Le drainage minier acide de Carnoulès est caractérisé par un pH très acide et une forte concentration en métaux et en arsenic. Par différentes approches moléculaires, des études précédentes ont montré une faible biodiversité et ont permis d'établir un modèle de fonctionnement de la communauté bactérienne. Le but de ce travail de thèse a été de préciser la composition et le fonctionnement de cette communauté bactérienne, en utilisant pour cela des approches culturales et fonctionnelles, en se focalisant particulièrement sur le recyclage de la matière organique. L'élaboration de différents milieux a permis l'isolement de 49 souches bactériennes appartenant à 19 genres, augmentant ainsi de 10 % la diversité bactérienne détectée à Carnoulès par rapport aux approches métagénomiques précédentes. Parmi les 19 genres, 3 sont nouveaux dont un, inféodé aux écosystèmes acides, a été caractérisé taxonomiquement et dénommé Acidiminas carnoulesii. La capacité de l'isolat Q8 appartenant au genre Paenibacillus à dégrader I'amidon et la xylane, dans de larges gammes de pH et de concentrations en arsenic, a permis d'attribuer à Paenibacillus un rôle dans la résilience de la communauté pour ces fonctions. Un criblage fonctionnel de I'ADN de Q8 dans Escherichia coli apermis d'isoler les gènes codant les protéines de dégradation de ces polymères. Par ailleurs, un criblage de 80000 clones de la banque d'ADN métagénomique de Carnoulès a permis la détection de 28 clones positifs pour l'activité amylolytique. Deux protéines ne présentant aucune similarité de séquence avec des amylases connues ont été caractérisées in vitro, confirmant leurs activités amylolyiques et démontrant que la bioprospection dans des sites a priori incongrus, autorise des découvertes insoupçonnées. Ces travaux ont ainsi permis de montrer que les approches culturales et fonctionnelles apportent des informations nouvelles par rapport à celles obtenues par les approches moléculaires. La complémentarité de ces approches est vérifiée, et elle apparaît indispensable dans l'analyse de la complexité des écosystèmes. Cependant, la compréhension de leur fonctionnement exigera des efforts redoublés.

Les Robots Parallèles à Câbles (RPC) sont particulièrement adaptés pour des applications telles que le transport de charges lourdes au travers de grands espaces de travail. Afin de contrôler l'ensemble des degrés de liberté de la plate-forme tout en optimisant la taille de l'espace de travail du robot par rapport au volume de sa structure, la redondance d'actionnement est nécessaire. Dans cette thèse, un algorithme de distribution des tensions des câbles compatible temps-réel est introduit. Il permet de calculer efficacement différentes solutions optimales au problème de la distribution des tensions des RPC à deux degrés de redondance. Des schémas de commande adaptés aux RPC, intégrant l'algorithme de distribution des tensions, sont ensuite proposés. Un schéma de commande en espace double est introduit pour compenser la dynamique de la plate-forme et des enrouleurs. Afin de pallier les incertitudes et les variations des paramètres des modèles, une commande adaptative en espace double est finalement proposée. Des résultats expérimentaux prouvent la compatibilité temps-réel des algorithmes et des lois de commande développés dans cette thèse, ainsi que leur stabilité le long de la trajectoire suivie.

Avec l'augmentation de la probabilité de fautes dans les circuits numériques, les systèmes développés pour les environnements critiques comme les centrales nucléaires, les avions et les applications spatiales doivent être certifies selon des normes industrielles. Cette thèse est un résultat d'une cooperation CIFRE entre l'entreprise Électricité de France (EDF) R&D et Télécom Paristech. EDF est l'un des plus gros producteurs d'énergie au monde et possède de nombreuses centrales nucléaires. Les systèmes de contrôle-commande utilisé dans les centrales sont basés sur des dispositifs électroniques, qui doivent être certifiés selon des normes industrielles comme la CEI 62566, la CEI 60987 et la CEI 61513 à cause de la criticité de l'environnement nucléaire. En particulier, l'utilisation des dispositifs programmables comme les FPGAs peut être considérée comme un défi du fait que la fonctionnalité du dispositif est définie par le concepteur seulement après sa conception physique. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception de nouvelles méthodes d'analyse de la fiabilité aussi bien que des méthodes d'amélioration de la fiabilité d'un circuit numérique.

Ces travaux de thèse ont pour objectif de mieux comprendre comment le système nerveux central (SNC) planifie et contrôle les mouvements volontaires. Tout mouvement nécessite la résolution de deux types de redondance : interne (complexité du corps) et externe (interactions avec l’environnement), qui rendent difficile la sélection d’une action. Pour mieux comprendre ce contrôle, nous avons étudié en parallèle deux hypothèses importantes dans le domaine du contrôle moteur : les synergies musculaires et la décision motrice. Selon l’hypothèse des synergies musculaires, le contrôle des muscles par le SNC serait simplifié par l’utilisation de groupements invariants d’activations coordonnées de différents muscles, dont la combinaison sous-tendrait la réalisation de mouvements complexes. Le but de cette étude était de mettre à l’épreuve l’hypothèse des synergies musculaires en étudiant simultanément : a) un protocole spécifiant un grand nombre de mouvements variés, b) un nouveau modèle mathématiques tenant compte, pour l’extraction des synergies, de la modularité spatiale et temporelle, c) une double-évaluation de la qualité de la décomposition en synergies : au niveau musculaire (métrique VAF) et fonctionnel (performance de décodage). Notre idée directrice était que l’utilisation de synergies musculaires par le SNC n’est plausible que si elles permettent de rendre compte des activations musculaires d’un grand nombre de mouvements différents, et possèdent chacune un rôle fonctionnel spécifique. Les résultats de cette première étude montrent l'existence d'un petit ensemble de synergies dont la combinaison reconstruit les activations musculaires, et code efficacement toutes les tâches testées. La sélection d’une action, vue comme une prise de décision, peut être guidée par les contraintes extérieures objectives (e.g. la position de l’objet à attraper), les coûts/bénéfices explicites potentiels (e.g. une récompense monétaire), et les coûts/bénéfices internes associés à chaque mouvement (e.g. dépense d’énergie). Au quotidien, les actes sont rarement associés à des récompenses explicites. De plus, la redondance extrinsèque est toujours présente, la saisie d'une pomme par exemple ne définit pas une position finale précise de la main, contrairement au protocole souvent étudié de pointage d'une cible saillante. Les valeurs internes guidant le mouvement auraient donc une importance particulière dans le processus de décision motrice. Afin de les étudier, nous avons construit un protocole limitant les influences décisionnelles externes décrites ci-dessus. Les résultats de cette deuxième étude montrent des comportements différents entre les sujets, et mettent en avant en particulier l'existence de deux valeurs internes guidant la coordination entre posture et mouvement En conclusion, nous suggérons que le contrôle du mouvement peut être vu comme un processus de décision évaluant des valeurs internes pour produire la solution motrice la plus pertinente pour le contexte présent. De plus, ce contrôle serait simplifié par l'utilisation complémentaire de modules fonctionnels stockés dans le SNC. / This thesis is aimed at better understanding how the Central Nervous System (CNS) plans and controls voluntary movements. When moving, humans must overcome intrinsic (e.g. choosing which muscles to activate) and extrinsic (e.g. choosing where to reach an object) redundancy, requiring selecting one motor solution among several potential ones. To better understand this process, we studied in parallel two important motor control theories: muscular synergies and motor decision. In a first part, we focused on intrinsic redundancy by testing the muscular synergies hypothesis. According to it, the CNS simplifies the control of muscles, in using a limited set of building blocks whose linear combinations allow the performance of virtually any motor task. In this study, we challenge the modular motor control hypothesis by combining a) the design of a highly comprehensive experiment with b) the use of a unifying modularity model to describe single-trial EMG activity in space and time and c) a module evaluation process that assesses the modular decomposition not only in input space (EMG data reconstruction) but also in task space (task discrimination). Our rationale is that an effective modular control implementation would allow not only the formation of a wide variety of muscle patterns but also the achievement of a large set of tasks. The main theoretical result is the existence of few spatial and temporal modules that not onlygive a concise representation of muscle patterns but also carry nearly all task-relevant information of EMG signals. In a second part, we studied the decisional process that underlies all voluntary movement. In daily life, human movement is guided by objective external constraints (e.g. an object to reach), potential external cost/benefits (e.g. monetary reward) and internal cost/benefits associated with each movement (e.g. energy expenditure). Here,we aimed at investigating internal variables orienting action selection when facing the complexity of human-environment interactions. To this aim, we designed an experimental protocol reducing external constraints: no predetermined endpoint (e.g. salient target) and no explicit reward (e.g. money). Subjects had to perform whole body reaching movements towards a uniform surface (no pre-determined endpoint). Our results illustrate the presence of idiosyncratic values guiding posture and movement coordination that can be combined in a flexible manner as a function of context and subject. A first value takes into account the energy expenditure and articular jerk, while the other favored stable dynamic equilibrium but requires larger energy expenditure and articular jerk. In conclusion of this work, we suggest that motor control can be viewed as a decision process evaluating internal values to elaborate the most efficient control in function of context. In addition, this control can be simplified by the use of functional modules allowing CNS to generate rapidly a large set of whole body movements.

Nous nous intéressons ici au problème de la coordination de plusieurs bras manipulateurs au moyen de la vision. Après avoir étudié les approches de commande dédiées à ce problème, notre première contribution a consisté à établir un formalisme basé sur l'asservissement visuel 2D. Ce formalisme permet de bénéficier des images fournies par une ou plusieurs caméras, embarquées ou déportées, pour coordonner les mouvements d'un système robotique multi-bras. Il permet de plus d'exploiter la redondance de ce type de système pour prendre en compte des contraintes supplémentaires. Nous avons ainsi développé une stratégie de commande pour réaliser une tâche de manipulation coordonnée tout en évitant les butées articulaires et la perte des indices visuels. Afin d'aller plus loin et de tolérer les occultations, nous avons proposé des approches permettant de reconstruire la structure des objets manipulés et donc les indices visuels qui les caractérisent. Enfin, nous avons validé nos travaux en simulation et expérimentalement sur le robot PR2. / We address the problem of coordinating a dual arm robot using one or several cameras. After proposing an overview of the control techniques dedicated to this problem, we develop a formalism allowing to coordinate the motions of several arms thanks to multicameras image based visual servoing. Our approach allows to bene?t from the natural redundancy provided by the robotic system to take into account useful constraints such as joint limits and occlusions avoidance. We propose a strategy to deal with these tasks simultaneously. Finally, to make our control more robust with respect to image losses, we reconstruct the structure of the manipulated objects and the corresponding visual features. To validate our approach, we use the formalism to make the dual arm PR2 robot recap a pen. Simulations and experimental results are provided.

La productivité des processus d'usinage robotisé est très souvent limitée par le manque de rigidité des robots et les problèmes vibratoires relatifs à l’instabilité de la coupe. L’analyse de l’instabilité de la coupe en usinage robotisé est un problème difficile en raison de la variabilité du comportement dynamique du robot dans son espace de travail. Par conséquent, le phénomène de broutement en usinage robotisé dépend non seulement des paramètres de coupe mais également de la configuration du robot. Le premier objectif de cette thèse est de déterminer une méthode de modélisation dynamique du robot, adaptée du point de vue de l’analyse des vibrations et de la stabilité en usinage robotisé. Cette approche a été réalisée sur le robot d’usinage industriel ABB IRB6660. Une démarche de recalage a été mise en place afin de déterminer les paramètres du modèle numérique du robot. Ensuite, une présentation 3D de la limite de stabilité en usinage robotisé prenant en compte les variations du comportement dynamique du robot est réalisée. Le deuxième objectif consiste à optimiser le procédé vis-à-vis de la stabilité de la coupe. Les variations du comportement dynamique du robot sont exploitées par la gestion des redondances fonctionnelles afin d’optimiser la configuration du robot du point de vue de la stabilité. L’analyse numérique a montré et les essais expérimentaux d’usinage ont confirmé la possibilité de passer de la zone instable à la zone stable par la gestion de la redondance fonctionnelle sans modifier les paramètres de coupe. / Productivity in robotic machining processes can be limited by the low rigidity of the overall structure and vibration instability (chatter). The robot’s dynamic behavior, due to changes in its posture along a machining trajectory, varies within its workspace. Chatter in robotic machining therefore depends not only on the cutting parameters but also on the robot configuration. The first objective of this thesis is to determine a dynamic modeling approach of the robot in order to analyze the vibration and the stability in robotic machining. This modeling approach has been realized to dynamic modeling of an ABB IRB6660 industrial robot. The numerical model parameters are adjusted on the basis of experimental modal identifications. Then, a three-dimensional representation of stability lobes diagram for the prediction to take into account the robot dynamic behavior variations in machining trajectory is established. The second objective is to optimize the robot configurations regarding stability. The dynamic behavior variations of the robot in the workspace are exploited through functional redundancy management in order to optimize robot configurations with respect to machining stability. The numerical analyze demonstrated and experimental machining tests confirmed that stability conditions in machining operations can be achieved by managing functional redundancy without changing the cutting parameters.

L'électromigration (EMG) est l'une des conséquences de la course à la miniaturisation des composants électroniques en général et la réduction des dimensions des interconnexions en particulier. Il est identifié comme l'un des phénomènes critiques de fiabilité pour les circuits intégrés en technologies submicroniques. Les méthodes de vérification de ce phénomène utilisées durant la conception de circuits sont pour la plupart basées sur des règles de densité de courants et de température. Ces règles deviennent de plus en plus difficiles à mettre en place, compte tenue de l'augmentation des densités de courant dans les réseaux d'interconnexions. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans la dynamique de recherches de moyens d'amélioration de la détection des risques d'électromigration durant la phase de conception. Le but est d'établir une relation entre violations des règles électriques et la physique de dégradation des interconnexions. Les résultats obtenus au cours des tests de vieillissement nous ont permis de repousser les limites de courant sans altérer les durées de vie des circuits. Enfin, ce projet été l'occasion de définir des règles conception basé sur l'optimisation des cellules d'horloges dans la grille d'alimentation des circuits intégrés. L'application des solutions proposées au cours de ces travaux ont permis de réaliser des circuits robustes aux effets EMG. / Electromigration (EMG) is a consequence of miniaturization of integrated circuits in general and the reduction of interconnect dimensions in particular. It is identified as one of the critical reliability phenomenon for integrated circuits designed in submicron technologies. The methods of checking this phenomenon at design level are mostly based on current density rules and temperature. These rules are becoming difficult to implement due to increasing current density in interconnection network. This thesis is based on researching for ways to improve detection of electromigration risks at design level. The goal is to establish a relation between electrical rules and interconnect degradation mechanism. Results obtained from ageing tests permit us to relax current limit without altered circuit lifetimes. Finally, this project has been instrumental to define design rules based on optimization of clock tree cells placement in integrated circuit power grid. The application of solution proposed during this work permit to design robust circuits toward EMG.

L’utilisation de robots collaboratifs dans l’industrie de production est en plein essor. Ces robots, dont la puissance est limitée, sont dotés de capteurs leur permettant de détecter la présence d’obstacles, afin de garantir la sécurité des humains se trouvant aux alentours. On s’intéresse dans cette thèse à l’utilisation de systèmes redondants, collaboratifs et mobiles (bras articulés montés sur plateformes mobiles), dans un environnement de production aéronautique peuplé d’humains, pour la réalisation d’opérations d’assemblage. Du point de vue des process, l’utilisation de ces systèmes, souvent beaucoup moins imposants et rigides que leurs homologues non collaboratifs, est jalonnée de défis. La grande souplesse mécanique et les faibles couples qui les caractérisent peuvent induire des imprécisions de positionnement et une incapacité à soutenir l’intensité d’une interaction physique. Ce contexte induit également un besoin d’autonomie de ces systèmes, qui sont amenés à travailler dans des environnements en perpétuelle évolution. Dans cette thèse, une formulation de la redondance cinématique est d’abord présentée. Le formalisme associé permet de simplifier l’exploitation de la liberté que ces systèmes possèdent sur le choix des postures à utiliser pour réaliser des tâches de placement statique de l’effecteur. Ce formalisme est ensuite exploité pour améliorer et caractériser le comportement en déformation et la capacité d’application d’efforts des systèmes redondants sériels. Enfin, le sujet de la planification des mouvements de systèmes robotisés dans un environnement dynamique et encombré est considéré. La solution présentée adapte l’algorithme bien connu des Probabilistic RoadMaps pour y inclure une anticipation des trajectoires des obstacles dynamiques. Cette solution permet de planifier des mouvements sécuritaires, peu intrusifs et efficaces, jusqu’à la destination. / Industrial applications involving collaborative robots are regarded with a growing interest. These power-limited systems are embedded with additional sensing capabilities, which allow them to safely work around humans and conquer new industrial grounds. The subject of managing redundant, collaborative and mobile systems, for assembly operations within a human-populated aircraft production environment, is addressed in this thesis. From a process perspective, the use of these smaller and less stiff counterparts of the non-collaborative robots comes with new challenges. Their high mechanical flexibility and weak actuation can cause shortcomings in positioning accuracy or for interaction force sustainment. The ever-changing nature of human-populated environments also requires highly autonomous solutions. In this thesis, a formulation of positional redundancy is presented. It aims at simplifying the exploitation of the freedom redundant manipulators have on static-task-fulfilling postures. The associated formalism is then exploited to characterise and improve the deformational behaviour and the force capacity of redundant serial systems. Finally, the subject of planning motions within cluttered and dynamic environments is addressed. An adaptation of the well-known Probabilistic RoadMaps method is presented – to which obstacles trajectories anticipation has been included. This solution allows to plan safe, efficient and non-intrusive motions to a given destination.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la commande en couple de manipulateurs redondants.Nous nous intéressons dans ce cadre à deux problématiques. En premier lieu, nous considérons le cas d’imposition d’une contrainte cinématique de point de passage, dite contrainte du RCM, de l’organe terminal (OT) du robot. Nous proposons alors deux approches pour la gestion de cette contrainte. Dans la première approche, la contrainte est garantie dans l’espace nul d’une tâche principale définie en coordonnées de position de l’OT. Cette méthode exploite une définition explicite de la dynamique de l’espace nul et confère un niveau de priorité secondaire à la contrainte. La seconde approche permet de définir la contrainte du RCM comme tâche principale, en lui assignant le niveau de priorité supérieur ou un niveau de priorité défini par le besoin de l’application. Nous proposons pour cela une nouvelle définition de la cinématique du RCM.En second lieu, nous traitons la question des contacts entre le corps du robot et son environnement (ex. l’humain)pendant que l’OT exécute sa tâche « globale ». Nous proposons pour cela une stratégie de compliance appliquée dans l’espace nul du robot afin de préserver la tâche globale lors des contacts. Cette stratégie estdéfinie pour des bras anthropomorphes à 7-DDL, et est formulée en coordonnées de l’angle de bras, paramètre représentant le degré de redondance du robot. Cela permet de définir un intervalle admissible de mouvement de l’angle de bras. Lorsque les limites de cet intervalle sont atteintes, une loi de compliance de type ressort amortisseur oblige le robot à rester dans l’intervalle, malgré les forces externes exercées.Nous évoquons, tout au long de cette thèse, l’application de chirurgie mini-invasive assistée par robot pour illustrer l’utilité de nos contributions. / The work developped in this PhD thesis concerns the control of redundant torque-controlled robots,dealing with two main issues. Firstly, we study the presence of a RCM constraint imposed to the end-effector. We propose two control approaches to guarantee this kinematic constraint. In the first one, the constraint is performed in the null-space of a main task defined in cartesian coordinates(position). An explicit definition of the null-space dynamics is applied on this control approach, and provides a secondary priority order to the RCM constraint. The second approach allows to define the constraint as the main task, obtaining the highest priority level, or in any desired priority level,according to the needs of the application. Therefore, we propose a new kinematic formulation of the RCM constraint.Secondly, we study the physical interaction between the robot’s body and its environment (e.g. human) during the cartesian global task execution. A null-space compliance control strategy is then proposed in order to preserve the global task when the contacts occur. This strategy, defined for anthropomorphic 7-DOF robots, is formulated in swivel angle coordinates, which is a direct representation of the robot’s null-space. A desired feasible range for the swivel angle values is defined by the user, and a spring-damping compliance law is used to constraint the robot to remain within the feasible angle values range, despite the external forces applied to the robot’s body. Robot-assisted minimally invasive surgery has been used throughout this thesis as an example of application, allowing to demonstrate the usefulness of our contributions.

L’objectif de ce mémoire de thèse est de valider les mesures débimétriques issues des réseaux d’assainissement. Des défaillances techniques dans les capteurs de mesure ou l’existence des phénomènes perturbateurs produisent des anomalies sur ces mesures. Notre travail consiste à proposer une procédure de diagnostic hors ligne capable de détecter et de localiser les défauts de mesures. Cette procédure est à base de modèles analytiques. Nous avons établi dans un premier temps, un ensemble de modèles linéaires pour générer des résidus. Ces derniers ont permis d’établir la matrice des signatures des défauts expérimentales. Ensuite, une première technique de diagnostic a été considérée. Elle consiste à combiner le test de Page pour la détection des défauts et le calcul de distance Euclidienne entre les signatures des défauts théoriques et la signature expérimentale de chaque défaut pour la localisation des capteurs en défauts. Puis, deux autres techniques ont été proposées. Elles sont basées sur l’analyse conjointe des résidus générés et des symptômes des défauts. L’une est appelée DMP (Model Diagnostic Processor) et l’autre est à base de concepts de la logique floue. A la fin, les performances de ces techniques ont été calculées pour pouvoir les comparer. Nous avons amélioré les performances de la dernière technique en proposant un nouvel opérateur d’agrégation et en considérant la persistance des défauts. / The objective of this thesis is to validate flow rate measurements collected from the sewer networks. Technical failures in the sensors or the existence of the disturbing phenomena produce anomalies to these measures. Our work consists in proposing a procedure of diagnosis off line able to detect and isolate the defects of measurements. This procedure is based on analytical models. We first established, a set of linear models used to generate faults indicators called residuals. These last ones allowed us to establish the experimental faults signatures matrix. Then, a first technique of diagnosis was considered. It consists in combining the test of Page for faults detection and on the calculation of Euclidean distance between the theoretical faults signatures and the experimental fault signature of each defect for the isolation of the faulty sensor. Two other techniques suggested, are based on the joint analysis of the generated residuals and the symptoms of the defects. One is called DMP (Model Diagnostic Processor) and the other is based on the fuzzy logic concepts. In the end, the performances of these techniques were calculated to be able to compare them. We improved the performances of the last considered technique by proposing a new operator of aggregation and by considering the persistence of the defects.