La synthèse dimensionnelle se focalise sur la détermination des dimensions des piècesconstituant le mécanisme et de leur placement. Cependant, malgré les nombreux travaux dansce domaine, les techniques actuelles de dimensionnement n’offrent des solutions satisfaisantesque pour des classes de mécanismes particulières.Dans nos travaux, nous décrivons une approche de résolution générique de problèmes desynthèse dimensionnelle de mécanismes. Une spécification déclarative par contraintes facilitela prise en compte de tout type de mécanismes (plans ou spatiaux, à topologie ouverteou fermée et comportant un nombre quelconque de pièces et de liaisons cinématiques). Lamodélisation des problèmes proposée rend possible la génération automatique d’équationstraduisant simultanément l’objectif à atteindre et les contraintes à respecter ainsi que laconstruction des différents mécanismes solution.Les équations résultantes étant non linéaires, fortement couplées et n’admettant pas nécessairementde solution exacte, nous proposons de les traiter par des méthodes d’optimisation.De plus, la stratégie développée se concentre sur la recherche de plusieurs minima locauxdu problème de synthèse et non sur la recherche d’un minimum global. En premier lieu, uneméthode d’optimisation globale par essaims particulaires explore le domaine de recherche etfournit plusieurs points approchant des minima. Plusieurs processus d’optimisation locale,basés sur la méthode de Nelder-Mead, exploitent ensuite de manière concurrente ces points.Cette stratégie permet d’améliorer considérablement la robustesse de chacune des méthodesprises indépendamment et surtout de proposer plusieurs configurations à l’utilisateur quipourra finalement sélectionner la meilleure solution d’après ses critères.Nous avons développé une maquette d’application de synthèse dimensionnelle de mécanismes,complètement intégrée dans un environnement de conception assistée par ordinateurindustriel qui nous permet de valider la démarche de conception que nous proposons sur unensemble de problèmes classiques. / Mechanism synthesis deals with design of mechanical devices capable of performing adesired task. Dimensional synthesis focuses on the determination of the parts’ dimensionsand locations in order to fulfill the requirements. Despite many works in this research field,current design techniques are lacking in generality and are only suitable for specific classesof mechanisms.This work proposes a generic approach to solve mechanism dimensional synthesis. Adeclarative specification based on constraints facilitates the design of almost any systemtopology such as planar and three-dimensional mechanisms with open and closed loop kinematicchains containing any number and type of joints. The modeling approach presentedallows automatic generation of systems of equations representing both the constraints tosatisfy and the target objectives to minimize, while enabling geometric construction of theobtained solutions.The resulting polynomial equations are nonlinear, highly coupled and do not necessarilyadmit an exact solution. Therefore, we propose to solve them by optimization methods. Thedeveloped strategy focuses on finding several local minima of synthesis problems instead offinding a global minimum. First, a particle swarm global optimization explores the searchdomain and provides points approximating these minima. Then, various Nelder-Mead basedlocal optimization processes handle these points concurrently. This strategy significantlyimproves the robustness of each optimization method taken independently. It also makes itpossible for the designer to choose the best solution among several configurations accordingto his criteria.A dimensional mechanism synthesis prototype, fully integrated with a commercial computeraided design software, has also been developed. It allows validating our design approachon a set of classical problems.

Ces travaux de thèse apportent plusieurs contributions à la conception de dispositifs d'assistance robotisés pour la réalisation de procédures d'insertion d'aiguille sous imageur à rayons X. Partant de la tâche de positionnement et d'orientation d'une aiguille, plusieurs architectures mécaniques inédites à quatre degrés de liberté ont été proposées. Un algorithme de synthèse dimensionnelle a été conçu pour calculer les paramètres structuraux de ces mécanismes en étudiant leurs singularités, tout en tenant compte des contraintes antagonistes de compacité du système, de capacité d'actionnement et de taille d'espace de travail. Une décomposition modulaire du dispositif d'assistance a permis de proposer des solutions pour un outil dédié à l'insertion d'aiguille avec retour d'effort. Cet outil comporte un dispositif d'insertion, un système de préhension d'aiguille et un capteur d'effort spécifique pour le retour d'effort. / This thesis focuses on finding solutions for the design and the technological bottlenecks involving development of a slave robotic assistant for needle insertion procedures. The needed functionalities for the slave device were sought to be achieved by adopting a modular approach. This required the design and the development of different devices which satisfy targeted functionalities. A study of needle positioning devices was carried out which led to the synthesis of novel mechanisms for the task of needle axis translation and the needle axis orientation. A novel dimensional synthesis algorithm was developed to calculate the structural parameters of these mechanism while studying their singularities and considering the antagonistic constraints of system compactness, actuation torques and workspace size. The modular decomposition also allowed to offer solutions for an insertion tool dedicated to needle insertion with force feedback. This insertion tool consists of a device for inserting the needle, a device for grasping the needle and a force sensor for force feedback.

Ce travail porte sur la préconception d'une classe de mécanismes plans à barres articulées, les générateurs de trajectoires, dont la fonction utile est la trajectoire décrite par un point effecteur. Les outils actuellement disponibles sont mieux adaptés à la conception détaillée qu'à la préconception. Nous proposons donc des méthodes d'analyse et de synthèse afin de mieux prendre en compte une plus grande diversité de besoins, notamment pour des spécifications de trajectoire en termes de forme plutôt que classiquement (par des listes de points). La plate-forme de préconception RealisMe utilise deux modèles de cinématique. Le modèle systémique multipolaire est une extension, dans le sens de la théorie des systèmes, de la notion de groupe d'Assur. Le modèle de cinématique qualitative génère directement une trajectoire sous la forme d'arcs et de segments de droite. Ces deux modèles permettent de réaliser des simulations cinématiques très rapides et de fournir des informations utiles en préconception. Le modèle systémique multipolaire est mis à profit dans une méthodologie de conception incrémentale des mécanismes complexes. Nous proposons ensuite deux approches d'optimisation dimensionnelle, exacte et qualitative, par bouclage sur des simulations cinématiques appropriées. Finalement, nous développons deux méthodes de synthèse par capitalisation de cas. Dans ces méthodes, au préalable, un très grand nombre de trajectoires sont calculées, par simulation, pour des jeux de dimensions aléatoires. Ensuite, les cas (couples trajectoire - dimensions), après leur codage, sont stockés dans une base de cas. La première méthode de synthèse par cas utilise un réseau neuronal artificiel pour fournir, à partir d'une forme de trajectoire désirée, un mécanisme candidat par interpolation des cas proches. La forme des trajectoires est modélisée par une analyse harmonique en série de Fourier. Le réseau neuronal permet de stocker en une très faible quantité de données une connaissance étendue sur la relation dimensions-trajectoires, ceci pour une morphologie de mécanisme donnée. La deuxième méthode emploie le codage qualitatif des trajectoires pour stocker dans la même base des trajectoires générées par des mécanismes divers. Afin d'admettre des requêtes complexes, les trajectoires sont indexées selon une clé qualitative.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d’un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d’un robot de télé-échographie et d’un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l’amélioration de la compacité d’une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l’ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l’optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d’améliorer les performances en termes de force et vitesse à l’effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d’adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l’aspect imparfait du processus créatif. / In this thesis, we propose a contribution to the design of medical robots, by offering a concurrent design or simultaneous approach. As opposed to a natural sequential view of the design process, the formalization of the creative process allows simultaneity, paving the way for innovative structures, dedicated: in the medical robotic field, low mass and low compactness of the mechanical structure are often sought. From a description of existing approaches, we design a tele-ultrasound robot and a minimally invasive surgery robot. For both applications, high physical integration is required. For tele-ultrasound robots, portability is highly sought, requiring low compactness. For minimally invasive surgery, geared motors of the in vivo robot must be sized correctly. Here, we formalized the improvement of compactness of an existing parallel structure for remote ultrasound application. The results show an improvement of compactness of around 5%. In the same way, we formalize the dimensional synthesis of two robots 2R-R-R for in vivo minimally invasive surgery. The results show the under-sizing of some actuators. We perform simultaneous optimization between the design of geared motors and lengths of the body of a robot 2R-RR, tendering towards full simultaneity of the creative process, allowing to improve minimal force and velocity at the end-effector of the robot. These experiments of design show limits to a strict simultaneity. We indicate the need to adapt the tools and methods of mechatronic design for simultaneous robotics design, taking into account the imperfect aspect of the creative process.

Dans un contexte d’Industrie 4.0, on perçoit de nouveaux usages possibles des manipulateurs mobiles (MMs), des robots généralement obtenus par l’association d’un bras manipulateur et d’une plate-forme mobile. Ce travail de thèse se focalise sur la synthèse et la commande de nouveaux MMs coopératifs en définissant trois défis à relever. Le premier défi concerne l’élargissement des domaines d’utilisation des robots par la possibilité de leur utilisation coopérative. Nous définissons ainsi un système robotique modulaire basé sur l’utilisation d’entités robotiques appelés mono-robots (m-bots). Ceux-ci sont des MMs qui peuvent se réarranger sous forme de poly-robot (p-bot) pour réaliser une tâche en collaboration. Le deuxième défi se focalise sur la définition de l’architecture cinématique élémentaire de ces robots. Ainsi, nous proposons une démarche générique de synthèse structurale qui permet l’obtention de plusieurs architectures de m-bots respectant les cahiers des charges relatifs à la tâche en tant que m-bot, mais aussi en tant que p-bot pour un environnement considéré. Cette démarche est basée sur l’analyse structurale des MMs à l’aide des paramètres structuraux des mécanismes (connectivité, mobilité, redondance et hyperstatisme). Le troisième défi proposé est d’arriver à modéliser et contrôler les architectures de MMs synthétisées pour la tâche. Deux lois de commande (PID et hybride force-position) sont proposées pour la réalisation de la tâche considérée. Leur validation a été réalisée grâce à des simulations avancées. / In recent years, the concept of Industry 4.0 has led to new possibilities of use for mobile manipulators (MMs) that are generally made of a manipulator arm mounted on a mobile base. The current Ph.D. is focused on the synthesis and control of new cooperative MMs by defining three challenges. The first challenge concerns the widening of the fields of application of robots. Therefore, we define a modular robotic system based on the use of multiple MMs (mono robots or m-bots) that can be used as a global system (poly-robot or p-bot) for collaborative tasks. The second challenge concerns the definition of the kinematic structure of the MMs. We propose a new generic method of structural synthesis that allows to obtain multiple kinematic architectures for m-bots that respect the constraints imposed by the task and the workspace. This method is based on structural analysis of MMs by the evaluation of the structural parameters (connectivity, mobility, redundancy and overconstraint). The last challenge concerns the modelling and control of the new architectures for the new fields of application. Two control laws (PID control and hybrid force-position control) are proposed in order to realise the considered task. Their validation is done with advanced simulations.

L'objectif du travail proposé est de concevoir et commander un groupe des robots mobiles similaires et d'architecture simple appelés m-bots (mono-robots). Plusieurs m-bots ont la capacité de saisir ensemble un objet afin d'assurer sa co-manipulation et son transport quelle que soit sa forme et sa masse. Le robot résultant est appelé p-bot (poly-robot) et est capable d'effectuer des tâches de déménageur pour le transport d'objets génériques. La reconfigurabilité du p-bot par l'ajustement du nombre des m-bots utilisés permet de manipuler des objets lourds et des objets de formes quelconques (particulièrement s'ils sont plus larges qu'un seul m-bot). Sont considérés dans ce travail l'évitement d'obstacle ainsi que la stabilité du p-bot incluant la charge à transporter. Une cinématique pour un mécanisme de manipulation a été proposée et étudiée. Ce dernier assure le levage de la charge et son dépôt sur le corps des robots pour la transporter. Plusieurs variantes d'actionnement ont été étudiées : passif, avec compliance et actionné. Un algorithme de positionnement optimal des m-bots autour de l'objet à manipuler a été proposé afin d'assurer la réussite de la tâche à effectuer par les robots. Cet algorithme respecte le critère de "Force Closure Grasping" qui assure la stabilité de la charge durant la phase de manipulation. Il maintient aussi une marge de stabilité statique qui assure la stabilité de l'objet durant la phase de transport. Enfin, l'algorithme respecte le critère des zones inaccessibles qui ne peuvent pas être atteintes par les m-bots. Une loi de commande a été utilisée afin d'atteindre les positions désirées pour les m-bots et d'assurer la navigation en formation, durant la phase du transport, durant laquelle chaque robot élémentaire doit maintenir une position désirée par rapport à l'objet transporté. Des résultats de simulation pour un objet de forme quelconque, décrite par une courbe paramétrique, sont présentés. Des simulations 3D en dynamique multi-corps ainsi que des expériences menées sur les prototypes réalisés ont permis de valider nos propositions. / Our goal in the proposed work is to design and control a group of similar mobile robots with a simple architecture, called m-bot. Several m-bots can grip a payload, in order to co-manipulate and transport it, whatever its shape and mass. The resulting robot is called a p-bot andis capable to solve the so-called "removal-man task" to transport a payload. Reconfiguring the p-bot by adjusting the number of m-bots allows to manipulate heavy objects and to manage objects with anyshape, particularly if they are larger than a single m-bot. Obstacle avoidance is addressed and mechanical stability of the p-bot and its payload is permanently guaranteed. A proposed kinematic architecture for a manipulation mechanism is studied. This mechanism allows to lift a payload and put it on them-bot body in order to be transported. The mobile platform has a free steering motion allowing the system maneuver in any direction. An optimal positioning of the m-bots around the payload ensures a successful task achievement without loss of stability for the overall system. The positioning algorithm respects the Force Closure Grasping (FCG) criterion which ensures the payload stability during the manipulation phase. It respects also the Static Stability Margin (SSM) criterion which guarantees the payload stability during the transport. Finally, it considers also the Restricted Areas (RA) that could not be reached by the robots to grab the payload. A predefined control law is then used to ensure the Target Reaching (TR) phase of each m-bot to its desired position around the payload and to track a Virtual Structure (VS), during the transportation phase, in which each elementary robot has to keep the desired position relative to the payload. Simulation results for an object of any shape, described by aparametric curve, are presented. Additional 3D simulation results with a multi-body dynamic software and experiments by manufactured prototypes validate our proposal.