La grande majorité des robots actuels sont utilisés dans le domaine industriel. Ils doivent travailler à l’intérieur d’un environnement contrôlé afin de ne pas blesser les gens qui les entourent. Les robots industriels sont habituellement rigides et ne sont pas adaptés pour travailler dans des environnements non contrôlés. Afin de pallier à ce problème, une nouvelle branche de la robotique est en émergence. Qualifiée de robotique sécuritaire avec les humains, elle permet à des robots de travailler à proximité des humains et par le fait même, d’être utilisés dans plusieurs autres domaines dont l’environnement n’est pas contrôlé. L’utilisation d’actionneurs compliants est une approche utilisée pour la conception de robot souple. La majorité de ces types d’actionneurs possèdent une bande passante limitée en force ce qui est problématique pour plusieurs tâches nécessitant un contrôle à la fois précis en position et en force. Ce projet de maîtrise traite de l’élaboration et du contrôle d’un nouveau concept d’actionneur à grande densité de force utilisant la technologie magnétorhéologique (MR), et ce, dans un embrayage combiné à l’enroulement de tendons. Les embrayages MR permettent d’avoir de larges bandes passantes en force, d’isoler l’inertie du moteur avec le joint externe, de distribuer la puissance d’une seule source d’énergie cinétique et possède une grande densité de force. En combinant les embrayages MR à l’enroulement de tendons, il est possible de repousser la masse du robot à sa base, ce qui réduit grandement l’inertie de la structure du système. En utilisant le fluide MR dans un embrayage, le contrôle du couple est plus simple à implémenter. Par exemple, il est possible d’effectuer des mouvements qui requièrent beaucoup de force dans un court intervalle de temps, tout en étant capable d’effectuer une tâche qui requiert une grande précision de mouvement. Cette combinaison, inexistante actuellement, pourrait mener à des changements importants dans le secteur de la robotique sécuritaire avec les humains et de la robotique mobile. En plus de combiner ces dernières technologies mécaniques, les techniques de contrôle doivent être adaptées afin d’exploiter le plein potentiel de ce type de système. Dans ce mémoire, la conception et la réalisation de prototypes et de techniques de contrôle sont présentés. Pour valider les performances du nouveau type d’actionneur, les performances de bande passante en couple de l’embrayage MR et en force en ajoutant le système de transmission par câble sont illustrées et discutées. Par la suite, un prototype complet utilisant quatre embrayages MR est présenté et caractérisé au niveau de la bande passante en force et en position. En plus de l’aspect mécanique, une technique de contrôle adaptée au nouveau système d’actionnement est présentée. Pour valider et développer l’algorithme de contrôle en position, un prototype utilisant des moteurs électriques est développé. La capacité à s’adapter au changement de configuration du système d’actionneur est illustrée et discutée. Les algorithmes de contrôle sont ensuite validés sur le prototype utilisant les embrayages MR.

Depuis son apparition la robotique chirurgicale s’avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d’un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l’espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d’une tumeur témoin, et la réalisation d’un démonstrateur offre des perspectives d’expérimentations en conditions simulées. / Since the beginning of surgical robotics, surgical robots continue to find their place in clinical routine. They improve the quality and safety of operations, and comfort for the surgeon. This work addresses the design, modeling and path planning of a robotic system for brain tumor resection. The characterization of the surgical task (adaptability to the high diversity of tumor shapes, limited and evolving workspace) points out the requirements for the robot design and resection path planning. A modular robot with seven degrees of freedom is selected (high dexterity) and is actuated by wires. A kinematic (geometric) model is built.Motion planning of the redundant robot in evolving and path depending workspace is based on an interactive path planning. The method uncouples the degrees of freedom and defines elementary procedures, which are assembled in an arbitrary sequence by the neurosurgeon.A discretization method allows computing the procedure space that presents the possible locations, orientations and sizes of resected areas with respect to the robot limitations to bound procedure choices. A simulation on a real tumor case reveals that the chosen robotic concept associated to the interactive motion planning method allows removing the tumor for the most part. A demonstrator is realized and will provide opportunities for experiments in simulated conditions.

Parce que la robotique collaborative vise à libérer les robots des barrières physiques les séparant des opérateurs humains, de nouveaux défis apparaissent autour de la sécurité de ces derniers. S'il est possible de diminuer la dangerosité des robots en amont de leur conception, les logiciels qui les contrôlent doivent impérativement intégrer des mesures de sécurité, afin d'être compatibles avec des environnements humains dynamiques. Les algorithmes classiques de planification de trajectoire nécessitant de lourds calculs, il est avantageux de modifier la trajectoire en temps réel pour l'adapter à l'environnement dangereux. Dans ce projet de recherche, un algorithme de cinématique inverse, sous forme de problème d'optimisation, est utilisé afin de générer la commande du robot à partir d'une trajectoire définie hors-ligne. L'ajout de contraintes de sécurité à ce problème est particulièrement étudié : dans un premier temps, l'indice de manipulabilité, qui traduit la distance du robot à une configuration singulière, est considéré. Ainsi, il doit être maximisé tout au long de la trajectoire afin d'assurer la meilleure mobilité disponible. Dans un deuxième temps, le facteur humain a été intégré par la prise en compte du confort de celui-ci : afin de réduire le stress éprouvé par l'opérateur face à un robot aux mouvements imprévisibles, on s'assure de minimiser la distance entre l'effecteur et le regard de l'humain pour garantir une plus grande visibilité de la tâche. Dans les deux cas, nous avons présenté une formulation originale de ces critères afin de les intégrer dans le problème d'optimisation. Par ailleurs la contrainte d'évitement d'obstacles a aussi été utilisée, de même que la relaxation de la trajectoire, qui permet au robot de dévier un peu de cette dernière pendant une portion de la durée de la tâche. Enfin des tests en simulation et avec le robot réel Baxter de Rethink Robotics ont permis de valider notre approche et de vérifier les performances en conditions réelles, en utilisant une caméra RGB-D et un logiciel de détection d'humain en temps réel. / Abstract : Because collaborative robots are aimed at working in the vicinity of human workers without physical security fences, they bring new challenges about security. Even if robots can be conceived to be less harmful, their software has to integrate security features in order to be suitable for dynamic human environments. Since classical path planning algorithms require heavy calculations, it is interesting to modify the trajectory in real time to adapt it to the dangerous environment. In this research project, an inverse kinematics solver, in the form of an optimization problem, is used to generate the command of the robot to follow a trajectory defined offline. The addition of security constraints is studied: first, the manipulability index, which reflects the distance of the robot to singular configurations, is considered. Thus, it should be maximized all along the trajectory to ensure the best mobility available. Then the human is integrated by taking into account its comfort: in order to reduce the stress of working near an unpredictable moving robot, the distance between the end-effector and the human gaze is minimized to guarantee a greater visibility of the task. In both cases, we have presented a new formulation of those criteria to integrate them into the optimization problem. Moreover, the collision avoidance constraint is used, as well as the trajectory relaxation, which allows the robot to deviate from its trajectory for a certain amount of time during the task. Finally tests in simulation and with the real Baxter robot from Rethink Robotics validated our approach and the performance has been evaluated in real conditions, using a RGB-D camera and a real time human tracker software.

Cette thèse porte sur l'analyse de la singularité d'un manipulateur plan pour l'application d'une XY-Théta plate-forme. Cette plate-forme possède une cinématique brevetée, conçue pour garder l’erreur finale de position en dessous de 2mμ dans son espace de travail de dimensions 300 mm × 300 mm. Ces performances de haute précision s'expliquent par la proximité des singularités. Certains inconvénients peuvent survenir lorsque la trajectoire se rapproche des singularités, notamment si une vitesse articulaire élevée est atteinte. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est d'identifier les lieux des singularités. Habituellement, quand un robot non-redondant se déplace dans un espace à trois dimensions, le lieu de singularité est défini par une surface. Une contribution majeure de ce travail de thèse réside dans l'identification d'une ligne hélicoïdale pour définir le lieu de la singularité au sein de l'espace de travail. Une autre partie du travail réalisé a consisté à prendre en compte la redondance du robot à identifier les lieux des singularités et dans ce cas à analyser les problèmes de contrôle liés à la traversée de surfaces de singularités. En dernier lieu, une attention a été portée sur l'indice de maniabilité afin d'évaluer la distance entre le manipulateur et la singularité. / This thesis deals with the singularity analysis of a planar robotic manipulator for the application of an XY-Theta platform. This XY-Theta platform has a patented kinematics designed to keep the final position error below 2 μm in its 300 mm × 300 mm workspace. But as the high precision performances are due to the proximity of singularities, some drawbacksmay also appear when the trajectory is too close to singularities, such as large joint velocities, high forces and torques. Therefore, the main objective of this thesis is to identify the singularity loci. Usually, when a non-redundant robot operates in a 3D space, the singularity locus is represented by a surface. Here, one contribution is the identification of an helicoidal line for the singularity locus within the workspace. Another contribution is to take into account the redundancy of the robot, identify the singularity loci in this case and analyze the control problems linked to the crossing of singularity surfaces. Finally, the manipulability index is calculated to show how far the manipulator is from the singularity configuration.

Pour améliorer le traitement endovasculaire des anévrysmes de l'aorte, nous préconisons d'adjoindre aux cathéters existants un nouveau micro-robot qui leurs confère une compliance active. Ce nouvel outil, nommé MALICA (Multi Active LInk CAtheter), est un robot hybride à déformation continue. Nous établissons son modèle statique direct sous forme analytique généralisable à un empilement de plusieurs robots. Son expression permet ensuite de calculer le modèle différentiel. Une étude de ses caractéristiques géométriques est alors menée (volume de travail, dextérité). Grâce à l'optimisation sous contraintes d'une fonction objective, nous parvenons à résoudre le modèle statique inverse de MALICA qui gère sa redondance intrinsèque. Nous mettons finalement en œuvre une commande en orientation par modèle variationnel d'un micro-robot. Nous évaluons ses performances dans différents cas de suivi de trajectoires et pour différents critères d'optimisation (courbure, énergie).

Depuis son apparition la robotique chirurgicale s'avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d'un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l'espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d'une tumeur témoin, et la réalisation d'un démonstrateur offre des perspectives d'expérimentations en conditions simulées.

La thèse traite de la planification des mouvements optimaux dans les systèmes robotiques redondants pour l'automatisation des processus d’enroulement filamentaire. L'objectif principal est d'améliorer la productivité des cellules de travail en développant une nouvelle méthodologie d'optimisation des mouvements coordonnés du robot manipulateur, du positionneur de pièce et de l'unité d'extension de l'espace de travail. Contrairement aux travaux précédents, la méthodologie proposée offre une grande efficacité de calcul et tient compte à la fois des contraintes technologiques et des contraintes du système robotique, qui décrivent les capacités des actionneurs et s'expriment par les vitesses et accélérations maximales admissibles dans les articulations actionnées. La technique développée est basée sur la conversion du problème continu original en un problème combinatoire, où toutes les configurations possibles des composants mécaniques sont représentées sous la forme d'un graphe multicouche dirigé et le mouvement temporel optimal est généré en utilisant le principe de programmation dynamique. Ce mouvement optimal correspond au plus court chemin sur le graphique satisfaisant les contraintes de lissage. Les avantages de la méthodologie développée sont confirmés par une application industrielle d’enroulement filamentaire pour la fabrication de pièces thermoplastiques au CETIM. / The thesis deals with the optimal motion planning in redundant robotic systems for automation of the composite lay-up processes. The primary goalis to improve the lay-up workcell productivity by developing a novel methodology of optimizing coordinated motions of the robotic manipulator,workpiece positioner and workspace extension unit,which ensure the shortest processing time and smooth movements of all mechanical components. In contrast to the previous works, the proposed methodology provides high computational efficiencyand also takes into account both the technological constraints and the robotic system constraints, which describe capacities of the actuators and are expressed by the maximum allowable velocities and accelerations in the actuated joints. The developed technique is based on conversion of the original continuous problem into a combinatorial one, where all possible configurations of the mechanical components are represented as a directed multi layergraph and the desired time-optimal motion is generated using dynamic programming principle for searching the shortest path on the graph satisfying the smoothness constraints. It is also proposed an enhancement of this technique by dividing the optimization procedure in two stages combining global and local searches. At the first stage, the developed algorithm is applied in the global search space generated with large discretization step. Then,the same technique is applied in the local search space, which is created with smaller step in the neighborhood of the obtained trajectory. The advantages of the developed methodology are confirmed by industrial implementation on the factory floor that deals with manufacturing of the high pressure vessel.

L'évolution vers les avions plus électriques engendre des efforts importants pour développer des actionneurs à source de puissance électrique pour les commandes de vol. Pour de telles applications critiques, il est peut être intéressant dans le futur d'associer à une même surface de contrôle un actionneur conventionnel à source de puissance hydraulique et un actionneur à source de puissance électrique mais ceci pose un problème important lorsque les deux actionneurs sont actifs simultanément: comme chacun essaye d'imposer sa position à l'autre,les deux actionneurs luttent l'un contre l'autre en développant des efforts néfastes qui ne sont pas utilisés par la charge. L'objet du présent travail est de proposer des stratégies d’égalisation d’effort pour un système d'actionnement impliquant ces deux types d''actionneurs opérant en mode actif-actif. La première étape est de concevoir leur commande en position et de la valider sur banc d'essai. Un banc d'essai virtuel fidèle à la réalité est ensuite réalisé dans l'environnement de simulation AMESim pour pouvoir évaluer facilement les différentes stratégies d'égalisation d'effort entre les deux actionneurs. Ces stratégies sont proposées et évaluées virtuellement en deux étapes, statique puis dynamique. Pour finir, une étude de robustesse est réalisée a posteriori pour évaluer la sensibilité des indicateurs de performance aux incertitudes sur les modèles de simulation et sur les points et les conditions de fonctionnement. / On the way to more electric aircraft (MEA), more and more power-by-wire (PBW) actuators are involved in the flight control system. For a hybrid redundant actuation system composed by the conventional hydraulically powered actuators and the PBW actuators, one major issue while they operate on active/active mode is the force fighting between channels. As the grave influence of force fighting on accelerating material fatigue and increasing power consumption,it must be addressed with attention. This thesis was aiming at proposing some effective force equalization control strategies for the hybrid actuation system involving one servo-hydraulic actuator (SHA) and one electro-mechanical actuator (EMA). For this objective, the position controllers for SHA and EMA were designed and validated as a first step. Then, a virtual test bench regarding to the realistic behaviors was built in the AMESim simulation environment to accelerate the controller design and enable the robustness study. Following this, 2 static force equalization control strategies were proposed and experimentally validated. The first strategy hat introduced integral force fighting signal to compensate the actuator position control was proved a good candidate solution. In the next part, 3 dynamic force equalization strategies were proposed and assessed on the virtual test bench. Their performance sensitivities to the parameter uncertainties were studied through Monte-Carlo method. The first strategy that introduced velocity and acceleration feed-forwards to force the SHA and EMA having similar pursuit dynamics showed a good force equalization performance as well as good segregation and good robustness. In the end, the work presented in thesis was concluded and perspective was given to the ongoing work.

Le premier objectif de la thèse est de présenter un test d'ajustement pour les modèles paramétriques couramment utilisés en l'analyse de survie, la fiabilité, les sciences sociales, l'ingénierie, la santé publique et la démographie, en présence de censure à droite. Nous développons un logiciel en langue R pour les modèles paramétrique. Le modèle de Birnbaum-Saunders (BS) est utilisé pour la test d'ajustement pour les modèles AFT paramétriques et en analyse de système redondant. L'autre contribution porte sur l'analyse de système redondant composé avec une composante en état hot et l'autre en réserve fonctionnent en état warm pour augmenter la fiabilité de systeme. Nous calculons la fiabilité du système en termes de Fonction de répartition et nous donnons l'intervalle de confiance asymptotique. / This is an increasing importance in survival analysis and reliability to select a suitable basic model for further inquiries of the data. Little deviation in basic model can cause serious problems in final results. The presence of censoring and accelerated stresses make this task more difficult. Chi-square type goodness of fit tests are most commonly used for model selection. Many modifications in chi-square tests have been proposed by various researcher. The first aim of the thesis is to present a goodness of fit test for wide rage of parametric models (shape-scale families) commonly used in survival analysis, social sciences, engineering, public health and demography, in presence of right censoring. We give the explicit forms of the quadratic form of the test statistic (NRR test) for various models and apply the test on real data. We develop a computer program in R-language for all models. A separate section is dedicated for the test in demography. We focus on the Birnbaum-Saunders (BS) distribution for goodness of fit test for parametric AFT-model and analysis of redundant system.The other purpose of the thesis is to give the analysis of redundant system. To ensure high reliability of the main components of the systems, standby units are used. The main component is replaced by the standby unit automatically, if it fails. The standby unit can be in warm, hot, or cold state. We give the procedure of one main and (n-1) standby units placed in hot state, and give the detailed analysis of one main and one standby unit using BS parametric family. We use Sedyakin's physical principal and the approach of accelerated failure time model for the analysis of redundant system. This approach is different from the traditional ones in the literature but difficulties in calculations. We calculate the reliability of the system in terms of distribution function (unreliability function) and asymptotic confidence interval.

Cette étude porte sur les corrélats phonétiques des registres tonals yin vs. yang du shanghaïen parlé dans la région urbaine de Shanghai. Nos investigations acoustique, articulatoire et perceptive ont montré qu’en dehors du F0, des indices multi-dimensionnels comme le voisement (voisé pour yang et non-voisé pour yin), le pattern de durée (ratio C/V bas pour yang et élevé pour yin), et le type de phonation (soufflé pour yang et modal pour yin) participent tous à la définition du registre tonal. Parmi tous ces indices, nous tâchons de distinguer les traits redondants liés aux effets coarticulatoires de ceux qui sont des survivants de changements diachroniques. En particulier, la voix soufflée qui accompagne les tons yang est un trait anciennement distinctif et aujourd’hui redondant, issu d’une évolution tonale qui est la transphonologization de distinction de voisement vers la distinction de registre tonal, ou « bipartition tonale ». Nous proposons que la perte d’un trait redondant issu d’un changement diachronique peut être très lente si ce trait ne contrarie pas les effets coarticulatoires et/ou si le trait a une fonction perceptive.En nous basant sur les données synchroniques des locuteurs de deux générations (20-30 ans vs. 60-80 ans), nous constatons une tendance vers la disparition de cette phonation soufflée. Nous constatons également une évolution plus avancée chez les femmes que les hommes de leur âge. Dans notre étude, nous essayons d’expliquer ce changement tant par des causes internes que par des causes externes. / This study bears on the phonetic correlates of the yin vs. yang tone registers of Shanghai Chinese as spoken in Shanghai urban area. Our acoustic, articulatory, and perceptual investigations showed that beside F0, multidimensional cues, such as voicing (voiced for yang vs. voiceless for yin), duration pattern (low C/V ratio for yang vs. high C/V ratio for yin), and phonation type (breathy for yang vs. modal for yin) enter in the specification of tone register. Among all these cues, we attempt to distinguish the redundant features related to coarticulatory effects from those that are remnants of diachronic changes. In particular, the breathy voice accompanying yang tones, which was a distinctive feature in a previous state of the language and has now become a redundant feature, arose from a tonal evolution, namely the transphonologization of a voicing contrast into a tone register contrast, that is, the “tone split.” We propose that the loss of a redundant arisen from a diachronic change may be very slow if that feature does not oppose to coarticulatory effects and/or if that feature has a perceptual function.Based on the synchronic data from the speakers of two generations (20-30 years vs. 60-80 years), we find a trend toward the loss of this breathy phonation. We also find that this evolution is more advanced in women than men of the same age. In our study, we try to explain this change by internal factors as well as by external factors.