Th. 3e cycle--Autom.--Lille 1, 1979. N°: 755.

Au cours des dernières décennies, l'étude des puces microfluidiques capables d'exécuter des processus chimiques et biologiques sur quelques centimètres carrés a été un domaine de recherche actif. De telles plateformes offrent un environnement fermé et contrôlable qui permet une mesure reproductible et évite toute contamination externe. Cependant, ces environnements sont fermés, ce qui empêche l'utilisation de sondes de mesure ou d'effecteurs fixés à l'extérieur de la puce microfluidique. Pour répondre à ce besoin, nous proposons d'utiliser des microrobots rotatifs hélicoïdaux évoluant dans un fluide. Les microrobots proposés sont conçus grâce à la lithographie 3D par laser. Ils présentent une forme hélicoïdale de 5.5 µm de diamètre et environ 50 µm de longueur. Une couche mince ferromagnétique déposée sur ces microrobots permet de les propulser et de les contrôler grâce à un champ magnétique tournant homogène.Le premier défi est l'intégration stable de microrobots à l'intérieur d'un environnement microfluidique. Dans cette thèse, nous avons donc d'abord prouvé que ces microrobots peuvent utiliser leur propre mobilité pour s'intégrer individuellement à l'intérieur d'une puce microfluidique en utilisant un microcanal relié à un réservoir ouvert. Pour cela, nous avons développé un mouvement 3D où le microrobot évolue dans le fluide et deux mouvements 2D où il évolue sur une surface. En passant facilement d'un mouvement à l'autre, les microrobots peuvent utiliser les différents avantages de chaque mouvement pour obtenir une mobilité suffisante à cette intégration. Nous avons nommé ce modèle de microrobot "Roll-to-Swimm"(RTS).Ensuite, pour utiliser un microrobot comme capteur de force sur puce microfluidique, il est nécessaire de caractériser la force générée par l'hélice de chaque RTS. Une méthode de caractérisation est proposée, dans laquelle les différents paramètres d'environnement tels que le flux parasite, le gradient de température et l'impact des surfaces, sont contrôlées avec précision grâce à l'environnement microfluidique. Nous en concluons que le modèle de microrobot "RTS" peut appliquer une force de 10 à 45 piconewton avec une erreur maximale de 38 %. La composante principale de cette erreur (73 %) est due à l'évolution de l'aimantation du RTS. Par conséquent, les efforts visant à réduire cette erreur doivent d'abord se concentrer sur la propriété de magnétisation du RTS. Cette erreur peut également être temporairement réduite en caractérisant la RTS juste avant son utilisation dans une expérience.Enfin, nous présentons trois preuves de concept pour démontrer que notre méthode de caractérisation rapproche les microrobots hélicoïdaux des applications potentielles. Tout d'abord, nous mesurons la diminution de la force du RTS lorsqu'il pousse une microbille. Cette mesure est essentielle pour connaitre la force appliquée par le RTS sur un objet ou pour mesurer l'état de surface en utilisant des billes comme interface. Une microbille de 10 µm de diamètre à la pointe du RTS réduit la propulsion de 6 %. Deuxièmement, nous utilisons la caractérisation du RTS pour mesurer la vitesse locale de l'écoulement dans un canal. Puis nous proposons d'utiliser cette mesure de vitesse pour le contrôle du microrobot grâce à un contrôle automatique du RTS qui adapte le type de mouvement en fonction de la vitesse de l'écoulement. Ce contrôle a été testé expérimentalement avec différentes conditions d'écoulement. Troisièmement, nous utilisons la caractérisation du RTS pour effectuer des simulations numériques afin de trouver une stratégie de contrôle dans des microcanaux de taille inférieure à 20 fois le diamètre du RTS. Le modèle de cette simulation a été validé en comparant ces résultats avec des données expérimentales. Finalement, nous proposons un système de contrôle permettant de maintenir le RTS centré à l'intérieur de microcanaux courbes évoluant en 3D, en utilisant seulement une acquisition d'image en 2D. / Microfluidic chips that could perform chemical and biological processes on a few centimeter square footprint have been an active area of research in the past decades. Among other advantages, this platform offers a closed and controllable environment that allows reproducible measurements and avoids external contamination. However, such closed environments prevent the use of tethered probes to measure or apply a specific force on an element inside the microfluidic chip. Therefore we propose to use a helical rotating microrobot inside a microfluidic chip to answer this need. The proposed microrobots are designed with 3D laser lithography, and have a helical shape of 5.5 µm in diameter and around 50 µm length. A thin ferromagnetic layer is deposited on these microrobots which allows us to propel and control them with a homogenous external rotating magnetic field.The first challenge is the stable integration of these microrobots inside microfluidic environments. Therefore, in this thesis we first proved that these microrobots can use their own mobility to integrate themselves selectively (one by one) inside a microfluidic chip through a microchannel connected to an open reservoir. For this, we have developed a 3D motion where the microrobot evolves in the fluid and two different 2D motions where it evolves on a surface. By switching easily from one motion to another, the microrobots can use the different advantages of each motion to get sufficient mobility required for this integration. We named our microrobot design Roll-To-Swimm (RTS) in reference to this characteristic.Then in order to use a microrobot as on-chip force sensor, a precise characterization of the force generated by the helical shape is necessary for each RTS. A characterization method is proposed, where the different environment parameters (parasite flow, temperature gradient and impact of near surfaces on the flow) are controlled precisely thanks to the microfluidic environment. The characterization shows that the force range of the RTS is between 10 and 45 piconewton with a maximum error of 38 %. We also conclude that the main component of this error (73 %) is due to the evolution of the RTS magnetization. Therefore the efforts to reduce this error should first focus on the magnetization property of the RTS. This error can also be temporarily reduced by characterizing the RTS just before its use in another experiment.Finally, we present three different proofs of concept to demonstrate that our characterization method brings helical microrobots closer to potential on-chip force sensing applications. Firstly, we show that it is possible to measure the diminution of the RTS force when it is pushing a micro spherical bead. This is essential toward applying force on an object with this RTS or to use beads as an interface between the RTS and the surface to measure friction forces. A microbead with 10 µm in diameter at the tip of the RTS reduces it propulsion of 6 %.Secondly, we use the RTS characterization to measure local flow speed. We demonstrate this feature by measuring flow profiles in fluid channels. We show the potential use for of microrobot control by proposing an automatic control of the RTS that adapts the motion to the measured flow. This control has been tested experimentally with different flow conditions. Thirdly, we use the characterization of the RTS to perform numerical simulations in order to find a control strategy in small microchannels. Indeed we demonstrate that for microchannels below 20 times the RTS diameter, the channel walls have an impact on the RTS motions. The model of this simulation has been validated by comparing this result with experimental data. Finally we propose a control scheme for maintaining the RTS centered in a curved microchannel by only using a 2D image feedback.

Le présent document fait la présentation du travail réalisé au cours d'un projet de maitrise avec l'intention d'obtenir un diplôme à la maitrise en génie électrique.Le projet consistait à développer un système capable d'identifier le type de véhicule qui se retrouve dans une image infrarouge. Les deux types de véhicules visés par cette identification étaient les véhicules électriques ainsi que les véhicules à essence. Pour pouvoir être en mesure de l'identifier, il a d'abord fallu développer un système de prise d'images qui permette d'obtenir un échantillon de données comprenant des images infrarouges de différentes voitures. Deux systèmes ont été développés pour atteindre cet objectif : le premier est un système de caméra fixe et le second implique un système de mouvement des caméras. Une fois ces deux systèmes mis en place, la collecte des images fut réalisée avec chacun d'eux. Il fut remarqué que les images obtenues avec le second système étaient de meilleure qualité. Différents contextes de prise d'images ont été explorés. Lorsqu'une quantité suffisante d'images fut obtenue, l'exploration pour la sélection du réseau de neurones permettant l'identification du type de voiture a débuté. Plusieurs solutions ont été envisagées et l'évaluation de celles-ci a été réalisée. Le présent document débute par la présentation d'un article scientifique qui décrit en détails le système de mouvement des caméras / The present document elaborates on the work done for a master project with the intent to obtain a master's in electrical engineering. The project was todevelop a system that identifies the vehicle’s type within an infrared image. The two types of vehicles targeted for identification are electrical vehicles and internal combustion engine vehicles. To identify their type, the development of an acquisition system was necessary for us to collect data and build our dataset, which containsimages of each type of vehicle. Two systems were developed to achieve this goal: the first one is a fixed camera system and the second one is a motion camera system. Once each system was in place, we collected images with each system. Different situations for collecting the images were explored. It was noticed that the second system improved the images 'quality. Once we collected enough images, the exploration of the neural network for classifying the vehicle type started. Many solutions for the neural network have been presented and evaluated to choose the one that meets our needs. The present document begins with a scientific paper that has been donefor the master project which presents in details the motion camera system.

Le but de cette thèse est le transfert du mouvement humain vers un robot humanoïde en ligne. Dans une première partie, le mouvement humain, enregistré par un système de capture de mouvement, est analysé pour extraire des caractéristiques qui doivent être transférées vers le robot humanoïde. Dans un deuxième temps, le mouvement du robot qui comprend ces caractéristiques est calculé en utilisant la cinématique inverse avec priorité. L'ensemble des tâches avec leurs priorités est ainsi transféré. La méthode permet une reproduction du mouvement la plus fidèle possible, en ligne et pour le haut du corps. Finalement, nous étudions le problème du transfert mouvement des pieds. Pour cette étude, le mouvement des pieds est analysé pour extraire les trajectoires euclidiennes qui sont adaptées au robot. Les trajectoires du centre du masse qui garantit que le robot ne tombe pas sont calculées `a partir de la position des pieds et du modèle du pendule inverse. Il est ainsi possible réaliser une imitation complète incluant les mouvements du haut du corps ainsi que les mouvements des pieds. / The aim of this thesis is to transfer human motion to a humanoid robot online. In the first part of this work, the human motion recorded by a motion capture system is analyzed to extract salient features that are to be transferred on the humanoid robot. We introduce the humanoid normalized model as the set of motion properties. In the second part of this work, the robot motion that includes the human motion features is computed using the inverse kinematics with priority. In order to transfer the motion properties a stack of tasks is predefined. Each motion property in the humanoid normalized model corresponds to one target in the stack of tasks. We propose a framework to transfer human motion online as close as possible to a human motion performance for the upper body. Finally, we study the problem of transfering feet motion. In this study, the motion of feet is analyzed to extract the Euclidean trajectories adapted to the robot. Moreover, the trajectory of the center of mass which ensures that the robot does not fall is calculated from the feet positions and the inverse pendulum model of the robot. Using this result, it is possible to achieve complete imitation of upper body movements and including feet motion

L’objectif de notre travail était, d’une part, de déterminer l’impact du délai de transmission des informations en téléchirurgie robotique, et d’autre part, de valider le rôle du simulateur robotique dans la formation en chirurgie robotique. Deux études ont été réalisées pour la partie concernant le délai. Il a été prouvé que la performance chirurgicale se détériore exponentiellement lorsque le délai augmente. Il est préférable d’envisager un geste de téléchirurgie associé à un délai inférieur à 200 ms, et des délais plus de 800 ms ne sont pas adaptés à la téléchirurgie. D’autre part, les chirurgiens ont démontré la capacité de s’adapter au délai par l’entraînement. Dans la deuxième partie, nous avons développé un curriculum sur un simulateur robotique pour une procédure chirurgicale robotique d’urologie. Une autre étude a été réalisée pour déterminer la validité d’un nouveau simulateur robotique (le XTT) comme un outil d’évaluation des techniques d’assistance en chirurgie robotique. / The objectives of our work were, on the one hand, to determine the impact of data-transmission latency in robotic telesurgey, and on the other hand, to validate the role of robotic simulator in robotic surgery training. Two studies were realized in the part concerning latency. It was proved that surgical performance deteriorates exponentially as latency increases. It is preferable to perform telesurgey with a delay less than 200 ms. The delay higher than 800 ms is not suitable for telesurgery. On the other hand, surgeons had demonstrated the capacity to adapt to delay through training. In the second part, we developed a curriculum on a robotic simulator for a urologic surgical procedure. Another study was realized to determine the validity of a new robotic simulator (the XTT) as an evaluation tool of robotic surgical assistance skills.

L'objectif de ma thèse est d'étudier les interactions entre processus cognitifs et émotionnels à travers le prisme de la robotique neuromimétique.Les modèles proposés sont implémentés sur des réseaux de neurones artificiels et encorporés dans des plateformes robotiques -- c'est-à-dire des systèmes encorporés et situés. D'une manière générale, l'intérêt est double : 1) s'inspirer des solutions biologiques pour concevoir des systèmes qui interagissent mieux avec leurs environnements physiques et sociaux, et 2) mettre en place des modèles computationels comme moyen de comprendre la cognition et les émotions biologiques.La première partie du manuscrit aborde la navigation comme cadre permettant d'étudier la cognition biologique et artificielle. Dans le Chapitre 1, je commence par donner un aperçu de la littérature en navigation bio-inspirée. Ensuite, deux problématiques sont traitées. Dans le Chapitre 2, la reconnaissance visuelle de lieux en environnement extérieur est abordée. Dans ce cadre, je propose un modèle basé sur les notions de textit{contextes visuels} et de textit{précédence globale} qui combine des informations locales et holistiques. Puis, dans le Chapitre 3, je considère l'textit{apprentissage interactif} de tâches de navigation à travers une communication homme--robot non-verbale basée sur des signaux visuomoteurs de bas niveau.La deuxième partie du manuscrit s'attaque à la question centrale des interactions entre emotion et cognition. Le Chapitre 4 introduit la recherche sur les émotions comme une entreprise inter-disciplinaire, incluant des théories en psychologie, des découvertes en neurosciences et des modèles computationnels. Dans le Chapitre 5, je propose un textit{modèle conceptuel} des interactions emotion--cognition donc différentes instantiations sont ensuite présentées. Plus précisément, dans le Chapitre 6, je modélise la perception de l'textit{espace péripersonnel} quand elle est modulée par des signaux sensoriels et physiologiques ayant une valence émotionnelle. Enfin, dans le Chapitre 7, j'introduis le concept de textit{métacontrôle émotionnel} comme un exemple d'interaction emotion--cognition. Cela consiste à utiliser des signaux émotionnels élicités par une auto-évaluation pour moduler des processus computationnels -- tels que l'attention ou la sélection de l'action -- dans le but de réguler le comportement.Une idée clé dans cette thèse est que, dans les systèmes autonomes, emotion et cognition ne peuvent pas être séparées. En effet, il est maintenant bien admis que les émotions sont très liées à la cognition, en particulier à travers la modulation de différents processus computationnels. Cela pose la question de savoir si ces modulations se produisent au niveau du traitement sensoriel ou celui de la sélection de l'action. Dans cette thèse, je préconise l'intégration des émotions artificielles dans les architectures robotiques via des influences bidirectionnelles avec les processus sensoriels, attentionnels, moteurs and décisionnels. Ce travail tente de mettre en avant la manière dont cette approche des aspects internes des processus émotionnels peut favoriser une interaction efficace avec l'environnement physique et social du système. / The purpose of my thesis is to study interactions between cognitive and emotional processes through the lens of neuromimetic robotics.The proposed models are implemented on artificial neural networks and embodied in robotic platforms -- that is to say embodied and situated systems. In general, the interest is twofold: 1) taking inspiration from biological solutions to design systems that better interact with their physical and social environments, and 2) providing computational models as a means to better understand biological cognition and emotion.The first part of the dissertation addresses spatial navigation as a framework to study biological and artificial cognition. In Chapter 1, I present a brief overview of the literature on biologically inspired navigation. Then, two issues are more specifically tackled. In Chapter 2, visual place recognition is addressed in the case of outdoor navigation. In that matter, I propose a model based on the notions of textit{visual context} and textit{global precedence} combining local and holistic visual information. Then, in Chapter 3, I consider the textit{interactive learning} of navigation tasks through non-verbal human--robot communication based on low-level visuomotor signals.The second part of the dissertation addresses the central question of emotion--cognition interactions. In Chapter 4, I give an overview of the research on emotion as a cross-disciplinary research, including psychological theories, neuroscientific findings and computational models. In Chapter 5, I propose a textit{conceptual model} of emotion--cognition interactions. Then, various instantiations of this model are presented. In Chapter 6, I model the perception of the textit{peripersonal space} when modulated by emotionally valenced sensory and physiological signals. Last, in Chapter 7, I introduce the concept of textit{Emotional Metacontrol} as an example of emotion--cognition interaction. It consists in using emotional signals elicited by self-assessment to modulate computational processes -- such as attention and action selection -- for the purpose of behavior regulation.In this thesis, a key idea is that, in autonomous systems, emotion and cognition cannot be separated. Indeed, it is becoming well admitted that emotion is closely related to cognition, in particular through the modulation of various computational processes. This raises the question of whether this modulation occurs at the level of sensory processing or at the level of action selection. In this thesis, I will advocate the idea that artificial emotion must be integrated in robotic architectures through bidirectional influences with sensory, attentional, decisional and motor processes. This work attempts to highlight how this approach to internal emotional processes could foster efficient interaction with the physical and social environment.

Une nouvelle approche de planification automatique de mouvements est proposée pour un robot holonome (ayant 2 dégrés de liberté en translation et 1 degré de liberté en rotation) sous des contraintes d'incertitudes géométriques. Les incertitudes considérées portent sur le positionnement (position/orientation) et sur le déplacement du robot. L'originalité de l'approche réside d'une part dans le principe de résolution, et, d'autre part, dans la modélisation des incertitudes et son intégration dans l'approche. L'approche est composée de deux fonctions définies dans l'espace des configurations : (1) une fonction de potentiel fictif qui engendre des déplacements incrémentaux aussi bien dans l'espace libre que dans l'espace de contact ; (2) une fonction d'exploration qui parcourt de manière discrète l'espace de contact afin de contourner les minima locaux de la fonction précédente. Les "contacts" entre le robot et les obstacles sont utilisés pour réduire l'incertitude sur la position et l'orientation du robot. Une analyse explicite des incertitudes est intégrée dans l'approche proposée en utilisant des modèles géométriques de nature ensembliste. L'approche de planification a été validée pour deux types de tâches robotiques : (1) la planification de mouvements d'un objet "volant" sur un plan, et (2) la navigation d'un robot mobile.

Une chirurgie minimalement invasive (CMI), qui implique généralement une caméra endoscopique et des instruments de laparoscopie, peut sembler être la procédure chirurgicale idéale pour ses avantages apparents. Toutefois, en comparaison à la chirurgie ouverte, les limites spatiales et outils mécaniques posés sur les chirurgiens sont si élevés que, souvent, la CMI est abandonné pour des cas complexes et même quand elle est possible, la procédure nécessite une grande dextérité, calibre et expérience du chirurgien. Cette recherche a été motivée par la nécessité d'habiles instruments chirurgicaux qui offrent un contrôle intuitif et une interface ergonomique, avec l'objectif final de développer un instrument robotisé adapté aux interventions par laparoscopie. La recherche a été basée sur l'évaluation comparative des différentes interfaces, modes de contrôle et cinématiques, en utilisant un simulateur de réalité virtuelle, développée spécialement à cet effet. Les résultats montrent que: 1. l'interface optimale a un mode de contrôle WYSIWYD (ce que vous voyez est ce que vous faites) et est exploité par les doigt. 2. les mobilités distales motorisées de l'effecteur doivent produire deux degrés de liberté (DDL) indépendants pour la flexion et la rotation de l'effecteur. Ce qui est suffisant pour des gestes SIG complexes. 3. ajouter une libre articulation à la poignée de l'instrument permet au chirurgien d'avoir une posture ergonomique. 4. un trocart actif permettrait la rotation de l'arbre de l'instrument avec un joint libre. Cette recherche a également permis le développement d'un prototype de validation de concept. Le prototype a été testé avec succès, in vitro et in vivo sur un modèle porcin.

L'axe conducteur de ce travail réside dans la maîtrise du positionnement relatif de deux solides. Pour positionner il faut mesurer. Dans ce travail, nous proposons une analyse conceptuelle des moyens de mesure existants. Certains permettent d'évaluer la position en suivant plusieurs coordonnées simultanément. Ainsi il est possible de "globaliser" l'acquisition. A partir de ce type de mesure, nous proposons des méthodes de dépouillement pour identifier les paramètres du modèle d'erreur, ainsi qu'un calcul de l'incertitude associée. Nous avons développé un principe de mesure permettant l'acquisition simultanée des 6 paramètres de position d'un solide, basé sur l'exploitation d'instruments de mesure de longueurs implantés suivant une architecture parallèle. La conception des instruments de mesure de longueurs a été déclinée sur plusieurs réalisations correspondant à des conditions de mise en oeuvre différentes. Nous sommes parvenus à obtenir une précision de ±3 μm sur une course de 600 mm.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre.