Un des freins majeurs au développement de la manipulation d'objet avec une main robotisée est sans aucun doute leur fragilité. C'est l'une des raisons pour laquelle un système bras-main anthropomorphe, extrêmement robuste, est développé au centre de robotique et de mécatronique de DLR. Le système est unique à la fois par sa complexité, utilisant 52 moteurs et plus de200 capteurs, ainsi que par ses capacités dynamiques. En effet, ce nouveau système a la particularité d'être mécaniquement flexible ce qui offre la possibilité de stocker de l'énergie à court terme et remplit ainsi deux fonctions essentielles pour un robot humanoïde: les impacts sont filtrés et les performances dynamiques sont augmentées.Dans cette thèse, on se concentre plus particulièrement sur la main. Elle dispose de 19 degrés de liberté dont chacun est actionné par deux tendons flexibles antagonistes. La rigidité des tendons étant non linéaire il est possible, tout comme peut le faire l'être humain, de co-contracter les <<muscles>> et donc d'ajuster la rigidité des doigts afin de s'adapter au mieux aux tâches à effectuer. Cependant, cette flexibilité entraine de nouveau défis de modélisation et de contrôle. L'état de l'art se concentre majoritairement sur le problème de la répartition des forces internes ou du contrôle d'articulation flexible mais peu de travaux considèrent les deux problèmes simultanément.Le travail présenté dans la première partie de la thèse se concentre sur la modélisation de la main et du poignet. Les problématiques spécifiques aux systèmes actionnés par des tendons, tels que les matrices de couplage et l'estimation du déplacement des articulations à partir du déplacement des tendons, sont étudiées.La seconde partie se concentre sur le contrôle d'articulations actionnées par des tendons flexibles antagonistes. Les problèmes de distribution des forces internes et de correction de la rigidité perçue par l'utilisateur sont présentés.Des approches de contrôle linéaire et non linéaire sont utilisées et des expériences sont réalisées pour comparer ces approches. En particulier, il est montré que le <<backstepping>>, une méthode de contrôle non linéaire peut être utilisée et permet d'obtenir le comportement d'impédance souhaité tout en garantissant la stabilité en boucle fermée. / One of the major limitations of object manipulation with a robotic hand is the fragility of the hardware.This is one of the motivations for developing the new anthropomorphic and extremely robust Hand Arm System at the robotics and mecatronics center of DLR.The system is unique in terms of complexity, with 52 motors and more than 200 sensors, and also in terms of dynamics.Indeed, the system is mechanically compliant, thus offers the possibility to store and release energy, thereby providing two essential functions: The impacts are filtered and the dynamics are enhanced.This thesis focuses on the hand. It has 19 degrees of freedom, each being actuated by two flexible antagonistic tendons. Because the stiffnes of the tendons is not linear, it is possible to adjust the mechanical stiffness of the joints, similar to the co-contraction of human muscles, in order to adapt to a task. However, the stiffness adjustability rises new challenges in modeling and control. The state of the art usually focuses on the problems of tendon-driven systems or flexible joint robots but seldomly both simultaneously.In the first part, the modeling of the hand and the wrist is conducted. Several problems specific to tendon-driven systems are presented, such as the coupling matrices and the joint position estimation based on the tendon displacement. The second part focuses on the control of a single joint actuated by two flexible tendons. The distribution of the tendon forces and the correction of the effective stiffness are reported. Linear and nonlinear approaches are used and multiple experiments are realised to compare them. The major result is that the backstepping, a nonlinear control method, can be used and provides the desired impedance behavior while guaranting closed-loop stability.

De grands metteurs en scène, précurseurs d’un nouveau théâtre, tels que Maurice Maeterlinck ou Edward Gordon Craig, souhaitaient représenter la vie en ne se contentant plus de la présence corporelle de l’acteur mais en incorporant des éléments conventionnels à la scène. Ils refusaient la simple imitation du réel au profit d'un théâtre artificiel et symbolique, avec pour problématiques les questions de la représentation de la figure humaine et de l’illusion du vivant. Cette volonté de s’émanciper du corps de l’acteur tel qu’il est dans l’usage privé, dans le quotidien, par l’utilisation de masques, de marionnettes ou encore des techniques de leur temps, comme des jeux de lumières ou des effets d’optiques, annonçait déjà l’apparition des nouveaux médias sur le plateau. C’est dans cette filiation que sont apparus sur scène, dans les années 1990, de nombreux personnages inorganiques créées grâce à des projections vidéo sur supports bi ou tridimensionnels, des hologrammes, et par la présence de robots humanoïdes et androïdes. On retrouve cette volonté de remplacer les corps des acteurs par des personnages artificiels utilisant les technologies de notre temps avec les personnages vidéo de Denis Marleau et Stéphanie Jasmin, les hologrammes de Michel Lemieux et Victor Pilon ou encore les robots d’Oriza Hirata. Ces personnages atypiques, qu’ils possèdent ou non une matérialité sur scène, qu’ils soient physiques ou virtuels, possèdent différents niveaux de présences suivant leur intégration au plateau et la dramaturgie, leur autonomie et leurs interactions avec leur environnement ou les corps réels qui leur donnent la réplique et avec lesquels ils partagent la scène. Comme nous allons le découvrir, ces nouvelles pratiques et esthétiques théâtrales visant à utiliser des Personnages Artificiels Anthropomorphes et Technologiques (PAAT) questionnent l’impact de notre époque en pleine révolution numérique et robotique sur nos corporéités et notre humanité, ce qui soulève un certain nombre d'enjeux... / Famous directors, precursors of a new theater, such as Maurice Materlinck or Edward Gordon Craig, wanted to represent life on stage, weaving some conventionnal elements into the stage, instead of just making the best of the bodily presence of the actor on stage. They repressed the very simple imitation of real for some artificial and symbolic theatre questionning the representation of human's figure and the illusion of the living. Getting rid of the actor's body like it is in its private use, in its everyday life, through the use of masks, puppets or even elder technologies as light works or optical effects, heralded the appearence of the new medias on stage. Thereby, emerged back in the 90's, many inorganic characters made with video projections in two or three dimensions, holograms, and the presence of humanoids and androids. We can find that will to replace the actors' bodies with artificial caracters using technological projections in Denis Marleau and Stéphanie Jasmin's video caracters, Michel Lemieux and Victor Pilon's holograms, and again in Oriza Hirata's robots. All these atypical characters, whether they own or not some materiality (or corporality) on stage, or that they are physical or virtual, all of these own different levels of presence according to their integration on stage and dramaturgy, to their self-suffiency and to the interplays they share with each their environnement and the real bodies with which they interact and perform. As we will see, these new theatrical and aesthetics practices that aim to use some Anthropomorphic and Technological Artificial Characters, do question the impact of our time, dealing with digital and robotic revolution, on our corporealities and our humanity, definitively raises a number of issues…

L’objectif principal de ce travail est l’étude de la planification de trajectoires pour des drones de type HALE ou MALE. Les modèles cinématiques de ces drones sont étudiés. Les drones HALE sont modélisés par le système de Dubins. Pour les drones MALE, le modèle est construit en étudiant le repère cinématique du drone. Nous considérons les problèmes de planification de trajectoires point-point et point-pattern. Il s’agit, à partir de la position courante du drone, de rejoindre un point ou une figure prédéfinie dans l’espace. La planification point-point est abordée sous forme d’un problème de contrôle optimal. Deux méthodes sont proposées pour résoudre le problème point-pattern. D’abord nous présentons la synthèse en temps minimal pour le système de Dubins. Ensuite, nous développons une méthode basée sur le principe de LaSalle. La première méthode est utilisée au sein d’un algorithme de planification pour des drones HALE. La deuxième permet de stabiliser les deux types de drones considérés vers un pattern. Nous proposons une extension des algorithmes de planification développés, basée sur une discrétisation del’espace grâce aux graphes de Voronoï et une méthode de planification discrète, pour construire des trajectoiresdans des milieux encombrés. Nous étudions également le problème de couplage drone/capteur. Il s’agit de calculer une trajectoire permettant de satisfaire les objectifs du drone et de son capteur (une caméra). L’algorithme proposé est construit à partir de la résolution d’un problème quadratique sous contraintes.Dans une seconde partie, nous analysons un problème de contrôle optimal inverse. Celui-ci permet d’améliorer les résultats des méthodes de planification en s’inspirant du comportement des pilotes. Après avoir posé le problème, les résultats théoriques sont exposés et le cas particulier du système de Dubins est étudié en pratique. / This thesis is about path planning for HALE or MALE UAVs (Unmanned Aircraft Vehicles), possibly under mission constraints. As such, the study is performed at the kinematic level : HALE UAVs are represented as Dubins systems, and a model for MALE UAVs is constructed by studying their kinematic frame. In the first part, we tackle the path planning problem for a UAV that must join a target (a point or a pattern), starting from any position. The point to point path planning problem is addressed as an optimal control problem. Regarding the point to pattern path planning problem, two different methods are proposed. The former consists in solving the minimum time synthesis for the Dubins system, in order to obtain a basis for a HALE UAVs planning algorithm. The latter method relies on the LaSalle principle ; it permits to stabilize a HALE or MALE UAV to a pattern.In addition, extensions of the previously developed algorithms to cluttered environnement are provided. This extension is achieved thanks to a space discretization using Voronoi diagrams and a discrete planning method. Finally, the mission constraints are dealt with as a coupling problem between the UAV and its sensors. The proposed algorithm is presented in the form of a constrained quadratic problem.In the second part of this thesis, we want to refine the planning algorithm to get a result closer to trajectories of pilots. In order to do that, we solve an inverse optimal control problem where the cost to find is computed from the experience of pilots. Theoretical results are presented and applied to the particular case of the Dubins system.

Un des freins majeurs au développement de la manipulation d'objet avec une main robotisée est sans aucun doute leur fragilité. C'est l'une des raisons pour laquelle un système bras-main anthropomorphe, extrêmement robuste, est développé au centre de robotique et de mécatronique de DLR. Le système est unique à la fois par sa complexité, utilisant 52 moteurs et plus de200 capteurs, ainsi que par ses capacités dynamiques. En effet, ce nouveau système a la particularité d'être mécaniquement flexible ce qui offre la possibilité de stocker de l'énergie à court terme et remplit ainsi deux fonctions essentielles pour un robot humanoïde: les impacts sont filtrés et les performances dynamiques sont augmentées.Dans cette thèse, on se concentre plus particulièrement sur la main. Elle dispose de 19 degrés de liberté dont chacun est actionné par deux tendons flexibles antagonistes. La rigidité des tendons étant non linéaire il est possible, tout comme peut le faire l'être humain, de co-contracter les <> et donc d'ajuster la rigidité des doigts afin de s'adapter au mieux aux tâches à effectuer. Cependant, cette flexibilité entraine de nouveau défis de modélisation et de contrôle. L'état de l'art se concentre majoritairement sur le problème de la répartition des forces internes ou du contrôle d'articulation flexible mais peu de travaux considèrent les deux problèmes simultanément.Le travail présenté dans la première partie de la thèse se concentre sur la modélisation de la main et du poignet. Les problématiques spécifiques aux systèmes actionnés par des tendons, tels que les matrices de couplage et l'estimation du déplacement des articulations à partir du déplacement des tendons, sont étudiées.La seconde partie se concentre sur le contrôle d'articulations actionnées par des tendons flexibles antagonistes. Les problèmes de distribution des forces internes et de correction de la rigidité perçue par l'utilisateur sont présentés.Des approches de contrôle linéaire et non linéaire sont utilisées et des expériences sont réalisées pour comparer ces approches. En particulier, il est montré que le <>, une méthode de contrôle non linéaire peut être utilisée et permet d'obtenir le comportement d'impédance souhaité tout en garantissant la stabilité en boucle fermée.

L'objectif principal de ce travail est l'étude de la planification de trajectoires pour des drones de type HALE ou MALE. Les modèles cinématiques de ces drones sont étudiés. Les drones HALE sont modélisés par le système de Dubins. Pour les drones MALE, le modèle est construit en étudiant le repère cinématique du drone. Nous considérons les problèmes de planification de trajectoires point-point et point-pattern. Il s'agit, à partir de la position courante du drone, de rejoindre un point ou une figure prédéfinie dans l'espace. La planification point-point est abordée sous forme d'un problème de contrôle optimal. Deux méthodes sont proposées pour résoudre le problème point-pattern. D'abord nous présentons la synthèse en temps minimal pour le système de Dubins. Ensuite, nous développons une méthode basée sur le principe de LaSalle. La première méthode est utilisée au sein d'un algorithme de planification pour des drones HALE. La deuxième permet de stabiliser les deux types de drones considérés vers un pattern. Nous proposons une extension des algorithmes de planification développés, basée sur une discrétisation del'espace grâce aux graphes de Voronoï et une méthode de planification discrète, pour construire des trajectoiresdans des milieux encombrés. Nous étudions également le problème de couplage drone/capteur. Il s'agit de calculer une trajectoire permettant de satisfaire les objectifs du drone et de son capteur (une caméra). L'algorithme proposé est construit à partir de la résolution d'un problème quadratique sous contraintes.Dans une seconde partie, nous analysons un problème de contrôle optimal inverse. Celui-ci permet d'améliorer les résultats des méthodes de planification en s'inspirant du comportement des pilotes. Après avoir posé le problème, les résultats théoriques sont exposés et le cas particulier du système de Dubins est étudié en pratique.

La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d'imagerie clinique en forte expansion dans le domaine de l'oncologie. De nombreuses études cliniques montrent que la TEP permet, d'une part de diagnostiquer et caractériser les lésions cancéreuses à des stades plus précoces que l'imagerie anatomique conventionnelle, et d'autre part d'évaluer plus rapidement la réponse au traitement. Le raccourcissement du cycle comprenant le diagnostic, la thérapie, le suivi et la réorientation thérapeutiques contribue à augmenter le pronostic vital du patient et maîtriser les coûts de santé. La durée d'un examen TEP ne permet pas de réaliser une acquisition sous apnée. La qualité des images TEP est par conséquent affectée par les mouvements respiratoires du patient qui induisent un flou dans les images. Les effets du mouvement respiratoire sont particulièrement marqués au niveau du thorax et de l'abdomen. Plusieurs types de méthode ont été proposés pour corriger les données de ce phénomène, mais elles demeurent lourdes à mettre en place en routine clinique. Des travaux récemment publiés proposent une évaluation de ces méthodes basée sur des critères de qualité tels que le rapport signal sur bruit ou le biais. Aucune étude à ce jour n'a évalué l'impact de ces corrections sur la qualité du diagnostic clinique. Nous nous sommes focalisés sur la problématique de la détection des lésions du thorax et de l'abdomen de petit diamètre et faible contraste, qui sont les plus susceptibles de bénéficier de la correction du mouvement respiratoire en routine clinique. Nos travaux ont consisté dans un premier temps à construire une base d'images TEP qui modélisent un mouvement respiratoire non-uniforme, une variabilité inter-individuelle et contiennent un échantillonnage de lésions de taille et de contraste variable. Ce cahier des charges nous a orientés vers les méthodes de simulation Monte Carlo qui permettent de contrôler l'ensemble des paramètres influençant la formation et la qualité de l'image. Une base de 15 modèles de patient a été créée en adaptant le modèle anthropomorphique XCAT sur des images tomodensitométriques (TDM) de patients. Nous avons en parallèle développé une stratégie originale d'évaluation des performances de détection. Cette méthode comprend un système de détection des lésions automatisé basé sur l'utilisation de machines à vecteurs de support. Les performances sont mesurées par l'analyse des courbes free-receiver operating characteristics (FROC) que nous avons adaptée aux spécificités de l'imagerie TEP. L'évaluation des performances est réalisée sur deux techniques de correction du mouvement respiratoire, en les comparant avec les performances obtenues sur des images non corrigées ainsi que sur des images sans mouvement respiratoire. Les résultats obtenus sont prometteurs et montrent une réelle amélioration de la détection des lésions après correction, qui approche les performances obtenues sur les images statiques.

Conception, modélisation et contrôle des actionneurs intrinsèquement conformes avec une considération particulière sur la configuration anthropomorphe agoniste-antagoniste "La recherche vise à la conception, la modélisation et le contrôle des actionneurs intrinsèquement conformes pour les systèmes anthropomorphes.La première partie du travail se concentre sur l'étude de divers Existants et rechercher la possibilité d'autres actionneurs autres que les moteurs électriques conventionnels.Une attention particulière est accordée aux actionneurs souples à base de polymères élctroactifs qui ont un bon potentiel dans les futures applications robotiques. Parallèlement, on a synthétisé un modèle de la dynamique de l'actionneur et du contrôleur basé sur le modèle (MPC et contrôle optimal) pour un bras anthropomorphe 7 Dofs actionné par une paire antagoniste-agoniste de Muscles Artificiels Pneumatiques (PAM) à chaque articulation. Ce modèle et contrôleur est alors intégré dans l'environnement logiciel développé par l'équipe. En utilisant le bras manipulateur anthropomorphe basé sur PAM et le simulateur numérique, des tests sont effectués afin d'évaluer le potentiel de cet actionneur et de comparer avec les capacités du corps humain. / Design, modeling and control of inherently compliant actuators with a special consideration on agonist- antagonist anthropomorphic configuration" The research aims at the design, modeling and control of inherently compliant actuators for anthropomorphic systems. The first part of the work focuses on the study of various existing designs and look for the possibility of alternative actuators other than the conventional electric motors. Special attention is given to elctroactive polymer based soft actuators which have good potential in future robotic applications. In parallel, a model of the actuator dynamics and the model-based controller (MPC and optimal control) have been synthesized for an anthropomorphic 7 Dofs arm actuated by antagonist-agonist pair of Pneumatic Artificial Muscles (PAMs) at each joint. Such model and controller is then integrated within the software environment developed by the team. Using the PAMs based anthropomorphic manipulator arm and the numerical simulator, tests are done in order to evaluate the potential of this actuator and compare with the human body capabilities.

La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie clinique en forte expansion dans le domaine de l’oncologie. De nombreuses études cliniques montrent que la TEP permet, d’une part de diagnostiquer et caractériser les lésions cancéreuses à des stades plus précoces que l’imagerie anatomique conventionnelle, et d’autre part d’évaluer plus rapidement la réponse au traitement. Le raccourcissement du cycle comprenant le diagnostic, la thérapie, le suivi et la réorientation thérapeutiques contribue à augmenter le pronostic vital du patient et maîtriser les coûts de santé. La durée d’un examen TEP ne permet pas de réaliser une acquisition sous apnée. La qualité des images TEP est par conséquent affectée par les mouvements respiratoires du patient qui induisent un flou dans les images. Les effets du mouvement respiratoire sont particulièrement marqués au niveau du thorax et de l’abdomen. Plusieurs types de méthode ont été proposés pour corriger les données de ce phénomène, mais elles demeurent lourdes à mettre en place en routine clinique. Des travaux récemment publiés proposent une évaluation de ces méthodes basée sur des critères de qualité tels que le rapport signal sur bruit ou le biais. Aucune étude à ce jour n’a évalué l’impact de ces corrections sur la qualité du diagnostic clinique. Nous nous sommes focalisés sur la problématique de la détection des lésions du thorax et de l'abdomen de petit diamètre et faible contraste, qui sont les plus susceptibles de bénéficier de la correction du mouvement respiratoire en routine clinique. Nos travaux ont consisté dans un premier temps à construire une base d’images TEP qui modélisent un mouvement respiratoire non-uniforme, une variabilité inter-individuelle et contiennent un échantillonnage de lésions de taille et de contraste variable. Ce cahier des charges nous a orientés vers les méthodes de simulation Monte Carlo qui permettent de contrôler l’ensemble des paramètres influençant la formation et la qualité de l’image. Une base de 15 modèles de patient a été créée en adaptant le modèle anthropomorphique XCAT sur des images tomodensitométriques (TDM) de patients. Nous avons en parallèle développé une stratégie originale d’évaluation des performances de détection. Cette méthode comprend un système de détection des lésions automatisé basé sur l'utilisation de machines à vecteurs de support. Les performances sont mesurées par l’analyse des courbes free-receiver operating characteristics (FROC) que nous avons adaptée aux spécificités de l’imagerie TEP. L’évaluation des performances est réalisée sur deux techniques de correction du mouvement respiratoire, en les comparant avec les performances obtenues sur des images non corrigées ainsi que sur des images sans mouvement respiratoire. Les résultats obtenus sont prometteurs et montrent une réelle amélioration de la détection des lésions après correction, qui approche les performances obtenues sur les images statiques. / Positron emission tomography (PET) is nuclear medicine imaging technique that produces a three-dimensional image of functional processes in the body. The system detects pairs of gamma rays emitted by a tracer, which is introduced into the body. Three-dimensional images of tracer concentration within the body are then constructed by computer analysis. Respiratory motion in emission tomography leads to image blurring especially in the lower thorax and the upper abdomen, influencing this way the quantitative accuracy of PET measurements as well a leading to a loss of sensitivity in lesion detection. Although PET exams are getting shorter thanks to the improvement of scanner sensitivity, the current 2-3 minutes acquisitions per bed position are not yet compatible with patient breath-holding. Performing accurate respiratory motion correction without impairing the standard clinical protocol, ie without increasing the acquisition time, thus remains challenging. Different types of respiratory motion correction approaches have been proposed, mostly based on the use of non-rigid deformation fields either applied to the gated PET images or integrated during an iterative reconstruction algorithm. Evaluation of theses methods has been mainly focusing on the quantification and localization accuracy of small lesions, but their impact on the clinician detection performance during the diagnostic task has not been fully investigated yet. The purpose of this study is to address this question based on a computer assisted detection study. We evaluate the influence of two motion correction methods on the detection of small lesions in human oncology FDG PET images. This study is based on a series of realistic simulated whole-body FDG images based on the XCAT model. Detection performance is evaluated with a computer-aided detection system that we are developing for whole-body PET/CT images. Detection performances achieved with these two correction methods are compared with those achieved without correction, ie. with respiration average PET images as well as with reference images that do not model respiration effects. The use of simulated data makes possible the creation of theses perfectly corrected images and the definition of known lesions locations that serve as a reference.