De nos jours, la télémédecine est appliquée universellement dans plusieurs domaines de la médecine comme la radiologie, la pathologie et la psychiatrie. Depuis 2004, le Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke (CHUS), la Faculté de médecine et des sciences de la santé et la Faculté de génie de l’Université de Sherbrooke développent un système des caméras robotisées permettant à un traumatologue d’interagir à distance avec un médecin intervenant en salle d’urgence, dans un contexte de télétraumatologie. Ce système demande au traumatologue de contrôler et de positionner les caméras tout en observant l’intervention. Afin qu’il puisse se concentrer le plus possible sur l’intervention chirurgicale au lieu de s’attarder au contrôle du système, une assistance de positionnement des caméras s’avérerait utile. L’objectif de ce projet est de concevoir une interface qui permet de positionner automatiquement les caméras robotisées tout en laissant la possibilité à l’opérateur de les déplacer directement au besoin. Pour ce faire, l’interface de contrôle automatisé utilise des algorithmes de traitement d’images permettant le suivi d’éléments visuels, la détection d’obstructions dans la scène observée et l’approximation de coordonnées tridimensionnelles d’un point dans l’image. Elle exploite deux modes de contrôle : l’opérateur sélectionne une zone d’intérêt directement dans la vue vidéo, ou identifie une région d’intérêt qui est suivie automatiquement par le système, et qui permet au besoin que les deux bras regardent simultanément le dit objet de deux points de vue différents. Avec la détection d’obstructions, l’interface est en mesure de repositionner automatiquement les caméras pour garder la vue sur la zone ou la région d’intérêt. Des tests pré-cliniques menés au Laboratoire de robotique intelligente, interactive et interdisciplinaire de l’Université de Sherbrooke permettent d’évaluer l’efficacité et la pertinence de l’interface de contrôle automatisé. Malgré certaines limitations inhérentes à la rapidité de traitement des commandes de positionnement des caméras intégrées au système, l’analyse des résultats suggère que l’interface de contrôle automatisé est conviviale et diminue la charge cognitive des opérateurs. La performance avec l’interface de contrôle automatisé permettant la sélection de la zone d’intérêt est plus élevée que l’interface de contrôle nonautomatisé (dite manuel, demandant le positionnement manuel des bras robotisés et des caméras), tandis que la performance de l’interface de contrôle automatisé permettant de sélectionner et de suivre une région d’intérêt simultanément par les deux caméras est moins élevée que l’interface de contrôle manuel.

Ce projet de recherche, intitulé Téléopération d'un robot collaboratif par outil haptique traite un des problèmes contemporains de la robotique, à savoir la coopération entre l'humain et la machine. La robotique est en pleine expansion depuis maintenant deux décennies: les robots investissent de plus en plus l'industrie, les services ou encore l'assistance à la personne et se diversifient considérablement. Ces nouvelles tendances font sortir les robots des cages dans lesquelles ils étaient placés et ouvrent grand la porte vers de nouvelles applications. Parmi elles, la coopération et les interactions avec l'humain représentent une réelle opportunité pour soulager l'homme dans des tâches complexes, fastidieuses et répétitives. En parallèle de cela, la robotique moderne s'oriente vers un développement massif du domaine humanoïde. Effectivement, plusieurs expériences sociales ont montré que l'être humain, constamment en interaction avec les systèmes qui l'entourent, a plus de facilités à contribuer à la réalisation d'une tâche avec un robot d'apparence humaine plutôt qu'avec une machine. Le travail présenté dans ce projet de recherche s'intègre dans un contexte d'interaction homme-robot (IHR) qui repose sur la robotique humanoïde. Le système qui en découle doit permettre à un utilisateur d'interagir efficacement et de façon intuitive avec la machine, tout en respectant certains critères, notamment de sécurité. Par une mise en commun des compétences respectives de l'homme et du robot humanoïde, les interactions sont améliorées. En effet, le robot peut réaliser une grande quantité d'actions avec précision et sans se fatiguer, mais n'est pas nécessairement doté d'une prise de décision adaptée à la situation, contrairement à l'homme qui est capable d'ajuster son comportement naturellement ou en fonction de son expérience. En d'autres termes, ce système cherche à intégrer le savoir-faire et la capacité de réflexion humaine avec la robustesse, l'efficacité et la précision du robot. Dans le domaine de la robotique, le terme d'interaction intègre également la notion de contrôle. La grande majorité des robots reçoit des commandes machines qui sont généralement des consignes de trajectoire, qu'ils sont capables d'interpréter. Or, plusieurs interfaces de contrôle sont envisageables, notamment celles utilisant des outils haptiques, qui permettent à un utilisateur d'avoir un ressenti et une perception tactile. Ces outils comme tous ceux qui augmentent le degré de contrôle auprès de l'utilisateur, en ajoutant un volet sensoriel, sont parfaitement adaptés pour ce genre d'applications. Dans ce projet, deux outils haptiques sont assemblés puis intégrés à une interface de contrôle haptique dans le but de commander le bras d'un robot humanoïde. Ainsi, l'homme est capable de diriger le robot tout en ajustant ses commandes en fonction des informations en provenance des différents capteurs du robot, qui lui sont retranscrites visuellement ou sensoriellement.

Les progrès en informatique permettent désormais d'effectuer des téléopérations via des réseaux informatiques. Par exemple, l'Internet a déjà été utilisé ces dernières années dans le cadre de téléopérations à longue distance. Il a l'énorme avantage d'être très répandu, accessible, fiable et économique. Le but de ce travail est de mettre en œuvre une plate-forme de téléopération à longue distance via des réseaux informatiques présentant les mêmes limitations que l'Internet : présence de retards, qui plus est variables dans le temps à petite (ms) et grande échelle de temps (mn), pertes de données, asymétrie des retards. Nous avons donc élaboré dans un premier temps un modèle mathématique d'une boucle de téléopération classique en partant d'expérimentations sur notre manipulateur mobile. Nous avons ainsi construit un simulateur qui nous a permis de nous attaquer à différents problèmes inhérents à une téléopération à longue distance. Enfin, nous développons un schéma de commande intégrant les diverses évolutions proposées applicable sur un bras manipulateur. Pour valider ce schéma expérimentalement, nous avons développé un ensemble logiciel de téléopération pour PC sous Microsoft Windows.

Ce travail a comme objectif l'amélioration et l'extension de l'application des systèmes de réalité virtuelle en retour haptique dans le cadre d'un travail collaboratif à distance induisant par conséquent des retards de transmission. Les développements des lois de commande présentées dans ce document font partie de celles améliorant les schémas de commande bilatérale classiques. Sous cette bannière, on trouve deux catégories de commande : passives, comme celles basées sur les variables d'onde où prédictives, en se basant sur l'estimation du modèle de l'esclave.

La robotique a fait progresser les interventions chirurgicales, avec des interventions moins invasives, une manipulation d’instruments plus précise et une meilleure dextérité. Néanmoins, le manque de retour haptique sur les plates-formes chirurgicales existantes aujourd’hui rend délicat l’accomplissement des gestes chirurgicaux et par conséquent augmente le risque de ces procédures. Avec l’introduction d’un retour haptique, les robots chirurgicaux sont conçus avec une approche de télé-opération bilatérale. Le retard, inhérent à cette approche, est crucial car même un petit retard pourrait déstabiliser le système. En pratique, le retard est inévitable, notamment pour les robots miniaturisés avec communication sans fils. Pour résoudre les problèmes liés à l’instabilité induite par le retard et rendre passif le canal de communication, l’approche de wave variable transformation (WVT) a été proposée. Néanmoins, les performances de suivi sont compromises à cause de la conservation de la condition de passivité. Dans cette thèse, une nouvelle approche de compensation basée sur la structure de wave variable, et considérant moins de condition de conservation est proposée afin d’améliorer les performances de suivi en position, en vitesse et en force. Pour garantir la passivité du système global, une approche énergétique (energy reservoir based regulators) est développée pour ajuster les termes de WVT avec une analyse rigoureuse. La méthode proposée permet d’améliorer les performances de suivi avec uniquement un retard de transmission dans un seul sens. Pour faciliter davantage les procédures chirurgicales, notamment les microchirurgies, deux facteurs d’échelle ont été rajoutés à l’approche de compensation. Une analyse de passivité a été par ailleurs menée en considérant la transparence du système. Les performances de suivi peuvent être obtenues si et seulement si les conditions de passivité et de transparence sont satisfaites. Les approches de compensation, avec et sans mise à l’échelle, ont été vérifiées à travers des simulations et des évaluations expérimentales. / Robotic technology has advanced the surgical procedures in terms of reduced trauma, more accurate manipulation and enhanced dexterity. However, the lack of haptic feedback on existing surgical robotic platforms makes it impossible for the surgeon to feel the operative site,and thus increases the risks of surgical procedures. With the introduction of haptic feedback, the surgical robots are design in bilateral teleoperation way. Time delay in bilateral teleoperation is crucial because even small time delay may destabilize the system. In practice, time delay is unavoidable, e.g. wireless communication miniaturized surgical robots, internet based robotic-assisted telesurgery and transmission of big amount of information, etc. In order to solve the instability caused by time delay in bilateral teleoperation, wave variable transformation (WVT) method has been proposed to passivate the delayed communication channel. However, the tracking performances are compromised due to the conservative passivity condition. In this thesis, a new wave variable compensation (WVC) structure with less conservative condition is proposed to enhance the velocity/position and force tracking performances. In order to guarantee the passivity of the whole system, energy reservoir based regulators are designed to adjust the WVC terms in the proposed structure with rigorous analysis. The WVC is able to achieve tracking performance with only single trip time delay. To better facilitate the surgical procedures, e.g. the microsurgeries, a scaled WVC structure is also developed by adding two scaling factors to the WVC structure. Passivity analysis on the scaled WVC is conducted with consideration of system transparency. Scaled tracking performance can be obtained as long as the two obtained passivity and transparency conditions are satisfied. The proposed WVC and scaled WVC have been verified through simulation and experimental studies.

Dans le domaine des nanosciences, la manipulation directe des objets par l'opérateur est impossible, à cause notamment de leur taille, des champs de forces complexes et non intuitifs, ainsi que de la très grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. La téléopération avec retour d'effort apparaît donc comme une solution prometteuse pour les nanosciences alliant intuitivité de manipulation et flexibilité. Pour obtenir des dispositifs complets, permettant la conception, la fabrication, et l'analyse de systèmes aux propriétés inédites, deux outils principaux sont nécessaires : les systèmes de manipulation robotisés, et les simulateurs. Les problématiques de la téléopération pour ces deux outils sont similaires, et comportent notamment des problèmes importants de transparence du fait des champs de forces complexes qui doivent être retournés aux utilisateurs, et de stabilité du fait de la réduction d'échelle. Dans l'état actuel des développements, que ce soit pour la téléopération d'objets réels ou virtuels, il n'existe pas de systèmes complets, utilisables pour réaliser des manipulations complexes. Les applications se limitent le plus souvent à de simples démonstrations de faisabilité. Pour obtenir des systèmes avec une large gamme d'applications, plusieurs points doivent être abordés : - la maîtrise de l'influence de la réduction d'échelle sur les schémas de commande, et l'adéquation entre les performances des couplages et les applications recherchées, notamment en termes de transparence et de stabilité, - la définition de stratégies adaptées aux contraintes technologiques des systèmes de manipulation, - l'utilisation de solutions adaptées pour s'affranchir du compromis fort entre stabilité, facilité de manipulation et qualité du ressenti haptique dû à la différence d'échelle. Les premières téléopérations complexes à l'échelle nanoscopique ont pu être menées en prenant en compte les points précédents. Des opérations de ressenti des interactions nanoscopiques ont été réalisées, et des billes de quelques micromètres ont été manipulées, par roulement ou par saisie-dépose. Cette dernière manipulation est la première téléopération 3D complexe avec retour d'effort sur des objets microscopiques. Pour la simulation, un système de téléopération moléculaire avec un large champ d'application, comprenant notamment la modification globale de systèmes moléculaires, la recherche d'états caractéristiques ou encore la déformation de molécules, a été développé. Ce travail n'est que le premier pas vers l'utilisation de la téléopération à l'échelle nanoscopique pour des manipulations complexes, mais il montre la faisabilité et l'intérêt de cette approche pour les nanosciences.

La téléopération en réseau est une thématique émergente, où un humain (le maître) communique avec un esclave commandé à distance à travers un réseau de communication, pour l'échange des données de commande et de mesure. Pour la téléopération longue distance, ces informations traversent divers réseaux hétérogènes ou hybrides interconnectés ensemble. Nous traitons également le cas où un segment sera sans fil, ce qui permet d'envisager que l'esclave soit mobile (véhicule télé-opéré par exemple). Une étude indépendante des aspects commande et des aspects réseau entraîne l'atteinte d'objectifs locaux, qui peuvent le cas échéant être ensuite fortement dégradés après l'intégration des deux aspects. L'utilisation de réseaux partagés, comme internet, en lieu et place d'une liaison dédiée (point à point, liaison virtuelle) est également un défi, en particulier dans le cas de la longue distance. Les mécanismes de qualité de service (QdS) d'un réseau, en particulier du réseau hétérogène, doivent pouvoir être traités par les autres réseaux ; ces points sont assez souvent traités avec un point de vue d'applications multimedia, plus rarement avec le point de vue de la téléopération critique. L'approche de téléopération en réseau peut profiter de ces mécanismes de qualité de service en utilisant des priorités ou des réservations de bandes passantes en fonction des critères de commande et de transparence. Cela peut entraîner une adaptation des ressources réseau en fonction des besoins des objectifs de téléopération afin de transporter l'information en satisfaisant les besoins bout en bout de l'application, cette notion devant être précisée. Lorsqu'on considère la QdS avec un point de vue réseau, elle consiste principalement à la gestion de flux de communication, en prenant en compte des paramètres de besoin et d'ordonnancement. Si l'on prend en compte le point de vue de la téléopération, la QdS entraîne des conséquences sur la qualité de commande (QdC) ce qui inclut la stabilité, la transparence et la téléprésence. De plus, l'interface humaine peut également avoir des besoins spécifiques en termes de téléprésence, ce qui peut entraîner des conséquences sur la répartition de la charge du réseau. Afin d'intégrer les deux approches de QdS et de QdC pour apporter une meilleure réponse au problème posé, nous proposons une approche de coconception avec d'une part une adaptation de la QdS aux besoins de la Qdc (qualité de la transparence) et d'autre part une adaptation de la Qdc (par exemple dégradation de la qualité du flux vidéo) à la disponibilité du réseau. Nous avons considéré deux cas de figures. Dans un premier temps, sans tenir compte des mécanismes de QdS du réseau (approche dite du meilleur effort ou best effort) et par l'adaptation au mieux de l'application, pour répondre aux besoins de la téléopération. La seconde approche considère un réseau orienté QdS entre le maître et l'esclave, où différentes priorités peuvent être attribuées aux flux nécessaires à la téléopération, en fonction des contextes. L'approche proposée est finalement mise en oeuvre sur NeCS-Car, la voiture téléopérée disponible au Laboratoire.

L'objectif de nos travaux de recherche est de mettre en place un Système Multi-Agent pour la Collaboration (SMA-C) qui sert de noyau pour un système de téléopération collaborative via Internet (ARITI-C). <br />Pour atteindre cet objectif, nous avons abordé deux domaines de recherche que sont les Systèmes Multi-Agents (SMA) et le Travail Collaboratif Assisté par Ordinateur (TCAO). Le SMA-C repose sur le formalisme multi-agent de Ferber et intègre les fonctionnalités de la collaboration (spécifiées à travers le trèfle fonctionnel) retenues de l'étude de TCAO.<br />Après avoir conçu, implémenté et évalué le SMA-C, nous l'avons intégré au système mono-utilisateur de téléopération existant ARITI pour le rendre collaboratif et multi-utilisateur (ARITI-C). Le système obtenu permet à plusieurs utilisateurs distants de discuter ensemble, d'observer les actions des uns les autres et surtout de contrôler un robot réel en même temps via Internet. Finalement, nous avons évalué les performances de ce système ainsi que l'ergonomie de son Interface Homme Machine (IHM).<br />Les tests effectués avec des utilisateurs montrent que le nouveau système de téléopération collaborative ARITI-C est un système stable. Il permet aux utilisateurs de communiquer, de coordonner (choisir leurs actions), de produire (exécuter leurs tâches), en utilisant ou pas l'assistance des guides virtuels ou encore en déléguant l'exécution de ces tâches à leurs agents.

Les microtechnologies sont de plus en plus présentes dans notre quotidien. Leur production est aujourd'hui restreinte à des procédés de masse par photolithographie. Leur fabrication est mal contrôlée et les défauts sont fréquents. Or l'étude individuelle de chaque microcomposant est particulièrement difficile et coûteuse. La microrobotique propose des solutions automatiques ou téléopérées afin de résoudre ce type de verrous technologiques. Pour des raisons économiques et de flexibilité, de nombreux utilisateurs se tournent vers un contrôle impliquant un opérateur. Plusieurs travaux ont proposé un retour des interactions lors de la tâche au moyen d'une interface utilisateur évoluée, dite haptique, afin d'augmenter l'immersion dans le micromonde et donc la dextérité de l'opérateur. Dans le cas de la micromanipulation, les facteurs d'échelle et les fortes dynamiques provoquent de nombreuses instabilités dans le couplage bilatéral recherché. Il a donc été nécessaire d'utiliser des contrôleurs évolués au détriment des sensations. Pour obtenir des sensations réelles et utiles, nous proposons de revisiter la problématique sous un autre angle. Plutôt que d'utiliser un micromanipulateur existant, nous avons conçu un système dédié au retour d'effort. Nous posons les prémices d'un nouveau concept de micromanipulation haptique flexible, fiable et utile grâce à des choix et des optimisations de méthodes et de technologies : une méthode dédiée de préhension sans contact : les pinces optiques, une maximisation de l'espace de travail de ses actionneurs et capteurs, l'amélioration des performances en terme de dynamique et de bande passante, le développement de nouveau capteur de force robuste à l'environnement, basé sur la vision. Ce travail multidisciplinaire s'appuie sur la réalisation de trois installations expérimentales et sur des collaborations entre des équipes de micromanipulation, d'haptique et de vision.

Le geste médical assisté par ordinateur en salle d'opération n'a pas cessé de progresser lors de ladernière décennie. Ce phénomène est lié à l'évolution des techniques de chirurgie et notamment àl'apparition des techniques dites mini-invasives. Cette pratique bien que révolutionnaire car ellepermet de diminuer les risques d'infection a introduit de nombreux problèmes. En effet, lechirurgien est limité dans ses gestes à cause de la restriction de mouvement imposée par les trocarts.De ce fait, la communauté robotique s'est assez rapidement intéressée aux problématiques deschirurgiens afin de développer des dispositifs robotisés adaptés. Un des grands thèmes étudié estcelui de la téléopération. Cette dernière consiste à utiliser deux dispositifs robotisés communémentappelés: maître et esclave. Dans le contexte médical, le robot maître est manoeuvré par le chirurgienet le robot esclave est au contact de l'organe à opérer. La première génération de ces systèmes nepermettait pas au chirurgien de ressentir les efforts qu'il exerçait sur les organes du patient. Unedeuxième génération de dispositifs est apparue en introduisant le retour d'efforts. Au delà desproblèmes de stabilité et de commande rencontrés, de tels systèmes permettent de réduire lesimperfections du geste humain ou d'en augmenter les capacités. Une des gênes constatées par leschirurgiens lors de l'utilisation de tels systèmes est le mouvement physiologique des organes àopérer.Cette thèse s'est principalement focalisée sur le thème de la compensation des mouvementsphysiologiques dans le cadre de la téléopération avec retour d'efforts. L'objectif étant de démontrerqu'il est possible pour le chirurgien de téléopérer un organe soumis à des mouvementsphysiologiques, et notamment le mouvement respiratoire, sans qu'il ne ressente cette perturbation.[...] / Computer aided medical gesture kept increasing during the last decade. This phenomenon is linkedto the evolution of surgical technique and specially the use of minimally invasive surgery. Thisrevolutionary technique allows reducing infection risks but introduces new problems. Indeed, thesurgeon has limited motion capability because the use of trocars. Therefore, robotics communityinterest has kept growing in order to develop specific robotized devices. One of the most currentstudied topics is teleoperation in which two robots are used: the master and the slave. In a medicalcontext, the master robot is manipulated by the surgeon and the slave robot is in contact with theoperated organ. The first generation of those systems did not allow the surgeon to feel how muchforce he applies on the patient. Then with the second generation, force-feedback was introduced.Even if this technique introduces new problems such as control and stability, it also allows medicalgesture improvements. One commonly cited problem is the physiological motion of organs forexample.This thesis mainly focuses on the subject of physiological motion compensation in the context ofmedical force feedback teleoperation. The aim is to prove that the surgeon is able to teleoperate anorgan submitted to a physiological motion, and especially respiratory motion, without feeling thisdisturbance.First of all, the choice of the teleoperation scheme is important. In the literature, many can be found.To simplify this study, a two communication channel scheme has been chosen. This means that onlyone information is sent from the master to the slave and another one from the slave to the master. Inorder to fulfill a task in the free space and in contact with the environment, and to compensate aforce disturbance, the force-position scheme is selected. In this case, the slave sends forceinformation and the master sends back position information.[...]