Ce manuscrit de thèse, intitulé " Dimensionnement d’un actionneur pour organe de pilotage à entraînement direct avec redondance passive magnétique ", s’inscrit dans un projet ANR du nom de TEMOP pour, TEchnologie Mécatronique pour Organe de Pilotage, en lien avec la société UTC Aerospace de Figeac. L’objectif de cette thèse est de développer une solution de machine électrique permettant de générer le retour d’effort actif d’un mini-manche latéral d’aéronef, dans le but d’améliorer les sensations haptiques des pilotes. Cette machine doit être assez performantes pour générer des efforts massiques importants, tout en tenant dans un encombrement réduit et en limitant l’échauffement. Un cahier des charges précis rédigé par l’industriel donne les contraintes à respecter et impose une redondance triplex sur chaque axe de tangage et de roulis. Nous avons opté pour une solution comportant un duplex actif associé à un simplex passif. Sur chaque axe, deux machines électriques actives seront montées en parallèle et une solution à retour d’effort passif magnétique a été développée. Pour ce faire, nous avons divisé notre thèse en deux parties distinctes. La première partie du manuscrit traite du dimensionnement de la machine active appelée DARM pour Double Airgap Rotative Machine. Il s’agit d’une machine synchrone à aimants permanents en configuration Halbach, comportant deux entrefers et à débattement limité. La stratégie de dimensionnement est basée sur une optimisation locale et analytique sous contraintes non-linéaires. La première partie développe les contraintes sous forme analytiques. Puis, un modèle magnétique est créé de manière à connaître le couple que la structure développe en fonction des différentes variables d’optimisation. Ce modèle a été validé par éléments finis grâce aux logiciels ANSYS et JMAG. Une optimisation permet d’aboutir aux dimensions de l’actionneur satisfaisant au cahier des charges. Puis, dans le but de vérifier les températures atteintes dans chaque zones, un modèle thermique global, utilisant des résistances thermiques équivalentes a été établi et validé par simulations. Ainsi, on vérifie que la structure optimisée n’atteint pas des températures critiques. Enfin, nous validerons nos calculs par des mesures expérimentales. Un chapitre du manuscrit est dédié au dimensionnement de la partie passive. Nous avons imaginé un système innovant qui couple une fonction de ressort et d’amortisseur. La fonction de ressort s’appuie sur le phénomène de répulsion entre deux aimants permanents, alors que la fonction d’amortisseur est créée par un système de freinage passif par courants de Foucault. La stratégie de dimensionnement est divisée en deux partie. Les dimensions du système de ressort sont préalablement choisies grâce à une optimisation paramétrique locale couplant le logiciel MATLAB au logiciel de simulations par éléments finis FEMM. Lorsque ces dimensions sont fixées, le système d’amortisseur est dimensionné par une optimisation locale analytique où la fonction objectif a pour vocation de maximiser le couple de freinage. Nous nous sommes donc entachés à développer un modèle qui permet de calculer ce couple. Sur cette base, un prototype a été élaboré, sur lequel des mesures expérimentales ont permis de valider le concept. / This thesis manuscript titles "Dimensionnement d’un actionneur pour organe de pilotage à entraînement direct avec redondance passive magnétique ", which means " Design of an active flight control direct drive actuator with a passive magnetic redundancy ", is seen against an ANR project named TEMOP for, " TEchnologie Mécatronique pour Organe de Pilotage ", and is in connection with the UTC Aerospace industry in Figeac in France. The objective of this thesis is to develop a solution of electrical machine, which permits to create an active force feed-back for an aircraft side-stick, in order to improve the haptic sensations of the pilot. This machine have to be enough powerful to create high forces per unit of mass. We also need to respect the overall dimensions and to decrease the heating as much as possible. A precise set of specifications, redacted by UTC Aerospace, gives the constraints and impose to have a triple redundancy on each axis of pitch and roll. We chose to develop a duplex active redundancy with an added simplex passive actuator. Our full system have 6 machines : 4 are actives and 2 are passives. Our thesis is divided in two main parts. The first part of the manuscript deals with the design of the active machine called DARM for " Double Airgap Rotative Machine ". It is a synchronous permanent magnet machine, with a Halbach pattern, with two airgaps and a non-entire arc. The design method is based on an analytical optimization process under a set of non-linear constraints. Each of them are traduced mathematically and an electromagnetic 2D model is developed, in order to give the theoretical torque reached, in function of the variables of the problem. This model has been validated with FEM simulations with the ANSYS and JMAG softwares. An optimization is realized to give the dimensions of the DARM. Then, in order to verify the temperatures, we developed a global thermal model, based on an equivalent electric circuit. It permits to verify that the temperatures reached in the structure, are under the limits given by the set of specifications. This model is verified by FEM simulations using ANSYS. Finally, we will validate our models with experimental measures. However, a chapter is dedicated to the design of the passive actuator. We imagined an innovative system, which have two different utilities. The first one is a function of spring, the second is a function of shock absorber. The spring is based on the repulsion phenomenon between two magnets. The shock absorber is created with a system of Eddy currents breaker. The design method is divided in two. In the first time, we design the spring with a parametric optimization using the FEMM software coupled to the MATLAB software. When the dimensions of the spring are known, we design the shock absorber with an analytical optimization process which use an electromagnetic torque model developed in this part. A prototype has been built in order to verify the models.

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. / Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.

The minimally invasive approach of arthroscopy means less pain and faster recovery time for patients compared to open surgery. However, it implies a high difficulty of performance. Therefore, surgeon should remain at a high level of technical and professional expertise to perform such operations. Surgeon’s skills are being developed over years of surgical training on animals, cadavers and patients. Nowadays, cadavers and animal specimens present an ethical problem also the practice on real humans is usually risky. For surgeons to reach a high level, new and alternative ways of performing surgical training are required. Virtual reality technology has opened new realms in the practice of medicine. Today, virtual reality simulators have become one of the most important training methods in the medical field. These simulators allow medical students to examine and study organs or any structure of the human body in ways that were not possible few years earlier. Similarly, the surgeon as well as the medical student can gain a valuable experience by performing a particular surgery with an anatomical accuracy and realism as it is actually performed in the real world. Thus, they can practice on virtual operation before they proceed and operate on real patients. In this thesis, a virtual reality training simulator for wrist arthroscopy is introduced. Two main issues are addressed: the 3-D reconstruction process and the 3-D interaction. Based on a sequence of CT images a realistic representation of the wrist joint is obtained suitable for the computer simulation. Two main components of the computer-based system interface are illustrated: the 3-D interaction to guide the surgical instruments and the user interface for haptic feedback. In this context, algorithms that model objects using the convex hull approaches and simulate real time exact collision detection between virtual objects are presented. A force feedback device, coupled with a haptic algorithm, is used as a haptic interface with the computer simulation system. This leads in the development of a low cost system with the same benefits as professional devices. In this regard, the wrist arthroscopy can be simulated and medical students can learn the basic skills required with safety, flexibility and less cost / La chirurgie arthroscopique présente actuellement un essor très important pour le bénéfice du plus grand nombre des patients. Cependant, cette technique possède un certain nombre d’inconvénients et il est donc nécessaire pour le médecin de s’entrainer et répéter ses gestes afin de pouvoir exécuter ce type d’opération d’une façon efficace et certaine. En effet, les méthodes traditionnelles d’enseignement de la chirurgie sont basées sur l’autopsie des cadavres et l’entrainement sur des animaux. Avec l’évolution de notre société, ces deux pratiques deviennent de plus en plus critiquées et font l’objet de réglementations très restrictives. Afin d’atteindre un niveau plus élevé, de nouveaux moyens d’apprentissage sont nécessaires pour les chirurgiens. Récemment, la réalité virtuelle commence d’être de plus en plus utilisée dans la médecine et surtout la chirurgie. Les simulateurs chirurgicaux sont devenus une des matières les plus récentes dans la recherche de la réalité virtuelle. Ils sont également devenus une méthode de formation et un outil d’entrainement valable pour les chirurgiens aussi bien que les étudiants en médecine. Dans ce travail, un simulateur de réalité virtuelle pour l’enseignement de la chirurgie arthroscopique, surtout la chirurgie du poignet, a été préesenté. Deux questions principales sont abordées : la reconstruction et l’interaction 3-D. Une séquence d’images CT a été traitée afin de générer un modèle 3-D du poignet. Les deux principales composantes de l’interface du système sont illustrées : l’interaction 3-D pour guider les instruments chirurgicaux et l’interface de l’utilisateur pour le retour d’effort. Dans ce contexte, les algorithmes qui modélisent les objets en utilisant les approches de “Convex Hull” et qui simulent la détection de collision entre les objets virtuels en temps réel, sont présentés. En outre, un dispositif de retour d’effort est utilisé comme une interface haptique avec le système. Cela conduit au développement d’un système à faible coût, avec les mêmes avantages que les appareils professionnels. A cet égard, l’arthroscopie du poignet peut être simulée et les étudiants en médecine peuvent facilement utiliser le système et peuvent apprendre les compétences de base requises en sécurité, flexibilité et moindre coût

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. / Since the end of the nineties, the tele-echography has been contributing to improve the taking carecapacities of patients. Today, the PRISME laboratory has a recognized expertise in the design ofrobotic tele-echography systems. The objective of this thesis is to provide scientific and technicalsupport to the ANR-PROSIT project. It aims to design of an innovative tele-echography robot. Anexpert gesture study has been carried out in clinical environment to determine its kinematiccharacteristics. It has been performed using the motion capture system Vicon Nexus and itcontributed to establish the specifications of the future robot. The mechanic structure of this robot hasbeen minutely taken in consideration. The spherical parallel mechanism has been selected, studiedand optimized using a genetic algorithm with respect of criterion such as workspace, dexterity andcompacity. The resulted architecture is then analyzed regarding collisions and inaccessibilityaspects. To control this robot, the use of a haptic device with the same shape of an ultrasound probeis proposed. It provides force feedback and it is instrumented with an inertial measurement unit,processed by an adaptative Kalman filter. This new interface has been tested and validated by ViconNexus system.