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.[...]

La réalité virtuelle est une discipline qui se situe à la croisée de plusieurs domaines tels que l'infographie, la simulation, la téléopération, le travail collaboratif, etc. L'interaction 3D est la composante motrice de la réalité virtuelle. Elle permet à l'utilisateur d'interagir avec les entités de l'environnement virtuel. Il existe différentes techniques d'interaction 3D qui sont dédiées aux différentes tâches d'interaction 3D à savoir la navigation, la sélection, la manipulation et le contrôle d'application. En général, la technique utilisée cherche à accomplir une tâche d'interaction 3D sans prendre en considération les exigences des environnements dédies pour la téléopération et les environnements collaboratifs. Les tâches de téléopération doivent respecter un certain nombre de contraintes, qui sont : des sélections et des manipulations sécurisées et précises. Les environnements collaboratifs sont des mondes dans lesquels les utilisateurs interagissent ensemble pour réaliser des tâches communes. La complexité de ces environnements est liée à l'interaction d'un groupe d'utilisateurs avec des entités partagées. <br />L'objectif de ce travail est de modéliser, de concevoir, d'implémenter et d'évaluer un système d'assistance à l'interaction 3D mono-utilisateur et multi-utilisateurs. Notre concept est centré sur l'utilisateur et ses intérêts dans le monde virtuel, il est basé sur le principe d'anticipation du geste de l'utilisateur par l'assistance de ce dernier. Notre système d'assistance peut être considéré comme un moyen de contourner les limitations de certaines techniques d'interaction 3D classiques afin de les rendre utilisables dans des contextes différents.

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.

Ce travail propose de nouvelles structures de contrôle pour la téléopération bilatérale à travers des réseaux de communication non dédiés. L’enjeu est donc de concevoir et calculer des structures de commande garantissant la stabilisation et un bon degré de performance en termes de synchronisation (suivi des positions et vitesse) et de transparence (ressenti des forces) sous les retards variables et asymétriques.Nous faisons tout d’abord un tour d’horizon des recherches récentes dans le domaine des systèmes de téléopération et de leurs caractéristiques. Puis, nous considérons des modèles linéaires à plusieurs retards variables pour lesquels nous proposons une approche d’analyse de stabilité par fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et contrôle robuste H [infinity symbol . Ensuite, trois structures de téléopération seront proposées en temps continu, la comparaison de ces architectures montre que, pour un retard de réseau maximum donné ou calculé, toutes garantissent un suivi de position et vitesse. Les deux dernières, qui utilisent les forces mesurées ou estimées de l’opérateur humain et de l’environnement, garantissent de plus un suivi en force. Au final, la troisième structure (avec proxy) présente la meilleure performance, même si elle demande un peu plus de calcul. Puis, afin d’analyser et d’améliorer les performances de la troisième structure pour des modèles encore plus réalistes, une étude est menée en temps discret, mais aussi sur un modèle non linéaire ou non stationnaire sous perturbations bornées en norme. L’implantation sur la plate-forme est décrite dans un quatrième et dernier chapitre, et puis l’analyse des résultats expérimentaux est alors menée / This PhD thesis is dedicated to the control scheme design of the bilateral teleoperation under asymmetric communication channels: the stabilization and a high-level performance under asymmetric time-varying delays and the perturbations of the human operator and environment. After a review of the recent researches and their features in the field of teleoperation system, a less conservative Lyapunov-Krasovskii functional together with H [infinity symbol] control theory has been applied to linear time delay systems, and then the LMI theorems have been obtained in order to calculate the controllers in the control schemes.Firstly, three novel teleoperation control schemes have been presented. Comparing three architectures, all of them guaranteed the stability and the position tracking thanks to the position/velocity information. Force-reflecting control scheme without or with proxy, in addition, ensured the force tracking by using the estimated/measured force of the human operator and the environment. Here, the control scheme with the proxy got a better performance. Secondly, a discrete-time approach has been developed to analyze the force-reflecting control scheme with proxy and obtain a better system performance. Besides, more general systems with time-varying uncertainties (the polytopic-type uncertainties and the norm-bounded model uncertainties) have been considered. Finally, the experimental test-bench and the real system implementation have been designed, which involved the identification and linearizing control of the subsystems (the master/slave robots). The experimental results have illustrated the effectiveness of the approaches proposed in this thesis

Ce travail porte, de façon théorétique et pratique, sur les sujets plus pertinents autour des drones en navigation autonome et semi-autonome. Conformément à la nature multidisciplinaire des problèmes étudies, une grande diversité des techniques et théories ont été couverts dans les domaines de la robotique, l’automatique, l’informatique, la vision par ordinateur et les systèmes embarques, parmi outres.Dans le cadre de cette thèse, deux plates-formes expérimentales ont été développées afin de valider la théorie proposée pour la navigation autonome d’un drone. Le premier prototype, développé au laboratoire, est un quadrirotor spécialement conçu pour les applications extérieures. La deuxième plate-forme est composée d’un quadrirotor à bas coût du type AR.Drone fabrique par Parrot. Le véhicule est connecté sans fil à une station au sol équipé d’un système d’exploitation pour robots (ROS) et dédié à tester, d’une façon facile, rapide et sécurisé, les algorithmes de vision et les stratégies de commande proposés. Les premiers travaux développés ont été basés sur la fusion de donnés pour estimer la position du drone en utilisant des capteurs inertiels et le GPS. Deux stratégies ont été étudiées et appliquées, le Filtre de Kalman Etendu (EKF) et le filtre à Particules (PF). Les deux approches prennent en compte les mesures bruitées de la position de l’UAV, de sa vitesse et de son orientation. On a réalisé une validation numérique pour tester la performance des algorithmes. Une tâche dans le cahier de cette thèse a été de concevoir d’algorithmes de commande pour le suivi de trajectoires ou bien pour la télé-opération. Pour ce faire, on a proposé une loi de commande basée sur l’approche de Mode Glissants à deuxième ordre. Cette technique de commande permet de suivre au quadrirotor de trajectoires désirées et de réaliser l’évitement des collisions frontales si nécessaire. Etant donné que la plate-forme A.R.Drone est équipée d’un auto-pilote d’attitude, nous avons utilisé les angles désirés de roulis et de tangage comme entrées de commande. L’algorithme de commande proposé donne de la robustesse au système en boucle fermée. De plus, une nouvelle technique de vision monoculaire par ordinateur a été utilisée pour la localisation d’un drone. Les informations visuelles sont fusionnées avec les mesures inertielles du drone pour avoir une bonne estimation de sa position. Cette technique utilise l’algorithme PTAM (localisation parallèle et mapping), qui s’agit d’obtenir un nuage de points caractéristiques dans l’image par rapport à une scène qui servira comme repère. Cet algorithme n’utilise pas de cibles, de marqueurs ou de scènes bien définies. La contribution dans cette méthodologie a été de pouvoir utiliser le nuage de points disperse pour détecter possibles obstacles en face du véhicule. Avec cette information nous avons proposé un algorithme de commande pour réaliser l’évitement d’obstacles. Cette loi de commande utilise les champs de potentiel pour calculer une force de répulsion qui sera appliquée au drone. Des expériences en temps réel ont montré la bonne performance du système proposé. Les résultats antérieurs ont motivé la conception et développement d’un drone capable de réaliser en sécurité l’interaction avec les hommes et les suivre de façon autonome. Un classificateur en cascade du type Haar a été utilisé pour détecter le visage d’une personne. Une fois le visage est détecté, on utilise un filtre de Kalman (KF) pour améliorer la détection et un algorithme pour estimer la position relative du visage. Pour réguler la position du drone et la maintenir à une distance désirée du visage, on a utilisé une loi de commande linéaire. / The present document addresses, theoretically and experimentally, the most relevant topics for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in autonomous and semi-autonomous navigation. According with the multidisciplinary nature of the studied problems, a wide range of techniques and theories are covered in the fields of robotics, automatic control, computer science, computer vision and embedded systems, among others. As part of this thesis, two different experimental platforms were developed in order to explore and evaluate various theories and techniques of interest for autonomous navigation. The first prototype is a quadrotor specially designed for outdoor applications and was fully developed in our lab. The second testbed is composed by a non expensive commercial quadrotor kind AR. Drone, wireless connected to a ground station equipped with the Robot Operating System (ROS), and specially intended to test computer vision algorithms and automatic control strategies in an easy, fast and safe way. In addition, this work provides a study of data fusion techniques looking to enhance the UAVs pose estimation provided by commonly used sensors. Two strategies are evaluated in particular, an Extended Kalman Filter (EKF) and a Particle Filter (PF). Both estimators are adapted for the system under consideration, taking into account noisy measurements of the UAV position, velocity and orientation. Simulations show the performance of the developed algorithms while adding noise from real GPS (Global Positioning System) measurements. Safe and accurate navigation for either autonomous trajectory tracking or haptic teleoperation of quadrotors is presented as well. A second order Sliding Mode (2-SM) control algorithm is used to track trajectories while avoiding frontal collisions in autonomous flight. The time-scale separation of the translational and rotational dynamics allows us to design position controllers by giving desired references in the roll and pitch angles, which is suitable for quadrotors equipped with an internal attitude controller. The 2-SM control allows adding robustness to the closed-loop system. A Lyapunov based analysis probes the system stability. Vision algorithms are employed to estimate the pose of the vehicle using only a monocular SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) fused with inertial measurements. Distance to potential obstacles is detected and computed using the sparse depth map from the vision algorithm. For teleoperation tests, a haptic device is employed to feedback information to the pilot about possible collisions, by exerting opposite forces. The proposed strategies are successfully tested in real-time experiments, using a low-cost commercial quadrotor. Also, conception and development of a Micro Aerial Vehicle (MAV) able to safely interact with human users by following them autonomously, is achieved in the present work. Once a face is detected by means of a Haar cascade classifier, it is tracked applying a Kalman Filter (KF), and an estimation of the relative position with respect to the face is obtained at a high rate. A linear Proportional Derivative (PD) controller regulates the UAV’s position in order to keep a constant distance to the face, employing as well the extra available information from the embedded UAV’s sensors. Several experiments were carried out through different conditions, showing good performance even under disadvantageous scenarios like outdoor flight, being robust against illumination changes, wind perturbations, image noise and the presence of several faces on the same image. Finally, this thesis deals with the problem of implementing a safe and fast transportation system using an UAV kind quadrotor with a cable suspended load. The objective consists in transporting the load from one place to another, in a fast way and with minimum swing in the cable.