Pour des applications depositionnement, les moteurs piézoélectriquesprésentent aujourd’hui une alternativeintéressante aux moteurs électromagnétiquesclassiques en raison de leur forte précision del’ordre de quelques nanomètres ainsi que de leurfaible niveau de bruit électromagnétique. Dansce contexte, les travaux de cette thèse portent surla modélisation, la conception, et l’implantationen temps réel de contrôleurs en position pour desmoteurs piézoélectriques. L’objectif est deproposer un système de contrôle en positionrobuste pour des applications robotiques avecun cahier des charges prédéfini. Trois moteurspiézoélectriques avec des principes defonctionnement différents (USR60, PAD7220,N-310.13) ont été choisis. Leurs modèlesélectromécaniques ont été développés afin devalider leurs principes de fonctionnement etd’analyser leurs comportements dynamiquesface à des perturbations (variation de couple decharge, de température, etc…). Ensuite, cesmodèles sont utilisés pour simuler et valider lesperformances des algorithmes de contrôle enboucle fermée notamment en termes deprécision, de robustesse et de stabilité. Desbancs de test expérimentaux ont été mis enœuvre pour les trois moteurs, et des modèlesréduits reliant les positions des moteurs auxsignaux de commande correspondants ont étéidentifiés expérimentalement. Deux contrôleursde position de type H-infini (H∞) et RST sontensuite synthétisés et simulés. Ces contrôleurssont implantés en temps réel sur les bancs detests expérimentaux via un système dSPACE.Les performances de chaque moteur associé à sacommande sont évaluées. Une étudecomparative entre les résultats expérimentauxde ces deux contrôleurs et ceux d’un contrôleurPID classique est aussi présentée. / The Piezoelectric motors present aninteresting alternative to electromagneticsmotors for precise positioning systems. This ismainly due to their high accuracy in thenanometer scale, and to their very lowelectromagnetic noise levels. In this context, thework presented in this thesis deals with themodeling, design, and real time implementationof position controllers for piezoelectric motors.The objective is to propose robust closed loopposition controller of piezoelectric motors forrobotic applications. Based on the applicationspecification requirements, three motors withdifferent topologies (USR60, PAD7220, N-310.10) are selected. Their electro mechanicmodels are developed in order to validate theiroperating principle and to analyze theirdynamics.These models are also used to simulate thecontroller algorithms in closed loop.Experimental platforms based on the threemotors are designed, and the reduced modelslinking the motor positions to the correspondingcontrol signals are experimentally identified.Afterwards, two position controllers of type Hinfinity(H∞) and RST are synthesized andsimulated. These controllers are implemented inreal time via the experimental platformsequipped by dSPACE boards. The performancesof each motor in closed loop associated to theposition controllers are evaluated using theexperimental results. Comparative studybetween the experimental results of twoproposed controllers and conventional PIDcontroller is also presented.Université Paris-

Les problèmes de sécurité constituent le principal obstacle à l'utilisation de robots dans des applications sensibles. Nous répertorions ces problèmes et les solutions partielles qui y sont apportées dans divers domaines d'application de la robotique. Nous détaillons en particulier deux applications qui nous intéressent : le guidage d'un geste médico-chirurgical et l'inspection d'un bol de générateur de vapeur dans une centrale nucléaire. Notre objectif consiste à vérifier de manière globale la bonne exécution de la tâche planifiée. Nous cherchons donc à contrôler la position du robot au moyen de capteurs externes. Aussi étudions-nous les divers types de capteurs de position envisageables avant de proposer une solution qui consiste à apposer des marqueurs passifs sur le robot et à surveiller leur position au moyen de caméras vidéo. Cette manière de procéder implique le calibrage préalable de chacun des composants du système. Nous étudions en détail les méthodes de calibrage intrinsèque de caméras et adoptons une méthode multi-plans que nous étendons au calibrage de caméras à focale variable. Les caméras étant calibrées intrinsèquement, nous proposons une solution pour les recaler par rapport à l'environnement spécifique de chacune de nos deux applications. La dernière phase de calibrage consiste à repérer la position d'un marqueur par rapport au segment du robot qui le porte. Ce problème est tout à fait similaire à la détermination de la position d'une caméra portée par un robot. Nous étudions particulièrement deux solutions classiques dont nous améliorons la précision en minimisant une erreur globale sur un ensemble important de données. Toutes ces étapes étant réalisées, la position des marqueurs peut être prédite, puis vérifiée grâce à un traitement d'images approprié. Des expérimentations complètes ont été menées en vue de montrer la faisabilité du projet et d'évaluer la précision que l'on peut espérer.

Malgré la présence d'appareils très performants tels que les microscopes électroniques et en champ proche, les capacités à mesurer des dimensions nanométriques avec des incertitudes de quelques nanomètres constitue un véritable verrou technologique pour la fabrication en grand volume de composants de taille millimétrique mais aux caractéristiques nanométriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler avec des performances nanométriques, sur une plage de quelques millimètres, le positionnement d'un porte-échantillon, essentiellement dédié à la microscopie. Le système comprend des platines de déplacement mécanique, une mesure par interférométrie, une électronique haute-fréquence et des lois de commandes pour l'asservissement. Le système de déplacement est constitué de deux étages ; le premier est une platine de translation qui permet de faire des " longues distances ", et le second est un actionneur piézoélectrique qui permet de corriger les défauts du premier. Le système ainsi réalisé permet des déplacements dans les deux directions du plan X-Y avec des résolutions et des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Ce dispositif a été intégré à un microscope à force atomique et à un microscope optique en champ proche dans le but de réaliser des images de tailles millimétriques et en même temps hautement résolues. Des images de topographie et des images optiques en champ proche de tailles supérieures à 1 mm de long viennent démontrer les performances du système.