Pendant très longtemps, l'automatisation a été assujettie à l'usage de robots industriels traditionnels placés dans des cages et programmés pour répéter des tâches plus ou moins complexes au maximum de leur vitesse et de leur précision. Cette automatisation, dite rigide, possède deux inconvénients majeurs : elle est chronophage dû aux contraintes contextuelles applicatives et proscrit la présence humaine. Il existe désormais une nouvelle génération de robots avec des systèmes moins encombrants, peu coûteux et plus flexibles. De par leur structure et leurs modes de fonctionnement ils sont intrinsèquement sûrs ce qui leurs permettent de travailler main dans la main avec les humains. Dans ces nouveaux espaces de travail collaboratifs, l'homme peut être inclus dans la boucle comme un agent décisionnel actif. En tant qu'instructeur ou collaborateur il peut influencer le processus décisionnel du robot : on parle de robots collaboratifs (ou cobots). Dans ce nouveau contexte, nous faisons usage de guides virtuels. Ils permettent aux cobots de soulager les efforts physiques et la charge cognitive des opérateurs. Cependant, la définition d'un guide virtuel nécessite souvent une expertise et une modélisation précise de la tâche. Cela restreint leur utilité aux scénarios à contraintes fixes. Pour palier ce problème et améliorer la flexibilité de la programmation du guide virtuel, cette thèse présente une nouvelle approche par démonstration : nous faisons usage de l'apprentissage kinesthésique de façon itérative et construisons le guide virtuel avec une spline 6D. Grâce à cette approche, l'opérateur peut modifier itérativement les guides tout en gardant leur assistance. Cela permet de rendre le processus plus intuitif et naturel ainsi que de réduire la pénibilité. La modification locale d'un guide virtuel en trajectoire est possible par interaction physique avec le robot. L'utilisateur peut déplacer un point clé cartésien ou modifier une portion entière du guide avec une nouvelle démonstration partielle. Nous avons également étendu notre approche aux guides virtuels 6D, où les splines en déplacement sont définies via une interpolation Akima (pour la translation) et une 'interpolation quadratique des quaternions (pour l'orientation). L'opérateur peut initialement définir un guide virtuel en trajectoire, puis utiliser l'assistance en translation pour ne se concentrer que sur la démonstration de l'orientation. Nous avons appliqué notre approche dans deux scénarios industriels utilisant un cobot. Nous avons ainsi démontré l'intérêt de notre méthode qui améliore le confort de l'opérateur lors de la comanipulation. / For a very long time, automation was driven by the use of traditional industrial robots placed in cages, programmed to repeat more or less complex tasks at their highest speed and with maximum accuracy. This robot-oriented solution is heavily dependent on hard automation which requires pre-specified fixtures and time consuming programming, hindering robots from becoming flexible and versatile tools. These robots have evolved towards a new generation of small, inexpensive, inherently safe and flexible systems that work hand in hand with humans. In these new collaborative workspaces the human can be included in the loop as an active agent. As a teacher and as a co-worker he can influence the decision-making process of the robot. In this context, virtual guides are an important tool used to assist the human worker by reducing physical effort and cognitive overload during tasks accomplishment. However, the construction of virtual guides often requires expert knowledge and modeling of the task. These limitations restrict the usefulness of virtual guides to scenarios with unchanging constraints. To overcome these challenges and enhance the flexibility of virtual guides programming, this thesis presents a novel approach that allows the worker to create virtual guides by demonstration through an iterative method based on kinesthetic teaching and displacement splines. Thanks to this approach, the worker is able to iteratively modify the guides while being assisted by them, making the process more intuitive and natural while reducing its painfulness. Our approach allows local refinement of virtual guiding trajectories through physical interaction with the robots. We can modify a specific cartesian keypoint of the guide or re- demonstrate a portion. We also extended our approach to 6D virtual guides, where displacement splines are defined via Akima interpolation (for translation) and quadratic interpolation of quaternions (for orientation). The worker can initially define a virtual guiding trajectory and then use the assistance in translation to only concentrate on defining the orientation along the path. We demonstrated that these innovations provide a novel and intuitive solution to increase the human's comfort during human-robot comanipulation in two industrial scenarios with a collaborative robot (cobot).

Despite the existence of robots that are capable of lifting heavy loads, robotic assistants that can help people move objects as part of a team are not available. This is because of a lack of critical intelligence that results in inefficient and ineffective performance of these robots. This work makes progress towards improved intelligence of robotic lifting assistants by studying human-human teams in order to understand basic principles of co-manipulation teamwork. The effect of modus, or the manner in which a team moves an object together, is the primary study of this work. Data was collected from over 30 human-human trials in which participants in teams of two co-manipulated an object that weighed 60 pounds. These participants maneuvered through a series of five obstacles while carrying the object, exhibiting one of four modi at any given time. The raw data from these experiments was cleaned and distilled into a pose trajectory, velocity trajectory, acceleration trajectory, and interaction wrench trajectory. Classifying on the original base set of four modi with a neural net showed that two of the three modi were very similar, such that classification between three modi was more appropriate. The three modi used in classification were \emph{quickly}, \emph{smoothly} and \emph{avoiding obstacles}. Using a convolutional neural net, three modi were able to be classified from a validation set with up to 85\% accuracy. Detecting modus has the potential to greatly improve human-robot co-manipulation by providing a means to determine an appropriate robot behavior objective function. Survey data showed that participants trust each other more after working together and that they feel that their partners are more qualified after they worked together. A number of modified scales were also shown to be reliable which will allow future researchers in human-robot co-manipulation to properly evaluate how humans feel about working with each other. These same scales will also provide a useful comparison to human-robot teams in order to determine how much humans trust robots as co-manipulation team members.

Cette thèse se place dans un contexte médical de traitements oncologiques, plus particulièrement en protonthérapie robotisée. L’objectif de cette thèse, réalisée sous contrat Cifre avec la société LEONI CIA Cable Systems, est le développement d’une commande en co-manipulation sûre dédiée à un robot médical sériel. Cette commande doit permettre à un opérateur de manipuler intuitivement et précisément un robot de grande inertie positionneur de patients. Les contributions portent sur deux axes, d’une part le développement et l’implémentation sur le robot Orion de l’entreprise LEONI CIA Cable Systems d’une commande en admittance ainsi que la comparaison de trois dispositifs haptiques, et d’autre part le développement d’un mécanisme de détection de collisions proprioceptif permettant l’amélioration de la sécurité de fonctionnement. À partir d’une revue de la littérature concernant les commandes compliantes, nous avons développé et implémenté une commande en admittance dédiée au robot Orion en tenant compte de la discrétisation de la commande par le contrôleur spécifique de ce robot. Une expérience de comparaison sur le robot nous a permis d’identifier le dispositif haptique le mieux adapté au cas clinique considéré. Après une étude de l’état de l’art des mécanismes de détection de collisions, une approche fréquentielle de la modélisation du couple axial prenant en compte les rapports de réduction élevés et de technologie différente du robot a été proposée. Elle permet de modéliser finement le couple théoriquement fourni par les moteurs ; celui-ci est ensuite comparé avec la mesure du couple réellement produit afin de détecter une éventuelle collision. / This PhD thesis takes place in a medical context of oncological treatments, more particularly in robotised protontherapy. The objective of this thesis, carried out under a CIFRE contract with LEONI CIA Cable Systems, is the development of a safe comanipulation control dedicated to a serial medical robot. This control law should allow an operator to intuitively and precisely manipulate a robot of high inertia for accurate patients positioning. The contributions of this thesis focus on the development and implementation of an admittance-controlled Orion robot from LEONI CIA Cable Systems and the comparison of three haptic devices, and on the other hand, on the development of a proprioceptive collision detection mechanism allowing the improvement of operational safety. Based on a review of the literature on compliant controls, we have developed and implemented an admittance control approach dedicated to the Orion robot, taking into account the discretization of the control by the controller specific to this robot. A comparison experiment on the robot allowed us to identify the haptic device best suited to the clinical case considered. Based on a state of the art of collision detection mechanisms analysis, a frequency approach of the modeling of the axial torque taking into account the high reduction ratios and different robot technology has been proposed. It allows us to finely model the torque theoretically provided by the motors ; The latter is then compared with the measurement of the torque actually produced in order to detect a possible collision.

Une chirurgie minimalement invasive (CMI), qui implique généralement une caméra endoscopique et des instruments de laparoscopie, peut sembler être la procédure chirurgicale idéale pour ses avantages apparents. Toutefois, en comparaison à la chirurgie ouverte, les limites spatiales et outils mécaniques posés sur les chirurgiens sont si élevés que, souvent, la CMI est abandonné pour des cas complexes et même quand elle est possible, la procédure nécessite une grande dextérité, calibre et expérience du chirurgien. Cette recherche a été motivée par la nécessité d'habiles instruments chirurgicaux qui offrent un contrôle intuitif et une interface ergonomique, avec l'objectif final de développer un instrument robotisé adapté aux interventions par laparoscopie. La recherche a été basée sur l'évaluation comparative des différentes interfaces, modes de contrôle et cinématiques, en utilisant un simulateur de réalité virtuelle, développée spécialement à cet effet. Les résultats montrent que: 1. l'interface optimale a un mode de contrôle WYSIWYD (ce que vous voyez est ce que vous faites) et est exploité par les doigt. 2. les mobilités distales motorisées de l'effecteur doivent produire deux degrés de liberté (DDL) indépendants pour la flexion et la rotation de l'effecteur. Ce qui est suffisant pour des gestes SIG complexes. 3. ajouter une libre articulation à la poignée de l'instrument permet au chirurgien d'avoir une posture ergonomique. 4. un trocart actif permettrait la rotation de l'arbre de l'instrument avec un joint libre. Cette recherche a également permis le développement d'un prototype de validation de concept. Le prototype a été testé avec succès, in vitro et in vivo sur un modèle porcin.

Le cancer de la prostate, fréquent et peu morbide, se diagnostique par des biopsies de prostate. Or ce geste, effectué sous échographie endorectale sur un patient anesthésié localement, est complexe et fournit peu d’informations quantitatives sur les prélèvements. La robotisation des biopsies est vue comme un medium intéressant pour améliorer la qualité du diagnostic du cancer de la prostate. Le geste chirurgical et son impact sur le diagnostic sont d’abord étudiés, ainsi que les dispositifs robotiques existants. Sur cette base est conçu Apollo, un cobot à actionnement hybride pouvant réaliser plusieurs fonctions d’assistance. Un mode libre permettant à l’urologue de manipuler la sonde échographique sans influence aucune du robot est d’abord présenté. Un mode verrouillé assurant un maintien en position de la sonde à la fois souple et précis est évalué in vitro et in cadavero. Des essais cliniques portant sur ces deux modes ont été autorisés. Lors de biopsies prostatiques la sonde passe par l'anus du patient, sur lequel il faut exercer le moins d'effort possible. Nous montrons qu'Apollo permet, en utilisant une commande "bras de levier", d'assister le geste via un retour d'effort tout en respectant cette contrainte anatomique. Une telle fonction d'assistance, l'augmentation de raideur apparente de la prostate basée image, est développée sur un prototype à un degré de liberté. Enfin, une assistance automatique à l'ajustement fin de la ligne de visée de l'aiguille par bouclage sur l’image échographique 3D est implémentée et testée. Plusieurs perspectives de recherche sont présentées en conclusion. / Prostate cancer, which is frequent but not much morbid, is diagnosed thanks to prostate biopsies. This gesture, which is performed under 2D ultrasound endorectal imaging, is complex and gives little quantitative information about the samples. That's why robotizing biopsies is seen as an interesting way to improve the quality of the prostate cancer diagnosis. The medical gesture and its impact on the diagnosis are first studied, as well as the existing robotic devices. From this Apollo is designed, a cobot exhibiting an hybrid actuation. Many assistance functions can be realized with this device. A free mode allowing the urologist to manipulate the ultrasonic probe without any influence from the robot is first presented. A locked mode, able to maintain the probe at a given position precisely yet with flexibility is evaluated in vitro and in cadavero. Clinical trials concerning these two modes have been authorized. During prostate biopsies the probe passes through the patient anus, on which as little efforts as possible must be exerted. We show that Apollo, with a "lever" command, can assist the gesture with a force feedback while respecting this anatomical constraint. Such an assistance function, the image based increase in the prostate apparent stiffness, is developed on a one degree of freedom prototype. Finally, an automatic assistance to the precise positionning of the biopy needle target line based on 3D image looping is implemented and tested. Some future research interests are presented as a conclusion.

Dans le contexte industriel actuel, il existe encore un grand nombre de tâches pénibles qui ne peuvent pas être automatisées, et où le geste humain reste indispensable. L'introduction d'une assistance robotique peut alors être envisagée pour réduire les efforts que l'opérateur doit fournir, et ainsi éviter l'occurrence de troubles musculosquelettiques. En permettant à l'opérateur de manipuler conjointement un outil (ou objet) porté par le robot, il est possible envisager une collaboration sous forme de compensation de gravité, d'augmentation d'effort ou de réalisation de guides virtuels. Les robots industriels peuvent être des candidats pertinents pour ce type de collaboration, car leurs qualités mécaniques sont particulièrement complémentaires à celles de l'homme : ils sont notamment optimisés pour avoir une grande force, rigidité et précision absolue. Cependant les frottements dans les articulations et l'inertie importante de ces robots s'opposent à une interaction physique avec l'opérateur fluide et légère. L'utilisation d'un capteur d'effort au niveau de l'effecteur et d'une boucle d'effort est donc incontournable. On montre que la stabilité d'un système ainsi asservi dépend alors fortement de l'impédance mécanique qu'oppose la main de l'opérateur lorsqu'il manipule l'effecteur du robot. Nous appuierons notre étude sur une modélisation du robot capable de prendre en compte une flexibilité structurelle entre l'actionneur et la mesure d'effort, qui est à l'origine des limites de stabilité. Afin de résoudre le compromis performance/stabilité très contraignant qui en découle, nous proposons une loi de commande en impédance prenant en compte les caractéristiques de la prise de main sur une poignée d'interaction spécialement conçue. Pour caractériser la prise de main, il nous a été nécessaire de développer un capteur capable de cartographier la pression appliquée sur la surface arrondie de la poignée. Nous détaillons l'architecture et le fonctionnement d'un tel capteur, et montrons qu'il peut aussi être employé pour recouvrir le corps du robot. Nous proposons ainsi une solution pour assurer la sécurité de l'utilisateur vis-à-vis des autres parties mobiles du robot, peu sensibles aux interactions physiques avec l'opérateur ou avec son environnement. Nous complétons notre étude en considérant une interaction tripartite où le robot amplifie les efforts que l'opérateur applique sur l'outil. En adaptant les outils théoriques communément employés dans le domaine de la téléopération, nous menons une étude approfondie sur les limites de stabilité et de performances de ce dispositif. L'ensemble de ces travaux reposent sur des développements théoriques appuyés par des expérimentations sur un robot industriel réel.

Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la commande d'un robot manipulateur industriel, configuré pour une co-manipulation avec un opérateur humain, en vue de la manutention de charges lourdes. Dans un premier temps, nous avons présenté une vue d'ensemble des études qui ont été menées dans ce cadre. Ensuite, nous avons abordé la modélisation et l'identification des paramètres dynamiques du robot Denso VP-6242G. Nous avons utilisé le logiciel OpenSYMORO pour calculer son modèle dynamique. Après une présentation détaillée de la méthode d'identification des paramètres de robots manipulateurs, nous l'avons appliqué au cas de notre robot. Cela nous a permis d'obtenir un vecteur des paramètres qui garantit une matrice d'inertie définie positive pour n'importe quelle configuration articulaire du robot, tout en assurant une bonne qualité de reconstruction des couples pour des vitesses articulaires constantes, ou variables au cours du temps. Par la suite, nous avons détaillé les nouvelles fonctionnalités proposées pour le générateur de trajectoire en temps réel, sur lequel repose notre schéma de commande. Nous avons présenté une méthode d'estimation de la force de l'opérateur à partir des mesures de la force d'interaction entre le robot et l'opérateur, tout en tenant compte de la pénalisation de la force de l'opérateur afin d'avoir une image de cette dernière permettant de générer une trajectoire qui respecte les limites de l'espace de travail. Des tests du générateur de trajectoire simulant différents cas de figure possibles nous ont permis de vérifier l'efficacité des nouvelles fonctionnalités proposées. Le générateur permet de produire une trajectoire dans l'espace de travail tridimensionnel selon la direction de l'effort appliqué par l'opérateur, ce qui contribue à l'exigence de transparence recherchée en co-manipulation robotique. Dans la dernière partie, nous avons présenté et validé en simulation une commande en impédance dont les trajectoires de référence sont issues du générateur développé. Les résultats obtenus ont donné lieu à une bonne qualité de poursuite des trajectoires désirées. D'autre part, le respect des limites virtuelles de l'espace de travail a également été pris en compte. Cependant, les trajectoires articulaires correspondantes peuvent franchir les limites définies pour préserver l'intégrité du robot. / In this thesis, we were interested in the control of industrial manipulators in co-manipulation mode with a human operator for the handling of heavy loads. First, we have presented an overview of existing studies in this framework. Then, we have addressed the modeling and the identification of dynamic parameters for the Denso VP-6242G robot. We have used the OpenSYMORO software to calculate its dynamical model. After a detailed presentation of the method for identifying the robot's parameters, we have applied it to the case of our robot. This allowed us to obtain a vector of the parameters which guarantees a positive definite inertia matrix for any configuration of the robot, as well as a good quality of reconstruction of the torques in the case of constant joint velocities or in the case of variable ones over time. To continue, we have detailed the new features that have been proposed for the online trajectory generator, for which the control scheme is based on. We have presented a method for estimating the operator's force from the measurements of the interaction force between the robot and the operator, while taking into account for the penalization of the operator's force in order to have an information of this last which allows to generate a trajectory that respects the limits of workspace. Some tests of the trajectory generator simulating different possible scenarios have allowed us to check the effectiveness of the new proposed features. The generator makes it possible to produce a trajectory in the three-dimensional workspace according to the direction of the force applied by the operator, which contributes to fulfill the requirement of transparency that is sought in a co-manipulation. In the last part, we have presented and validated, in simulation, an impedance control whose reference trajectories are delivered by the proposed generator. The obtained results have shown a good trajectory tracking. On the other hand, the satisfaction of the virtual bounds of the workspace has also been nicely taken into account. However, the corresponding articular trajectories can cross the bounds defined to preserve the integrity of the robot.