La téléopération ouvre des possibilité nouvelles d'interaction avec le micro-monde. Avec des systèmes adaptés il devient possible de manipuler des éléments aux échelles microscopiques. L'ajout d'un retour haptique apporte une information supplémentaire nécessaire à une interaction naturelle. Cette thèse aborde la problématique de la conception d'une chaîne de téléopération haptique par la conception de ses éléments clefs. La première partie décrit l'optimisation de l'interface haptique à un degré de liberté haute fidelité issue des précédents travaux du laboratoire. Un premier travail augmente la précision des efforts produits. Cette amélioration est liée à une optimisation de la mesure de la vitesse de l'interface à des fréquences d’échantillonnage élevées. Un second point traite de la validation et quantification précise des forces de l'interface. La deuxième partie décrit deux nouveaux capteurs de force conçu spécifiquement pour les interactions avec le micro-monde. Ces fonctionnent sur le même principe de mesure par compensation. Deux approches sont suivies pour augmenter les fréquences des forces mesurable par le capteur. La première s'attache à réduire la masse en concevant un nouveau capteur à l'échelle micrométrique avec des technologies MEMS. Une deuxième approche modifie la conception du capteur et supprime la raideur dans le guidage. La troisième partie décrit la conception d'une nouvelle interface haptique à plusieurs degrés de liberté. Les éléments clefs de sa conception sont l'utilisation d'un palier à air, pour un guidage sans frottement, et de moteurs linéaires à induction, pour une inertie réduite. / Teleoperation opens up new possibilities for interaction with the micro-world. Adequate systems make it possible for human to manipulate elements on microscopic scales. An added haptic feedback provides information crucial for a natural interaction. A bilateral coupling between the subsystems offers the best haptic transparency. This thesis addresses the design of a complete haptic teleoperation chain by focusing on its key elements. Three parts are detailed: The first part describes improvements of the high fidelity one degree of freedom haptic interface designed previously. First, the precision of the forces produced is improved. This improvement is related to the measurement of the motor velocity at high sampling frequencies. Then, the device is precisely caracterized. The second part describes the design of two new force sensors designed specifically for interactions with the micro-world. The forces are measured by compensation. Two approach are observed to expand the frequencies of forces measurable by the sensors. First approach try to reduce the mass, a new sensor on a micrometric scale is built with MEMS technologies. The second approach offer a new design of the sensor. In particular, the stiffness in the guidance is removed. The third part describes the design of a new haptic interface with multiple degrees of freedom. This interface combines the performances of the one degree of freedom interface with a 2D configuration. The key elements of its design are the an air bearing for frictionless guidance and linear induction motors for reduced inertia.

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.