Cette thèse s'intéresse à la simulation interactive d'objets déformables en grands déplacements. Elle aborde ce problème sous divers angles, en proposant des améliorations à tous les niveaux, de la génération du maillage au retour haptique en passant par la résolution des équations par solveurs hiérarchiques et la gestion efficaces de contacts multiples. Ainsi, après un état de l'art présentant dans le chapitre 2 les divers modèles utilisés pour modéliser des objets déformables, nous optons pour l'utilisation d'un modèle éléments finis corotationnel. Nous introduisons ensuite dans le chapitre 3 le problème de l'intégration dans le temps de ces modèles. Nous proposons dans ce cadre le concept de mailleur hiérarchique et quelques algorithmes pour améliorer les performances des solveurs hiérarchiques. Nous montrons aussi comment utiliser les ondelettes dans un cadre hiérarchique. Le chapitre 4 présente un nouveau modèle pour gérer les contacts. Ce modèle autorise la gestion de multiples contacts interactivement et en respectant les lois de Signorini et Coulomb. Ce modèle est basé sur la bonne approximation d'un modèle corotationnel élémentaire que constitue un modèle corotationnel nodal, ce qui permet l'utilisation d'une matrice de compliance approchée partiellement pré-calculée et pouvant aisément être mise à jour. Le chapitre 5 enfin, montre comment assurer un retour haptique dans le cas de la simulation de corps déformables. Nous proposons pour cela de séparer la boucle de rendu haptique de la boucle phyique. / Chapter 2 is dedicated to a Computer Graphics community deformable models state of the art. This review of the main methods and models used to simulate deformable bodies will lead us to consider the Element Based Corotational Model as a good basis for our simulation. Chapter 3 deals with the resolution of the equations induced by the use of a specific mode!. We detail the explicit and implicit integration methods used to comput the deformable bodies evolution in time. We then describe the different solvers, direct, iterative, multigrid and adaptive, which can be used to solve the system created by these integration methods. These descriptions lead us to consider the multigrid solvers as a good alternative to usual solvers, though they have some limitations that we try to tackle with two new contributions. Considering the obvious link between multigrid solvers and hierarchical basis functions, we also try to incorporate them in multigrid solvers. After this chapter we have the necessary tools to bend a deformable object subject to forces. ln Chapter 4 we concentrate on the interaction between the object and its environment, i.e. the contact. Thus, we introduce the methods often met in the Computer Graphics. We show that the complementarity based methods ensure a realistic and natural behaviour. However, they require the computation of the compliance that is really time consuming. Thi is why we propose our Compliance Warping method that allows a significant speed-up. This improvement relies on the use of a compliance approximation. Finally, in chapter 5, we present the haptic feedback. We also see that the introduction of the human in the simulation loop imposes demanding constraints on the simulation frequency and stability. Literature provides solutions for the stability issue. Nonetheless, in the of deformable bodies simulation, the models complexity forbids to meet the frequency requirement. We try to overcome this difficult by spitting the physical and haptic loops.

Dans le domaine de la réalité virtuelle, la mise en situation écologique des utilisateurs nécessite l’utilisation d’interfaces homme-machine capables de transmettre mais aussi restituer des informations réalistes. L’objectif de cette thèse est de réaliser une interface haptique capable de reproduire des retours d’informations kinesthésiques et tactiles, c’est à dire la reproduction des sensations de toucher virtuel. Plus précisément, ce travail vise à reproduire simultanément la forme et la texture. Pour cela nous avons réalisé un dispositif basé sur une plateforme kinesthésique capable de retourner la forme et sur une dalle tactile capable de retourner la texture. Le retour de forme est essentiellement basé sur la restitution de la courbure par l’exploration d’une surface continue, qui peut s’orienter, s’élever et se translater tout en restant toujours tangente à une forme virtuelle au point de contact ; ceci afin de respecter la principale source d’information dans la perception de forme, l’orientation de la surface locale. Quant au retour de texture, pour le réaliser, nous intégrons au dispositif une plaque tactile à frottement variable et contrôlé, développée au L2EP. Une série d’évaluations psychophysiques ont été effectuées de façon à connaître les performances de ce stimulateur couplé kinesthésique et tactile. / In the field of virtual reality, the improvement of the user immersion requires the use of human-machine interfaces capable of transmitting but also rendering the realistic information. The objective of this PhD is to develop a haptic device which can reproduce the kinaesthetic and tactile feedbacks, which is the reproduction of virtual touch sensations. Precisely, this work aims to simultaneously simulate the shape and the texture. For this purpose, we have designed a kinaesthetic platform to simulate the shape and a tactile plate to simulate the texture, and then integrated them in a compact device. For the simulation of shape, we proposed to render the curvature of shape by exploring a continuous surface that can be orientated, be elevated and be translated while always remaining tangent to a virtual shape at the contact point, in order to respect the principal source of information in the perception of shape (the orientation of the local surface). For the simulation of texture, we integrated a tactile plate developed in L2EP, which provides variable and controlled friction. Finally, we integrated the platform and the tactile plate in a device coupling kinaesthetic and tactile feedbacks that allows us to simultaneously reproduce the sensations of shape and fine texture. Several evaluations have also been performed to know the performance of the device.

L’usage des écrans tactiles est devenu omniprésent ces dernières années. Ces appareils prennent une place de plus en plus importante dans notre de vie de tous les jours, on les retrouve dans nos maisons, bureaux et même dans nos poches. L’abondance de ces nouvelles interfaces a soulevé l’intérêt pour les technologies permettant une stimulation tactile, et mis en perspective le manque de ce type d’interfaces dans les nouvelles générations d’appareils mobiles avec écrans tactiles. Aujourd’hui, les appareils possédant ce type d’écran se contentent de fournir un retour sensoriel sous la forme de simples vibrations, qui n’ont pas pour objectif de recréer les sensations du toucher de surfaces. La recherche de nouvelles interfaces tactiles, plus performantes, et assurant une restitution plus proche d’une sensation naturelle est donc en cours. Plusieurs solutions technologiques ont prouvé leur efficacité mais posent des problèmes d’industrialisation. Dans cette thèse, une de ces méthodes adaptées aux écrans tactiles, la lubrification ultrasonique, est présentée. Cette méthode de stimulation s’appuie sur la création d’une onde stationnaire ultrasonore au sein d’un résonateur en verre et est capable de faire varier en temps réel la sensation de frottement entre le doigt de l’utilisateur et la surface du résonateur. Grace à des mesures tribologiques, les paramètres influents tels l’amplitude vibratoire, la vitesse d’exploration du doigt, la fréquence de résonance du stimulateur sont mis en évidence. Cette analyse permet la proposition d’une première série de spécifications techniques pour la conception de dispositifs à retour tactile. L’étude est ensuite complétée par l’analyse des problèmes d’alimentation et de contrôle du système, avec en considération les questions d’intégration au sein de dispositifs portables et les problèmes d’industrialisation du processus de fabrication. Enfin, des études psychophysiques sont menées pour affiner du point de vue perceptuel le cahier des charges de conception d’un tel dispositif. / The last few years have seen the emergence of ubiquitous mobile devices and tactile interfaces. These devices take an ever-important place in our daily life, they are present in our home, office, cars and even pockets. The abundance of these novel interfaces raised the interest in touch based human-machine interactions and highlighted the problem of the lack of natural touch feedback in the existing generation of tactile displays. Today’s smartphones all possess basic haptic feedback thanks to low frequency vibrations. However, these vibrations are far from the natural touch sensation of a surface. The search for a better tactile feedback, closer to the natural human perception, is ongoing. Multiple solutions are being explored to deliver improved haptic feedback on existing mobile platforms such as smartphones or tablets. In this thesis, we investigate the tactile feedback thanks to ultrasonic lubrication, well adapted to touch screen. This technology uses the creation of a resonating standing wave in a substrate to modulate in real time the friction perceived by user moving his finger on the resonator surface; the principle is effective even on a flat glass surface. By a series of experimental friction measures, the influence of the relevant parameters such as the vibration amplitude, the exploratory speed, the resonance frequency is highlighted. This analysis is used to build advanced tactile interfaces, based on ultrasonic friction modulation. The control and the supply of the tactile interfaces are also investigated, considering the issues of integration and industrialization of the process. Finally, these new interfaces are used to explore advanced control methods, improving further the quality and reliability of the generated sensation. Psychophysical analysis is performed to fulfil the specifications of these devices on a perceptual point of view.

Dans ce travail de thèse, nous examinons les principaux facteurs affectant la transparence d'un schéma de téléopération dans le contexte de la robotique médicale.Afin de déterminer ces facteurs, une analyse approfondie de l'état de l'art a été réalisée ce qui a permis de proposer une nouvelle classification de schémas de téléopération avec retour haptique.Le rôle de ces principaux facteurs a été analysé.Ces facteurs sont liés à l'architecture de commande appliquée, aux perturbations provoquées par les mouvements physiologiques des tissus manipulés ainsi qu'à la précision du modèle d'interaction robot-tissue.Les performances du schéma de téléopération à architecture 3-canaux ont été analysées en simulation pour choisir une architecture de commande dédiée aux applications médicales.Ensuite, l'influence des mouvements physiologiques de l'environnement manipulé sur la transparence du système a été analysée et un nouveau modèle d'interaction avec des tissus mous a été proposé.Un schéma de commande de téléopération basé modèle d'interaction a été proposé en se basant sur une analyse de passivité du port d'interaction robot-environnement.Enfin, l'importance de la précision du modèle d'interaction (robot-tissue) sur la transparence du schéma de téléopération avec retour d'effort basé-modèle a été analysée.Cette analyse a été validée en théorie et expérimentalement en implémentant le modèle Hunt-Crossly dans une commande utilisant un AOB pour réaliser une téléopération avec retour haptique.En conclusion de ce travail, les résultats de cette thèse ont été discutés et les perspectives futures ont également été proposées. / This thesis investigates the major factors affecting teleoperation transparency in medical context.A wide state of art survey is carried out and a new point of view to classify haptic teleoperation literature is proposed in order to extract the decisive factors providing a transparent teleoperation.Furthermore, the roles of three aspects have been analysed.First, The role of the applied control architecture.To this aim, the performances of 3-channel teleoperation are analysed and guidelines to select a suitable control architecture for medical applications are proposed.The validation of these guidelines is illustrated through simulations.Second, the effects of motion disturbance in the manipulated environment on telepresence are analysed.Consequently, a new model of such moving environment is proposed and the applicability of the proposed model is shown through interaction port passivity investigation.Third analysed factor is the role of the interaction model accuracy on the transparency of interaction control based haptic teleoperation.This analysis is performed theoretically and experimentally by the design and implementation of Hunt-Crossly in AOB interaction control haptic teleoperation.The results are discussed and the future perspectives are proposed.

Les processus de conception industriels font de plus en plus appel à l'utilisation de maquettes numériques. La manipulation d'objets complexes requiert alors l'utilisation d'interfaces à retour d'effort afin de rendre l'interaction plus intuitive. D'autre part, ces processus de conception et de développement s'inscrivent de plus en plus dans une démarche de travail collaboratif.Dans ce contexte, nous proposons d'étudier une architecture distribuée en vue de manipuler des objets dans un environnement virtuel.Afin de garantir la stabilité du système, nous détaillons ensuite deux méthodes dérivées du domaine de la téléopération. La première repose sur les couplages virtuels proportionnels dérivés dans le cas de retards faibles. La seconde est basée sur les variables d'onde quelque soit le retard. Nous proposons, enfin, d'enrichir le retour d'effort en ajoutant de l'haptique événementielle que nous nous proposons d'évaluer.

Au travers de cette thèse, nous nous intéressons à la problématique de la détection des collisions au sein d'environnements virtuels, notamment dans le cadre de simulations interactives consistant en la manipulation de scènes complexes. Nos recherches se sont particulièrement orientées vers la mise en oeuvre de techniques d'optimisation dans ce contexte. Aussi, la principale contribution issue des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse réside dans l'élaboration d'un algorithme fondé sur une approche évolutionniste. Baptisé ESPIONS, cet algorithme peut se voir utilisé de différentes manières. On peut cependant le définir comme un processus visant à identifier des champs de distances minimum locales entre des objets virtuels de natures diverses. Nous proposons également une étude expérimentale visant à caractériser l'influence des paramètres d'ESPIONS sur son comportement général, ceci dans le but d'identifier différents critères destinés à faciliter l'établissement de jeux de paramètres pertinents en fonction des problèmes considérés. Enfin, plusieurs implémentations de l'algorithme sont présentées en vu d'illustrer les différents modes opératoires introduits et d'évaluer les apports et limites de l'approche proposée.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l 'étude d'un micro-robot destiné à la mise en oeuvre d'une technique de chirurgie mini-invasive pour le traitement des anévrismes de l'artère aorte abdominale. Ce micro-robot placé à l'extrémité d'un cathéter, rendant ce dernier actif, permettra la navigation à l'intérieur de l'artère en évitant les contacts avec les parois de celle-ci. Le système sera destiné à l'apprentissage du geste chirurgical et à l'assistance du chirurgienpendant l'opération. De par sa structure et ses propriétés physiques, le micro-robot, pouvantêtre composé de plusieurs modules élémentaires, entre dans la catégorie des robots continuum. Dans notre étude, un module élémentaire est considéré comme étant un robot parallèle. Lesmodèles géométriques et cinématiques inverses ont alors été établis en utilisant les techniques dela robotique parallèle. L'approche de modélisation proposée permet de faire ressortir explicitement du modèle les paramètres géométriques du micro-robot. Une étude sur l'identificationde ces paramètres a été effectuée par le calibrage du modèle géométrique inverse. Des résultatsde simulation sont présentés validant d'une part les modèles développés et d'autre part la méthode de calibrage proposée. Afin de mettre nos modèles en situation, nous avons développé unsimulateur tridimensionnel intégrant le modèle d'un segment de l'artère, le modèle du micro-robotet un syntaxeur à retour de force. La mise en place d'une navigation active, planifiée etguidée dans ce simulateur permet de contraindre les gestes du chirurgien lors de la navigation du micro-robot à l'intérieur de l'artère

Le Dynamic Vision Sensor (DVS) est un prototype de la rétine silicium qui n'enregistre que des changements de contraste de la scène sous la forme de flux d'événements, excluant donc naturellement les niveaux de gris absolus redondants. Dans ce contexte, de nombreux algorithmes de vision asynchrones à grande vitesse basées sur l'événement ont été développés et leurs avantages par rapport aux méthodes de traitement traditionnel basé sur l'image ont été comparés. En retour haptique pour la micromanipulation, la vision est un candidat qualifié pour l'estimation de la force si le modèle position-force est bien établi. La fréquence d'échantillonnage doit toutefois atteindre 1 kHz pour permettre une sensation tactile transparente et fiable et assurer la stabilité du système. La vision basée sur l'événement a donc été appliquée pour fournir le retour d'effort nécessaire sur deux applications de micromanipulation: Le retour haptique sur la pince optique; Assistance virtuelle haptique sur micro-outil mécanique. Les résultats montrent que l'exigence de fréquence haptique de 1 kHz a été réalisée avec succès. Pour la première application, les algorithmes de détection de la position d'une microsphère à haute vitesse ont été développés. Un système de retour haptique tridimensionnel capable de manipuler plusieurs pièges optiques a été réalisé. Dans la deuxième application, un nouvel algorithme d'enregistrement de forme basé sur l'événement capable de suivre objet de forme arbitraire a été développé pour suivre une micropince piézoélectrique. La stabilité du système a été considérablement renforcée pour aider les opérateurs à effectuer des tâches de micromanipulation complexes.

La micromanipulation a un grand potentiel pour révolutionner la recherche biologique et les soins médicaux. À petite échelle, microrobots peuvent effectuer des tâches médicales avec peu invasive, et d'explorer la vie à un niveau fondamental. Pinces optiques sont l'une des techniques les plus populaires pour la manipulation biologique. La production de petits lots qui exige une grande flexibilité repose principalement sur le processus de téléopération. Cependant, le niveau limité d'intuitivité rend de plus en plus difficile de conduire efficacement les tâches de manipulation et d'exploration dans le micromonde complexe. Dans de telles circonstances, des chercheurs pionniers ont proposé d'incorporer l'haptique dans la boucle de contrôle du système OTs, qui vise à gérer les tâches de micromanipulation de manière plus flexible et plus efficace. Cependant, la solution n'est pas encore complète, et il ya deux défis principaux à résoudre dans cette thèse: Détection de force 3D, qui doit être précis, rapide et robuste dans un espace de travail suffisamment grand; Haute vitesse jusqu'à 1 kHz force de rétroaction, ce qui est indispensable pour permettre une sensation tactile fidèle et d'assurer la stabilité du système. Dans la micromanipulation des pinceaux optiques, la vision est un bon candidat pour l'estimation de la force puisque le modèle force-position est bien établi. Cependant, le suivi de 1 kHz dépasse la vitesse des procédés de traitement classiques. La discipline émergente de l'ingénierie biomorphe visant à intégrer les comportements de vie dans le matériel informatique ou le logiciel à grande échelle rompt le goulot d'étranglement. Le capteur d'image asynchrone basé sur le temps (ATIS) est la dernière génération de prototype de rétine de silicium neuromorphique qui enregistre seulement les changements de contraste de scène sous la forme d'un flux d'événements. Cette propriété exclut le fond redondant et permet la détection et le traitement des mouvements à grande vitesse. La vision événementielle a donc été appliquée pour répondre à l'exigence de la rétroaction de force 3D à grande vitesse. Le résultat montre que les premières pinces optiques haptiques 3D à grande vitesse pour une application biologique ont été obtenues. La réalisation optique et les algorithmes de suivi événementiel pour la détection de force 3D à grande vitesse ont été développés et validés. L'exploration reproductible de la surface biologique 3D a été démontrée pour la première fois. En tant que puissant capteur de force 3D à grande vitesse, le système de pinces optiques développé présente un potentiel important pour diverses applications. / Micromanipulation has a great potential to revolutionize the biological research and medical care. At small scales, microrobots can perform medical tasks with minimally invasive, and explore life at a fundamental level. Optical Tweezers are one of the most popular techniques for biological manipulation. The small-batch production which demands high flexibilities mainly relies on teleoperation process. However, the limited level of intuitiveness makes it more and more difficult to effectively conduct the manipulation and exploration tasks in the complex microworld. Under such circumstances, pioneer researchers have proposed to incorporate haptics into the control loop of OTs system, which aims to handle the micromanipulation tasks in a more flexible and effective way. However, the solution is not yet complete, and there are two main challenges to resolve in this thesis: 3D force detection, which should be accurate, fast, and robust in large enough working space; High-speed up to 1 kHz force feedback, which is indispensable to allow a faithful tactile sensation and to ensure system stability. In optical tweezers micromanipulation, vision is a sound candidate for force estimation since the position-force model is well established. However, the 1 kHz tracking is beyond the speed of the conventional processing methods. The emerging discipline of biomorphic engineering aiming to integrate the behaviors of livings into large-scale computer hardware or software breaks the bottleneck. The Asynchronous Time-Based Image Sensor (ATIS) is the latest generation of neuromorphic silicon retina prototype which records only scene contrast changes in the form of a stream of events. This property excludes the redundant background and allows high-speed motion detection and processing. The event-based vision has thus been applied to address the requirement of 3D high-speed force feedback. The result shows that the first 3D high-speed haptic optical tweezers for biological application have been achieved. The optical realization and event-based tracking algorithms for 3D high-speed force detection have been developed and validated. Reproducible exploration of the 3D biological surface has been demonstrated for the first time. As a powerful 3D high-speed force sensor, the developed optical tweezers system poses significant potential for various applications.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l 'étude d'un micro-robot destiné à la mise en oeuvre d'une technique de chirurgie mini-invasive pour le traitement des anévrismes de l'artère aorte abdominale. Ce micro-robot placé à l'extrémité d'un cathéter, rendant ce dernier actif, permettra la navigation à l'intérieur de l'artère en évitant les contacts avec les parois de celle-ci. Le système sera destiné à l'apprentissage du geste chirurgical et à l'assistance du chirurgienpendant l'opération. De par sa structure et ses propriétés physiques, le micro-robot, pouvantêtre composé de plusieurs modules élémentaires, entre dans la catégorie des robots continuum. Dans notre étude, un module élémentaire est considéré comme étant un robot parallèle. Lesmodèles géométriques et cinématiques inverses ont alors été établis en utilisant les techniques dela robotique parallèle. L'approche de modélisation proposée permet de faire ressortir explicitement du modèle les paramètres géométriques du micro-robot. Une étude sur l'identificationde ces paramètres a été effectuée par le calibrage du modèle géométrique inverse. Des résultatsde simulation sont présentés validant d'une part les modèles développés et d'autre part la méthode de calibrage proposée. Afin de mettre nos modèles en situation, nous avons développé unsimulateur tridimensionnel intégrant le modèle d'un segment de l'artère, le modèle du micro-robotet un syntaxeur à retour de force. La mise en place d'une navigation active, planifiée etguidée dans ce simulateur permet de contraindre les gestes du chirurgien lors de la navigation du micro-robot à l'intérieur de l'artère / In this thesis, we are interested in a micro-robot study for the implementation of a mini-invasivesurgery technique. The medical application concerns the treatment of the artery abdominal aorta aneurysms. This micro-robot located at the extremity of the catheter permits thecatheter movements into the artery avoiding minimizing contacts with the artery walls. The system can be used for the surgical gesture learning and for the surgeon assistance during the medical operation. Because of its structure and its physical properties the micro-robot is considered as a continuum robot. It is composed of one or several elementary modules. In our study we consider each elementary module as a parallel robot. Then the inverse kinematics model has been established by using techniques of parallel robotics. The proposed modelling approach allows the expression of the model according to the micro-robot geometric parameters. A study on the identification of these parameters has been developed by an inverse geometric modelcalibration. The given simulation results validate the developed models on the one hand, the proposed calibration method on the other hand. We have developed a three-dimensional simulator integrating the model of an artery segment, the micro-robot model, and a joystick with force feedback. The implementation of active, planned and guided navigation on this simulator allows to constrain the surgeon gestures during the movements of the micro-robot inside the artery