Dans cette thèse, nous proposons un ensemble d'outils nécessaires à l'élaboration d'un simulateur de chirurgie. Dans un premier temps, nous définissons plusieurs modèles déformables physiques temps réels permettant de simuler les déformations et la découpe d'organes du corps humain. Ces modèles s'appuient sur la théorie de l'élasticité et la méthode des éléments finis. Nous avons tout d'abord travaillé sur l'enrichissement du modèle élastique linéaire en le généralisant au cas des matériaux dont le comportement est anisotrope, soit en raison de la présence de fibres (muscles, tendons), soit parce qu'ils sont entourés d'une peau (capsule de Glisson pour le foie). Cependant, la principale limitation de l'élasticité linéaire est de n'être valable que dans l'hypothèse de petits déplacements. Nous proposons donc un nouveau modèle déformable mettant en oeuvre l'élasticité non-linéaire de St Venant-Kirchhoff, qui reste valable pour les grands déplacements. Après avoir étendu ce modèle aux matériaux anisotropes, nous proposons plusieurs méthodes d'optimisation des calculs, soit en utilisant un algorithme adaptatif qui combine les modèles linéaires et non-linéaires, soit à partir d'une nouvelle formulation. La seconde partie de ces travaux porte sur la simulation des interactions entre les instruments chirurgicaux et les organes virtuels. Pour cela, nous avons modélisé les contacts, ainsi que certaines actions spécifiques comme le glissement, la préhension et la découpe. De plus, nous nous sommes intéressés aux problèmes liés à l'utilisation d'interfaces à retour d'effort.

Les interfaces haptiques permettent à un opérateur d'interagir avec un environnement virtuel ou distant via le sens du toucher.La majorité des interfaces de l'état de l'art restent au contact de l’utilisateur pendant toute la durée de la manipulation. La liaison permanente entre le robot et l’opérateur nuit à la qualité de l’interaction, notamment en réduisant la transparence en espace libre. Ce problème est d’autant plus prégnant dans le cadre des interfaces haptiques dextres.Cette thèse a pour objectif d'étudier la possibilité d'augmenter la transparence et le réalisme de l'interaction à travers le développement d’interfaces à contacts intermittents. Il s’agit de déconnecter le robot de l'utilisateur lorsqu’aucun contact avec l’environnement n’est nécessaire. Un état de l’art des performances de la manipulation humaine, des interfaces haptiques dextres ainsi que des travaux relatifs au contact intermittent, est d’abord présenté. Un effecteur plan pour le contact intermittent est ensuite conçu. Il est installé à l’extrémité distale d'une interface haptique et plusieurs solutions sont envisagées pour sa loi de commande. Les performances de dix utilisateurs sont comparées dans le cadre d'une tâche de détection de contact en utilisant d'une part l'effecteur adapté au contact intermittent, d'autre part une interface haptique classique. L'élaboration d'une interface permettant une interaction plus naturelle avec l'environnement est ensuite initiée par l'élaboration d'une méthodologie de choix des zones de contact de la main à prendre en compte dans la conception d'une interface haptique. Des perspectives sont finalement données quant à l'extension de ces résultats à une interface haptique dextre à contacts intermittents. / Haptic interfaces allow an operator to interact with a virtual environment through the sense of touch. Nowadays, most existing interfaces are mechanically connected to the user's hand throughout the simulation. Therefore he or she interacts with the virtual environment by means of a handle. Thus the interaction is neither natural nor intuitive, and the permanent connection between the robot and the operator is the source of perturbations which prevent the interaction from being perfectly transparent and realistic. The goal of this study is to increase transparency as much as possible by disconnecting the robot from the user when s/he is not in contact with the virtual environment, through the design of a dexterous haptic interface allowing for a more natural interaction than with a classical interface taking into account only one contact point. A state-of-the-art of dexterous haptic interfaces and another for intermittent contact devices are first gathered, and the human performances that should be taken into account for the design of a dexterous haptic interface are analysed. A bidirectional end-effector for intermittent contact is then devised. It is set up at the tip of a haptic interface and several solutions are tested for its control. The performances of six users are compared on the context of a contact detection task, first using the intermittent contact end-effector, then using a classical haptic device. A methodology for the choice of the hand contact areas that should be taken into account in the design of a dexterous haptic interface to enhance the naturalness of the interaction is proposed. Finally, some perspectives are given as for the extension of this study for the design of a dexterous encounter-type haptic interface.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotique pour la chirurgie mini-invasive télé-opérée. L'une des principales limitations des systèmes existants concerne l'absence de restitution des efforts au chirurgien lorsqu'il télé-opère le robot. Ainsi, un système de télé-opération avec retour d'effort est proposé. Il est basé sur une architecture position - position avec une commande en effort du robot esclave. Cette dernière utilise un découplage non-linéaire du robot ainsi que des techniques d'observation et de commande par retour d'état. Des validations expérimentales ont montré les performances de l'architecture lors d'une télé-opération en espace libre et lors d'interactions avec un environnement de faible rigidité. Une première contribution est l'estimation en ligne de la raideur de l'environnement afin de garantir la stabilité du système lors d'interactions avec un environnement rigide. Cette stratégie utilise un filtre de Kalman étendu qui s'affranchit de la position de repos de l'environnement et qui considère une compensation des erreurs de modélisation du robot esclave. La deuxième contribution est l'étude de la transparence et de la stabilité de l'architecture de télé-opération. Une adaptation des paramètres de commande en fonction de la raideur estimée est proposée en considérant un compromis entre ces deux critères. La structure a été validée expérimentalement en considérant un environnement constitué de tissus ex-vivo. Une dernière contribution est l'adaptation de l'architecture de télé-opération avec retour d'effort aux contraintes imposées par la chirurgie mini-invasive. La première est le passage de l'instrument du robot par le trocart. Une architecture de commande utilisant le principe du découplage tâche - posture est alors proposée. La posture permettant le passage par le trocart est contrôlée en considérant la commande en position d'un robot virtuel attaché à l'instrument du robot télé-opéré. La deuxième contrainte considérée est la compensation des mouvements physiologiques. L'objectif étant d'offrir au chirurgien une stabilisation virtuelle de l'organe. L'approche de commande consiste à atténuer les perturbations dans les efforts appliqués sur un environnement en mouvement. La compensation repose sur une commande référencée modèle qui considère que les perturbations atténuées génèrent un déplacement du robot esclave. Des expérimentations ont montré la pertinence et l'efficacité des stratégies proposées.

Après la transmission de l'image et du son à travers les réseaux télécoms, il était logique de s'intéresser à la transmission du geste. Le « toucher 3D » est en train de révolutionner la façon de travailler des utilisateurs de la 3D sur ordinateur. Il permet aux gens de manipuler directement des objets et des données numériques de la même façon que dans la réalité en utilisant leur sens du toucher. Il existe des systèmes à retour d'effort, représentés par des manches munis de moteurs pilotés par des logiciels. Ils renvoient dans la main de l'utilisateur des sensations de forces, de vibrations, ils sont programmables en fonction d'une certaine tâche à effectuer dans le monde virtuel. Lors d'un toucher distant, d'un télégeste, nous sommes confrontés au problème de l'instabilité de la boucle haptique (homme-système à retour d'effort-réseau-retour de la force dans la main du manipulateur). Cette instabilité est provoquée par le retard introduit par la latence incompressible du réseau de télécommunication. Idéalement on désirerait obtenir une réponse instantanée (inférieure à la milliseconde), or l'élaboration d'une telle réponse est irréalisable car elle est non causale. Afin de contrer le retard introduit par le réseau nous avons utilisé des prédicteurs dans le but d'obtenir une réponse simultanée à la sollicitation du manipulateur du système à retour d'effort. Cette amélioration d'ergonomie du télégeste est réalisée grâce à la pertinence statistique du modèle de l'algorithme de prédiction.

Les interfaces haptiques à retour d'effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l'utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L'utilisation d'interface à retour d'effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d'en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d'interfaces àretour d'effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l'accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l'interface mais aussi pour la conception électromécanique. L'ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l'environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d'une interface sont mis en évidence à l'aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d'une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d'un problème d'optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d'utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd'inertie du dispositif).Dans un second temps, l'architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l'aide d'une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d'état augmenté comme alternative à l'utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d'une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d'essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés.

La notion d'instrumentalité peut être définie comme la relation corporelle entre un humain et un objet physique, dit instrument. Ce corps à corps intime, qui adresse simultanément les différents canaux sensoriels d'action et de perceptions humaines, constitue un vecteur pour la connaissance enactive. Cette relation instrumentale joue notamment un rôle clé pour la richesse expressive des instruments musicaux.Dans le contexte informatique, un vaste champ de recherche concerne l'interaction sensorielle avec des entités virtuelles par le biais de capteurs et d'actionneurs, notamment l'interaction gestuelle avec les systèmes à retour d'effort. D'une part, les Réalités Virtuelles, historiquement centrées sur la visualisation, focalisent essentiellement l'interaction gestuelle sur des propriétés spatiales, souvent au détriment de qualités dynamiques. D'autre part, les Instruments Musicaux Numériques sont essentiellement centrés sur le contrôle interactif de processus de synthèse sonore numériques, basés sur le traitement de l'information. Ces deux scénarii synthétisent des phénomènes sensoriels destinés à différents canaux perceptifs selon une approche multimodale, l'objet virtuel étant décomposé en sous-parties, liées entre elles par des relations de contrôle.Il est néanmoins possible de concevoir des systèmes permettant l'interaction instrumentale avec un objet virtuel simulé, avec une cohérence énergétique bidirectionnelle totale, du geste au son et réciproquement. Il est alors nécessaire de regrouper (a) un formalisme de modélisation physique permettant la création d'objets virtuels intrinsèquement multisensoriels, possédant à la fois des propriétés visuelles, acoustiques et haptiques, (b) des systèmes à retour d'effort de grande performance dynamique et (c) des architectures de calcul spécialisées, permettant une boucle de simulation synchrone réactive à haute vitesse.Le travail de cette thèse consiste en l'extension et la convergence des concepts et techniques ci-dessus pour la mise en œuvre d'une plateforme de création musicale instrumentale, dite MSCI (modeleur-simulateur pour la création instrumentale), en proposant une répartition multifréquence du calcul de simulation des instruments virtuels sur une nouvelle architecture matérielle synchrone. Un environnement de modélisation permet de concevoir intégralement l'instrument virtuel sur des principes mécaniques et physiques et de configurer le couplage physique entre celui-ci et l'utilisateur du monde réel lors de la simulation à retour d'effort.Il adresse entre autre la question de la répartition de la chaine instrumentale en zones à caractère majoritairement non-vibrant, dont la dynamique est de l'ordre du geste sensori-moteur humain, et en zones vibrantes, productrices du son. Ces deux parties de l'instrument peuvent être simulées à des fréquences différentes, adaptées aux phénomènes physiques dont elles sont le siège. Dans le cadre d'un formalisme de simulation physique garantissant la cohérence énergétique des objets simulés, la séparation multifréquence est une problématique nouvelle qui nécessite d'être abordée avec précaution, pour des questions de respect du couplage physique ainsi que de stabilité numérique.Il s'agit, à notre connaissance, du premier environnement de création musicale par modélisation physique modulaire permettant la manipulation instrumentale d'instruments virtuels multisensoriels, respectant une cohérence énergétique entre homme et instrument, et permettant de jouir du potentiel créatif de la synthèse sonore tout en retrouvant l'intimité et la richesse de l'interaction gestuelle instrumentale. Au delà du cadre musical, ce travail pose les bases et les outils technologiques pour un véritable art multisensoriel, adressant conjointement la vision, l'oreille ainsi que le geste humain. / The notion of instrumentality can be defined as the corporal relationship between a human and a physical object, called an instrument. This intimate situation simultaneously addresses the various human action and perception sensory canals, and constitutes a vector for enactive knowledge. In particular, this instrumental relationship plays a key role in the expressiveness of musical instruments.In the digital context, a vast area of research concerns sensory interactions with virtual entities, by means of sensors and actuators, including gestural interaction with force feedback systems. On the one hand the Virtual Reality domain, historically focused on visual aspects, generally focus gestural interaction on spatial features, often losing the focus of dynamic features. On the other hand, Digital Musical Instruments are essentially centered on interactive control of digital sound synthesis processes, grounded in information technologies and signal processing. These two approaches synthesize sensory phenomena destined to different perceptive channels following a multimodal approach, the virtual object being decomposed into subsections, linked together by control relations.It is however possible to conceive systems that allow for instrumental interaction with a virtual simulated object, maintaining total and bidirectional energetic coherence, from gesture to sound and reciprocally. In this case, it is necessary to bring together (a) a physical modeling formalism that allows creating intrinsically multisensory virtual objects that possess visual, acoustical and haptic properties, (b) force feedback systems with high dynamic performances and (c) specialized computation architectures that allow for a reactive, high rate synchronous simulation loop.The work of this thesis consists in the extension and convergence of concepts and techniques hereby mentioned here-above, in order to create a platform for instrumental musical creation, named MSCI (Modeleur Simulateur pour la Création Instrumentale), proposing a multi-rate architecture for the simulation of virtual musical instruments on a new dedicated simulation architecture. A modeling environment allows complete design of the virtual instrument based on mechanical and physical principles, and to configure the haptic coupling between this instrument and the user during the force-feedback simulation.Notably, it addresses the separation of the instrumental chain into zones which present mostly non-vibrating phenomena within a dynamic range close to the human sensory-motor gesture, and zones which vibrate at acoustical rates, producing sound. These two sections of the instrument may be simulated at different rates, adapted to the physical phenomena that they give birth to. In the scope of a physical modeling formalism that guarantees the energetic coherence of simulated objects, this multi-rate separation is a new topic that requires careful handling, in terms both or respect of the physical coupling and of numerical stability.To our knowledge, this is the first environment for musical creation by means of physical modeling that allows for instrumental manipulation of multisensory virtual instruments, respecting an energetic coherence between the human and the instrument, and therefore allowing embracing the creative potential of digital sound synthesis while disposing of the intimacy and expressiveness of instrumental gestures. Beyond the musical scope, this work provides the basis and the technological tools for the emergence of a true multisensory form of art, jointly addressing vision, hearing and gesture.

L'objectif principal de cette thèse est de développer une nouvelle interface pour la simulation des procédures de chirurgie mini-invasive. L'interface développée introduit les modalités visuelle, haptique et thermique pour les futures générations de simulateurs et de robots chirurgicaux. La particularité de cette recherche réside dans l'utilisation de la stimulation thermique dans une perspective d'application pour la chirurgie. Dans ce cadre, plusieurs modèles de transfert de chaleur ont été développés, implémentés et évalués pour des applications de téléprésence et de réalité virtuelle. Des sensations intéressantes ont été enregistrées, ce qui a une conséquence directe sur la capacité de distinguer entre des objets dans l'environnement et particulièrement dans le domaine médical où la sensation thermique est en corrélation avec la présence d'anomalies dans certaines maladies. Un nouveau dispositif haptique est conçu et réalisé en analysant les tâches chirurgicales en termes de dextérité, d'espace de travail, de force et de couple exigés. Nous avons tenu compte des exigences générales de conception mécaniques des interfaces haptiques à partir de ce qui a été établi dans la littérature de l'haptique. Le dispositif complet a été interfacé avec un logiciel de simulation en réalité virtuelle (SOFA). Nous avons intégré dans SOFA le module nécessaire pour la simulation thermique. L'intégration était réussie et un scénario de simulation réaliste avec le retour d'information visuel que thermique a été réalisé. Des résultats préliminaires utilisant la simulation complète sont présentés.

L'apparition de la télé-échographie à la fin des années 1990 a largement contribué à l'améliorationdes capacités de prise en charge des patients. Aujourd'hui, le laboratoire PRISME bénéficie d'unsavoir faire reconnu dans la conception de systèmes de télé-échographie robotisée. L'objectif deces travaux de thèse est d'apporter une contribution scientifique et technique au projet ANR-PROSIT,qui vise à la mise en oeuvre d'un robot de télé-échographie innovant. Une étude du geste du praticienen milieu clinique a été menée afin d'en déterminer les caractéristiques cinématiques. Réalisée àl'aide du système de capture de mouvement Vicon Nexus, cette analyse a contribué à l'établissementdes spécifications du futur robot. Sa structure mécanique a fait l'objet d'une attention particulière. Unearchitecture parallèle sphérique a été sélectionnée, étudiée puis optimisée via un algorithmegénétique en fonction des critères d'espace de travail, de dextérité et de compacité. L'architectureainsi obtenue est ensuite analysée sur des aspects de collisions et d'inaccessibilité. Pour le contrôlede ce robot, l'utilisation d'une interface haptique à l'aspect proche d'une sonde d'échographie estproposée. Dotée d'un système de retour d'effort et d'une centrale inertielle fiabilisée par un filtre deKalman adaptatif, cette nouvelle interface a été testée et validée par le système Vicon Nexus.

Ce travail propose de nouvelles structures de contrôle pour la téléopération bilatérale à travers des réseaux de communication non dédiés. L’enjeu est donc de concevoir et calculer des structures de commande garantissant la stabilisation et un bon degré de performance en termes de synchronisation (suivi des positions et vitesse) et de transparence (ressenti des forces) sous les retards variables et asymétriques.Nous faisons tout d’abord un tour d’horizon des recherches récentes dans le domaine des systèmes de téléopération et de leurs caractéristiques. Puis, nous considérons des modèles linéaires à plusieurs retards variables pour lesquels nous proposons une approche d’analyse de stabilité par fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et contrôle robuste H [infinity symbol . Ensuite, trois structures de téléopération seront proposées en temps continu, la comparaison de ces architectures montre que, pour un retard de réseau maximum donné ou calculé, toutes garantissent un suivi de position et vitesse. Les deux dernières, qui utilisent les forces mesurées ou estimées de l’opérateur humain et de l’environnement, garantissent de plus un suivi en force. Au final, la troisième structure (avec proxy) présente la meilleure performance, même si elle demande un peu plus de calcul. Puis, afin d’analyser et d’améliorer les performances de la troisième structure pour des modèles encore plus réalistes, une étude est menée en temps discret, mais aussi sur un modèle non linéaire ou non stationnaire sous perturbations bornées en norme. L’implantation sur la plate-forme est décrite dans un quatrième et dernier chapitre, et puis l’analyse des résultats expérimentaux est alors menée / This PhD thesis is dedicated to the control scheme design of the bilateral teleoperation under asymmetric communication channels: the stabilization and a high-level performance under asymmetric time-varying delays and the perturbations of the human operator and environment. After a review of the recent researches and their features in the field of teleoperation system, a less conservative Lyapunov-Krasovskii functional together with H [infinity symbol] control theory has been applied to linear time delay systems, and then the LMI theorems have been obtained in order to calculate the controllers in the control schemes.Firstly, three novel teleoperation control schemes have been presented. Comparing three architectures, all of them guaranteed the stability and the position tracking thanks to the position/velocity information. Force-reflecting control scheme without or with proxy, in addition, ensured the force tracking by using the estimated/measured force of the human operator and the environment. Here, the control scheme with the proxy got a better performance. Secondly, a discrete-time approach has been developed to analyze the force-reflecting control scheme with proxy and obtain a better system performance. Besides, more general systems with time-varying uncertainties (the polytopic-type uncertainties and the norm-bounded model uncertainties) have been considered. Finally, the experimental test-bench and the real system implementation have been designed, which involved the identification and linearizing control of the subsystems (the master/slave robots). The experimental results have illustrated the effectiveness of the approaches proposed in this thesis