Après le lancement du premier satellite artificiel en 1957, l'évolution de diverses technologies a favorisé la miniaturisation des satellites. En 1999, le développement des nano-satellites modulaires appelés CubeSats, qui ont la forme d'un cube d'un décimètre de côté et une masse de 1 kg à 10 kg, a été initié par un effort commun de l'Université polytechnique de Californie et de l'Université de Stanford. Depuis lors, grâce à l’utilisation de composants électroniques standards à faible coût, les CubeSats se sont largement répandus.Au cours des dernières années, le nombre de CubeSats lancés a régulièrement augmenté, mais moins de la moitié des missions ont atteint leurs objectifs. L'analyse des défaillances des CubeSats montre que la cause la plus évidente est le manque d’essais adéquats des composants du système ou du système au complet. Parmi les tâches particulièrement difficiles, on compte les essais « hardware-in-the-loop » (HIL) du système de contrôle d'attitude et d'orbite (SCAO) d’un CubeSat. Un système dédié à ces essais doit permettre des simulations fiables de l'environnement spatial et des mouvements réalistes des CubeSats. La façon la plus appropriée d’obtenir de telles conditions d’essai repose sur l’utilisation d’un coussin d'air. Toutefois, les mouvements du satellite sont alors contraints par les limites géométriques, qui sont inhérentes aux coussins d'air. De plus, après 15 années de développements de CubeSats, la liste des systèmes proposés pour tester leur SCAO reste très limitée.Aussi, cette thèse est consacrée à l’étude et à la conception d’un système robotique innovant pour des essais HIL du SCAO d’un CubeSat. La nouveauté principale du système d'essai proposé est l’usage de quatre coussins d'air au lieu d'un seul et l’emploi d’un robot manipulateur. Ce système doit permettre des mouvements non contraints du CubeSat. Outre la conception du système d'essai, cette thèse porte sur les questions liées: (i) à la détermination de l'orientation d’un CubeSat au moyen de mesures sans contact; (ii) au comportement de l’assemblage des coussins d'air; (iii) à l'équilibrage des masses du système.Afin de vérifier la faisabilité de la conception proposée, un prototype du système d'essai a été développé et testé. Plusieurs modifications destinées à en simplifier la structure et à réduire le temps de fabrication ont été effectuées. Un robot Adept Viper s650 est notamment utilisé à la place d'un mécanisme sphérique spécifiquement conçu. Une stratégie de commande est proposée dans le but d’assurer un mouvement adéquat du robot qui doit suivre les rotations du CubeSat. Finalement, les résultats obtenus sont présentés et une évaluation globale du système d'essai est discutée. / After the launch of the first artificial Earth satellite in 1957, the evolution of various technologies has fostered the miniaturization of satellites. In 1999, the development of standardized modular satellites with masses limited to a few kilograms, called CubeSats, was initiated by a joint effort of California Polytechnic State University and Stanford University. Since then, CubeSats became a widespread and significant trend, due to a number of available off-the-shelf low cost components.In last years, the number of launched CubeSats constantly grows, but less than half of all CubeSat missions achieved their goals (either partly or completely). The analysis of these failures shows that the most evident cause is a lack of proper component-level and system-level CubeSat testing. An especially challenging task is Hardware-In-the-Loop (HIL) tests of the Attitude Determination and Control System (ADCS). A system devoted to these tests shall offer reliable simulations of the space environment and allow realistic CubeSat motions. The most relevant approach to provide a satellite with such test conditions consists in using air bearing platforms. However, the possible satellite motions are strictly constrained because of geometrical limitations, which are inherent in the air bearing platforms. Despite 15 years of CubeSat history, the list of the air bearing platforms suitable for CubeSat ADCS test is very limited.This thesis is devoted to the design and development of an air bearing testbed for CubeSat ADCS HIL testing. The main novelty of the proposed testbed design consists in using four air bearings instead of one and in utilizing a robotic arm, which allows potentially unconstrained CubeSat motions. Besides the testbed design principle, this thesis deals with the related issues of the determination of the CubeSat orientation by means of contactless measurements, and of the behavior of the air bearings, as well as with the need of a mass balancing method.In order to verify the feasibility of the proposed design, a prototype of the testbed is developed and tested. Several modifications aimed at simplifying the structure and at shortening the fabrication timeline have been made. For this reason, the Adept Viper s650 robot is involved in place of a custom-designed 4DoF robotic arm. A control strategy is proposed in order to provide the robot with a proper motion to follow the CubeSat orientation. Finally, the obtained results are presented and the overall assessment of the proposed testbed is put into perspective.

La Robotique a connu une évolution remarquable au cours des dernières années, couplée à un intérêt croissant de la société pour ce domaine. Les robots ne sont plus fabriqués exclusivement pour effectuer des tâches répétitives dans les usines, mais ils sont aussi créés pour collaborer avec les humains dans plusieurs domaines d'application d'importance. Les systèmes robotiques qui contrôlent ces robots sont donc de plus en plus larges, complexes et difficiles à développer. Dans ce contexte, l'Architecture Orientée Services (SOA) a été identifiée comme un style d'architecture logicielle prometteur pour concevoir des systèmes robotiques de manière flexible, réutilisable et productive. Cependant, malgré le nombre considérable de Systèmes Robotiques Orientées Services (SORS) existants aujourd'hui, la plupart d'entre eux ont été développés de manière ad hoc. Le peu d'attention et le soutien limité portés à la conception d'architectures logicielles SORS peuvent non seulement masquer les avantages de l'adoption de la SOA, mais aussi réduire la qualité globale des systèmes robotiques, qui sont souvent utilisés dans des contextes de sécurité critiques. Cette thèse vise à améliorer la compréhension et la systématisation de la conception architecturale SORS. Elle décrit une taxonomie des services pour le domaine de la robotique, puis propose un processus ainsi qu'une architecture de référence afin de systématiser la conception d'architectures logicielles SORS. Les résultats obtenus dans les études d'évaluation montrent qu'à la fois le processus et l'architecture de référence peuvent avoir un impact positif sur la qualité des architectures logicielles SORS et, par conséquent, contribuent à l'amélioration des systèmes robotiques / Robotics has experienced an increasing evolution and interest from the society in recent years. Robots are no longer produced exclusively to perform repetitive tasks in factories, they have been designed to collaborate with humans in several important application domains. Robotic systems that control these robots are therefore becoming larger, more complex, and difficult to develop. In this scenario, Service-Oriented Architecture (SOA) has been investigated as a promising architectural style for the design of robotic systems in a flexible, reusable, and productive manner. Despite the existence of a considerable amount of Service-Oriented Robotic Systems (SORS), most of them have been developed in an ad hoc manner. The little attention and limited support devoted to the design of SORS software architectures may not only hamper the benefits of SOA adoption, but also reduce the overall quality of robotic systems, which are often used in safety-critical contexts. This thesis aims at improving the understanding and systematization of SORS architectural design.

La thèse traite de la planification des mouvements optimaux dans les systèmes robotiques redondants pour l'automatisation des processus d’enroulement filamentaire. L'objectif principal est d'améliorer la productivité des cellules de travail en développant une nouvelle méthodologie d'optimisation des mouvements coordonnés du robot manipulateur, du positionneur de pièce et de l'unité d'extension de l'espace de travail. Contrairement aux travaux précédents, la méthodologie proposée offre une grande efficacité de calcul et tient compte à la fois des contraintes technologiques et des contraintes du système robotique, qui décrivent les capacités des actionneurs et s'expriment par les vitesses et accélérations maximales admissibles dans les articulations actionnées. La technique développée est basée sur la conversion du problème continu original en un problème combinatoire, où toutes les configurations possibles des composants mécaniques sont représentées sous la forme d'un graphe multicouche dirigé et le mouvement temporel optimal est généré en utilisant le principe de programmation dynamique. Ce mouvement optimal correspond au plus court chemin sur le graphique satisfaisant les contraintes de lissage. Les avantages de la méthodologie développée sont confirmés par une application industrielle d’enroulement filamentaire pour la fabrication de pièces thermoplastiques au CETIM. / The thesis deals with the optimal motion planning in redundant robotic systems for automation of the composite lay-up processes. The primary goalis to improve the lay-up workcell productivity by developing a novel methodology of optimizing coordinated motions of the robotic manipulator,workpiece positioner and workspace extension unit,which ensure the shortest processing time and smooth movements of all mechanical components. In contrast to the previous works, the proposed methodology provides high computational efficiencyand also takes into account both the technological constraints and the robotic system constraints, which describe capacities of the actuators and are expressed by the maximum allowable velocities and accelerations in the actuated joints. The developed technique is based on conversion of the original continuous problem into a combinatorial one, where all possible configurations of the mechanical components are represented as a directed multi layergraph and the desired time-optimal motion is generated using dynamic programming principle for searching the shortest path on the graph satisfying the smoothness constraints. It is also proposed an enhancement of this technique by dividing the optimization procedure in two stages combining global and local searches. At the first stage, the developed algorithm is applied in the global search space generated with large discretization step. Then,the same technique is applied in the local search space, which is created with smaller step in the neighborhood of the obtained trajectory. The advantages of the developed methodology are confirmed by industrial implementation on the factory floor that deals with manufacturing of the high pressure vessel.