D’une importance majeure, la phase de décollage reste, à ce jour, une étape très mal connue du vol de l’insecte. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse était d’identifier les différents mécanismes impliqués dans la production des forces lors du décollage chez Pieris rapae. En examinant la cinématique des ailes et du corps de l’insecte lors de l’initiation du vol, nous avons pu mettre en évidence le rôle majeur des mouvements combinés de l’abdomen, du thorax et enfin du plan de battement dans le mécanisme de redirection des forces régissant cette phase transitoire. Dans un second temps, via une combinaison d’approches numériques et expérimentales, nous avons également montré que les pattes participeraient activement à la manœuvre, générant d’importantes forces verticales responsables de l’accélération initiale de l’insecte. Une étude de la morphologie fonctionnelle de l’insecte a finalement permis de mettre en évidence les différents muscles potentiellement impliqués lors de cette phase du vol. / Despite being of major importance in insect flight, the mechanisms underlying take-off stage remain elusive. The purpose of this thesis is to explore the different mechanisms involved in force production during Pieris rapaes cabbage butterflies take-off. Detailed wings and body motions kinematics unraveled the crucial role of combined motions of the abdomen and thorax together with the angle of the stroke plane, to ensure the forces reorientation governing the transient flight initiation phase. In a second approach, legs extension active contribution to force production during take-off is suggested using a combination of numerical and experimental approaches. Finally, results are discussed from the insect morphology perspective, highlighting the principal muscles potentially involved during flight initiation.

Les robots à pattes promettent de pouvoir marcher sur des terrains irréguliers, voire accidentés. Ils trouvent dès aujourd'hui une application ludo- éducative. Nous présentons la plateforme Metabot, un robot quadrupède open-source, qui a été développée pour l'éducation. Cette dernière s'inscrit dans le contexte technologique actuel, qui permet, grâce à un accès au prototypage rapide et aux composants sur étagère de construire des robots à pattes autrefois présents uniquement dans les laboratoires. Cette plateforme a été utilisée dans l'enseignement secondaire, afin de permettre à des élèves de découvrir la robotique, ainsi que la programmation. Nous décrivons par la suite un environnement mis au point dans le but d'étudier la locomotion des robots à pattes, en étendant le contrôleur expert développé sur Metabot à une plus grande famille de robots. Nous avons réalisé une série d'expériences en simulation sur moteur physique que nous avons analysées dans le but de mieux comprendre les règles qui régissent la locomotion des robots à pattes. Enfin, nous nous intéressons à la locomotion bipède, qui pose le problème de la stabilité. Lors du développement de notre plateforme Sigmaban, un petit robot humanoïde conçu pour participer à la RoboCup, nous avons créé un capteur permettant d'estimer le centre de pression du robot. Nous exploitons ce dernier pour améliorer la stabilité latérale du robot, en créant ainsi une marche en boucle fermée. / A promise of legged robots is being able walking on irregular or uneven floor. It is already used nowadays in education and entertainment applications. We introduce the Metabot platform, an open-source quadruped robot developped for education. This takes place in current technological context which allows, thanks to an access to fast prototyping and off-shelf components, building legged robots that were formerly only present in laboratories. This platform was used for teaching in secondary schools, allowing students to discover robotics, and especially programming. We then describe an environment designed to study legged robots locomotion, extending the expert controller designed for Metabot. We realized some physics simulation experiments and analyzed it to get a better understanding of the legged locomotion underlying rules. At last, we get a closer look at biped locomotion, for which stability problems arise. When developping our Sigmaban platform, a small-sized humanoid robot created to participate in RoboCup soccer, we designed foot pressure sensors that allow us to estimate the robot center of pressure. We exploit these sensors to improve the lateral stability on the robot, creating a closed-loop walk.

Les arthropodes vecteurs sont hématophages et peuvent assurer la transmission biologique active d'un agent pathogène responsable de maladies humaines ou animales. La lutte anti-vectorielle et la surveillance épidémiologique des vecteurs sont essentielles dans la stratégie de lutte contre les maladies vectorielles. Disposer d'outils d'identification précis, fiable et rapides des vecteurs et des pathogènes associés est indispensable. Ainsi dans ce projet nous avons évalué l'utilisation du MALDI-TOF MS pour identifier les arthropodes vecteurs ainsi que la détection des pathogènes associés. La première partie de notre travail consistait à utiliser MALDI TOF pour identifier les tiques, moustiques et les puces. Nous avons déterminé quelle partie du spécimen permettait d'obtenir une reproductibilité des spectres et une identification correcte par des tests à l'aveugle après création d'une base de données de référence. La deuxième partie consistait à utiliser le MALDI-TOF MS pour détecter des Rcikettsies associés aux tiques dont Rickettsia conorii et R. slovaca, deux pathogènes humains transmis respectivement par Rhipicephalus sanguineus et Dermacentor marginatus. Des variations spectrales étaient obtenues entre les spécimens infectés et non infectés, avec des masses spécifiques liés à l'infection des tiques par les rickettsies. La technique d'identification était validée par des tests à l'aveugle. Les résultats obtenus permettent de conclure que le MALDI TOF pourra être utilisé dans l'avenir pour identifier les tiques prélevées chez des patients, les arthropodes vecteurs lors des enquêtes entomologiques et préciser la prévalence d'infection de ces arthropodes. / Arthropods are vectors bloodsucking and can ensure the active biological transmission of a pathogen responsible of human or veterinary diseases. The vector control and vectors epidemiological surveillance are essential in the strategy against the vectors-borne diseases. Accurate, reliable and rapid identification of vectors and associated pathogens are essential. Thus, in this project we evaluated the use of MALDI-TOF MS for the arthropods vectors identification as well as for the detection of associated pathogens. This proteomics technology emerged since few years ago and is currently used in routine for bacteria identification in many microbiology laboratories. In the first part of our work, we used the MALDI TOF to identify the tick, mosquito and flea species. For each arthropod, we determined which part allowed obtaining reproducible spectra by MALDI TOF and correct identification by blind test, after reference database creation. The second part consisted to use the MALDI-TOF MS to detect the associated Rickettsia in ticks including Rickettsia conorii and R. slovaca, two human pathogens transmitted by Rhipicephalus sanguineus and respectively Dermacentors marginatus. The spectral variations were obtained between infected and non infected specimens with specific masses related to the tick infection by Rickettsia. The identification technique of not or infected ticks was validated by blind tests. The obtained results allowed concluding that the MALDI-TOF MS could be used in the future to identify the ticks removed from patient, the arthropods vectors and during entomological survey and determine the prevalence of infection of these arthropods.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans la cadre de la planification de trajectoires optimales en présence d'obstacles pour des robots mobiles de type voiture et pour des robots à pattes. Le modèle de robot de type voiture étudié est celui de Dubins. Il s'agit grossièrement d'une voiture se déplaçant en marche avant uniquement et dont le rayon de braquage est minoré par 1. Nous avons considéré le problème du calcul d'une enveloppe convexe de courbure bornée d'un ensemble S de points du plan, c'est-à-dire d'un ensemble contenant S et dont le bord est de courbure bornée et de périmètre minimal. Nous montrons que si le rayon du plus petit disque contenant S est supérieur à 1, une telle enveloppe est unique. Nous montrons que le calcul d'une enveloppe convexe de courbure bornée se ramène à un problème d'optimisation convexe ou à la résolution d'un ensemble de systèmes algébriques. Nous proposons également un algorithme exact polynomial pour le calcul de trajectoires optimales en longueur lorsque le robot se déplace en présence d'obstacles dont les bords sont de courbure bornée et constitués de segments de droite et d'arcs de cercle. De tels obstacles peuvent être obtenu comme enveloppes convexes de courbure bornée d'obstacles polygonaux. L'algorithme calcule un graphe et recherche un plus court chemin dans ce graphe. Le calcul de ce graphe est effectué grâce à des techniques de géométrie algorithmique et par la résolution de systèmes algébriques dont nous montrons, à l'aide de résultants, qu'ils ont un nombre fini de solutions. Nous avons également étudié le problème de la planification de trajectoires pour des robots à pattes dont le corps est ponctuel et dont toutes les pattes sont attachées au même point. Les pattes du robot ont une longueur bornée et ne sont autorisées à se poser que dans certaines régions polygonales du plan. Nous présentons un algorithme quasi optimal pour le calcul de l'ensemble des positions du corps du robot en équilibre stable. Par une transformation judicieuse, nous nous ramenons au calcul de l'espace libre d'un robot de la forme d'un demi disque se déplaçant en présence d'obstacles.

La recherche d’une locomotion performante sur des terrains accidentés constitue encore à l’heure actuelle un défi pour les systèmes robotisés de toutes sortes s’y attelant. Les robots hybrides de type “roues-pattes”, qui tentent d’allier l’efficacité énergétique des roues à l’agilité des pattes, en sont un exemple aux capacités potentiellement très prometteuses. Malheureusement, le contrôle de telles structures s’avère rapidement problématique du fait des redondances cinématiques, mais aussi et surtout de la difficulté que pose la connaissance exacte de la géométrie du sol à mesure que le robot avance. Cette thèse propose alors une réponse à la complexité des systèmes roulants reconfigurables par une approche synergique entre compliance et actionnement. Pour cela, nous proposons d’exploiter une décomposition idéalement orthogonale entre les différentes formes de compliances qui réalisent la suspension du robot. Ainsi, l’actionnement au sein de la structure est ici dédié à un contrôle des efforts verticaux s’exerçant sur les roues, tandis que les déplacements horizontaux de ces dernières sont le fait d’une raideur passive combinée à une modulation locale des vitesses d’entraînement. La posture du robot est maîtrisée via l’asservissement des forces verticales fournies par un actionnement de type série-élastique. Ceci permet de garantir une adaptation spontanée de la hauteur des roues tout en conservant l’ascendant sur la distribution de la charge. La faisabilité d’un tel système de locomotion est validée à travers un prototype reposant sur quatre “roues-pattes” compliantes. Celui-ci, entièrement conçu dans le cadre de cette étude, approche la décomposition fonctionnelle proposée tout en répondant aux contraintes de réalisation et de robustesse. Tirant parti de la décomposition fonctionnelle proposée pour la structure, deux procédés de commande sont présentés afin de réaliser le franchissement des obstacles : le premier vise à exploiter l’inertie du châssis pour réaliser une modification locale des forces verticales appliquées aux roues, tandis que le second est basé sur la sélection d’un mode de répartition des efforts adaptés à la poursuite d’une évolution quasi-statique en toutes circonstances. Pour cette dernière commande, deux méthodes de synthèse sont abordées : l’une via un algorithme d’apprentissage de type “Q-learning” et l’autre par détermination de règles expertes paramétrées. Ces commandes, validées par des simulations dynamiques dans des situations variées, se basent exclusivement sur des données proprioceptives accessibles immédiatement par la mesure des variables articulaires de la structure. De cette manière, le robot réagit directement au contact des obstacles, sans avoir besoin de connaître à l’avance la géométrie du sol. / Performing an efficient locomotion on rough terrains is still a challenge for robotic systems of all kinds. “Wheel-on-leg” robots that try to combine energy efficiency of wheels with leg agility are an example with potentially very promising capabilities. Unfortunately, control of such structures turns out to be problematic because of the kinematic redundanciesand, above all, the difficulty of precisely evaluating the ground geometry as the robot advances. This thesis proposes a solution to the complexity of reconfigurable rolling systems by a synergic approach between compliance and actuation.To this purpose, we propose to exploit an ideally orthogonal decomposition between the different movements enabled by the robot suspension due to compliant elements. Then, the structure actuation is here dedicated to controlling the vertical forces applied on wheels, while the horizontal wheel displacements are due to a passive stiffness combined with a local modulation of wheel speed. The robot posture is controlled through the vertical forces servoing provided by a series elastic actuation. This ensures a spontaneous adaptation of wheel heights while keeping the control on load distribution. The feasibility of such a locomotion system is validated through a prototype based on four compliant “wheel-legs”. Entirely conceived as part of this study, this one approximates the proposed functional decomposition while meeting the realization and robustness constraints. We also present two control methods that take advantage of the functional decompositionproposed for the structure in order to cross obstacles. The first one aims to exploit the chassis inertia in order to perform a local modification of the vertical forces applied on wheels, while the second one is based on the selection of proper ways of distributing forces in order to be able to pursue a quasi-static advance in all circumstances. Two approaches are given for the production of the last control : either with a “Q-learning” algorithm or by determining parameterized expert rules. Validated by dynamic simulations in various situations, these controls rely only on proprioceptive data immediately provided by the measurement of articular variables. This way, the robot directly reacts when it touches obstacles, without having to know the ground geometry in advance.

Les créatures à n-pattes, comme les quadrupèdes, les arachnides ou les reptiles, sont une partie essentielle de n’importe quelle simulation et ils participent à rendre les mondes virtuels plus crédibles et réalistes. Ces créatures à n-pattes doivent être capables de se déplacer librement vers les points d’intérêt de façon réaliste, afin d’offrir une meilleure expérience immersive aux utilisateurs. Ces animations de locomotion sont complexes en raison d’une grande variété de morphologies et de modes de déplacement. Il convient d’ajouter à cette problématique la complexité des environnements où ils naviguent. Un autre défi lors de la modélisation de tels mouvements vient de la difficulté à obtenir des données sources. Dans cette thèse nous présentons un système capable de générer de manière procédurale des animations de locomotion pour des dizaines de créatures à n-pattes, en temps réel, sans aucune donnée de mouvement préexistante. Notre système est générique et contrôlable. Il est capable d’animer des morphologies différentes, tout en adaptant les animations générées à un environnement dynamique complexe, en temps réel, ce qui donne une grande liberté de déplacement aux créatures à n-pattes simulées. De plus, notre système permet à l’utilisateur de contrôler totalement l’animation produite et donc le style de locomotion / Multi-legged characters like quadrupeds, arachnids, reptiles, etc. are an essential part of any simulation and they greatly participate in making virtual worlds more life-like. These multi-legged characters should be capable of moving freely and in a believable way in order to convey a better immersive experience for the users. But these locomotion animations are quite rich due to the complexity of the navigated environments and the variety of the animated morphologies, gaits, body sizes and proportions, etc. Another challenge when modeling such animations arises from the lack of motion data inherent to either the difficulty to obtain them or the impossibility to capture them.This thesis addresses these challenges by presenting a system capable of procedurally generating locomotion animations fordozens of multi-legged characters in real-time and without anymotion data. Our system is quite generic thanks to the chosen Procedural-Based techniques and it is capable of animating different multi-legged morphologies. On top of that, the simulated characters have more freedom while moving, as we adapt the generated animations to the dynamic complex environments in real-time. Themain focus is plausible movements that are, at the same time,believable and fully controllable. This controllability is one of the forces of our system as it gives the user the possibility to control all aspects of the generated animation thus producing the needed style of locomotion