin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à unevitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieursméthodes. Un premier modèle comportemental, fond´e sur des données expérimentales, aété établi. Il permet de simuler l’´evolution de la position d’un objet sur la surface, selon un degréde liberté . Deux modèles de connaissance, fond´es sur une étude aérodynamique fondamentale,donnent l’´evolution de la position de l’objet selon respectivement deux et trois degrés de libertédu plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différentscontrˆoleurs afin d’asservir la position de l’objet : un premier, de type PID, et un second, de typerobuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permisd’atteindre de bonnes performances : temps de réponse d’environ 2 s et dépassement souventinférieur à 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant ded´eplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d’air inclinés.Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement estinférieure à 0.4 μm. / This thesis presents the design, the modeling and the control of a pneumatic manipulatorbased on an original aerodynamic traction principle. An horizontal air flow is induced by strongvertical air jets in order to manipulate objects without contact. The objects are maintained inconstant levitation on an air cushion. Three degrees of freedom positioning of the objects canbe realized thanks to the right combination of distributed air jets. The design of an originalmanipulator using this aerodynamic principle is detailed. The device has been integrated in anexperimental setup in order to validate the manipulation principle : objects can reach velocityof 180 mm/s. Several models of the system have been established. A first model, based on experimentaldata, gives the evolution of the 1 DOF-position of an object on the device. Twoother models, based on a fundamental aerodynamic study, respectively give the evolution of the2- and 3-DOF position of the objet. The three models have been validated experimentally. Inorder to control the position of the object, different controllers have been designed : a PID oneand a robust H1 one. The control of one and two degrees of freedom of the device gives goodperformances : settling time of around 2 s and overshoot less than 5% in most of the cases. Wehave also studied a micro-manipulator that is able to position millimetric sized objects, in twodirections, thanks to inclined air jets. Objects can reach velocity of 123 mm/s, and the resolutionof the positioning is less than 0.4 μm.