Dans le cadre de la collecte sous-marine d'échantillons biologiques et minéraux pour la recherche scientifique par un robot sous-marin équipé de bras manipulateurs, ce projet de thèse a pour but principal le développement de nouvelles techniques de manipulation des échantillons, plus fiables, permettant d'en assurer l'intégrité physique et leur exploitabilité par les chercheurs. Les nouvelles techniques de manipulation proposées prennent en compte l'actionnement particulier des nouveaux bras électriques sous-marins équipant les engins récents, afin d'augmenter la précision du positionnement des outils embarqués par le manipulateur. Un outil amovible, compliant, et mesurant les efforts d'interaction entre les bras du sous-marin et leur environnement est aussi proposé, et des méthodes permettant de tirer partie des caractéristiques de cet outil sont développées et testées expérimentalement. L'engin sous-marin hybride HROV Ariane, équipé de deux bras électriques hétérogènes, offre la plateforme opérationnelle pour la validation expérimentale des solutions proposées. / The research carried out in the scope of this doctorate degree aims to develop innovative techniques to improve the collection of biological and mineral samples underwater using robotic manipulators. The end goal is to enhance the handling by robotic means in order to maximise sample quality provided to marine scientists. The proposed techniques are based on an in-depth analysis of the robotic arm actuators used in most recent underwater intervention vehicles, in order to improve the accuracy of the positionning of the tools held by the manipulator arms. An instrumented tool has also been developed with the aim to measure the reaction forces and adapt the interaction between the arm's end-effector and its environment to improve samples handling. These methods and the other contributions described in this thesis have been experimentally validated using Ifremer's hybrid-ROV Ariane equipped with two electrically actuated heterogeneous robotic arms.