The haptic device recreates the sense of touch by applying forces to the user. Since the device is “rendering” forces to emulate the physical interaction, the force control is essential for haptic devices. While a dedicated force/torque sensor can close the loop of force control, the additional equipment creates extra moving mass and inertia at the tool center point (TCP). Therefore, estimating the Cartesian force at the TCP has continuously been receiving attention over the past decades. The objective of this thesis project is to develop a real-time force estimation algorithm based on the proportional current-torque relationship with the dynamic modeling of the TAU haptic device. The algorithm can be further used for the force control of the device. The research questions of the thesis are: how to design and develop an algorithm for the TAU that used for Cartesian contact force estimation, how to set up the force estimation test bench and how to evaluate the results of the force estimation algorithm. In order to achieve the force estimation algorithm, a virtual environment is built to simulate the real-time haptic physics. Then an external force/torque sensor is installed at the TCP to get the measurement of the Cartesian force at the TCP. The force estimation algorithm calculates the Cartesian force at the TCP based on the current measurement of the DC motors at the six joints. The estimation result of the Cartesian force at the TCP is then compared with the force/torque sensor measurement to determine if the estimation algorithm is sufficiently accurate. The analysis of the estimation accuracy emphasizes the feasibility of Cartesian force estimation on the TAU haptic device. / En haptikenhet gör det möjligt att förmedla en känsla av kontakt i en virtuell värld genom att skapa krafter som motverkar en rörelse . Hur denna kraft skapas och kontrolleras är av stor vikt för att få den så verklighetstrogen som möjligt. Om man har en kraftsensor kan den användas till att utforma en kraftreglering med återkoppling, men på bekostnad av en ökad massa och tröghet vid användarens hand. Detta har medfört ett ökat intresse under de senaste åren för att på olika sätt försöka uppskatta den kraft som återkopplas till användaren utan att behöva en kraftsensor. Målet för detta examensarbete är att utveckla en algoritm för att uppskatta en kontaktkraft i realtid baserat på antagandet att motormomentet är proportionellt beroende av strömmen. Algoritmen kan sedan användas för att konstruera en sluten reglerloop med kraftåterkoppling för en haptisk enhet. Forskningsfrågorna som behandlas i detta examensarbete är;  hur kan vi utforma en algoritm för estimering av kontaktkrafter för haptikenheten TAU  hur kan vi utforma en experimentell försöksuppställning för mätning av de verkliga kontaktkrafterna från TAU vid kontakt.  hur kan vi använda resultaten från experimenten för utvärdering av algoritmen För testning och utvärdering av algoritmen har en virtuell värld skapats för att efterlikna en simuleringsmiljö som haptikenheten är tänkt att användas i. En kraftsensor har monterats under det verktyg som användaren håller i när enheten används när ett typiskt ingrepp ska övas i en simulator, t.ex. borrning i en tand. Vid experimenten beräknar algoritmen den uppskattade kontaktkraften som användaren känner baserat på den uppmätta strömmen för de sex motorer som aktiveras av kontakten. Dessa beräknade värden har sedan jämförts med de från kraftsensorn uppmätta för att avgör om algoritmen är tillräckligt noggrann. Analysen visar att noggrannheten är tillräckligt bra för att vara en lovande ansats till att användas för kraftuppskattning vid reglering av kontaktkraft för haptikenheten TAU.

Malgré le progrès de l'automatisation industrielle, les solutions robotiques ne sont pas encore couramment utilisées dans le secteur du génie civil. Plus spécifiquement, les tâches de ponçage, telles que le désamiantage, sont toujours effectuées par des opérateurs humains utilisant des outils électriques et hydrauliques classiques. Cependant, avec la diminution du coût relatif des machines par rapport au travail humain et les réglementations sanitaires strictes applicables à des travaux aussi risqués, les robots deviennent progressivement des alternatives crédibles pour automatiser ces tâches et remplacer les humains.Dans cette thèse, des nouvelles approches de contrôle de ponçage de surface sont élaborées. Le premier contrôleur est un contrôleur hybride position-force avec poignet conforme. Il est composé de 3 boucles de commande, force, position et admittance. La commutation entre les commandes pourrait créer des discontinuités, ce qui a été résolu en proposant une commande de transition. Dans ce contrôleur, la force de choc est réduite par la commande de transition proposée entre les modes espace libre et contact. Le second contrôleur est basé sur un modèle de ponçage développé et un contrôleur hybride adaptatif position-vitesse-force. Les contrôleurs sont validés expérimentalement sur un bras robotique à 7 degrés de liberté équipé d'une caméra et d'un capteur de force-couple. Les résultats expérimentaux montrent de bonnes performances et les contrôleurs sont prometteurs. De plus, une nouvelle approche pour contrôler la stabilité des manipulateurs mobiles en temps réel est présentée. Le contrôleur est basé sur le « zero moment point », il a été testé dans des simulations et il a été capable de maintenir activement la stabilité de basculement du manipulateur mobile tout en se déplaçant. En outre, les incertitudes liées à la modélisation et aux capteurs sont prises en compte dans les contrôleurs mentionnés où des observateurs sont proposés.Les détails du développement et de l'évaluation des différents contrôleurs proposés sont présentés, leurs mérites et leurs limites sont discutés et des travaux futurs sont suggérés. / Despite the advancements in industrial automation, robotic solutions are not yet commonly used in the civil engineering sector. More specifically, grinding tasks such as asbestos removal, are still performed by human operators using conventional electrical and hydraulic tools. However, with the decrease in the relative cost of machinery with respect to human labor and with the strict health regulations on such risky jobs, robots are progressively becoming credible alternatives to automate these tasks and replace humans.In this thesis, novel surface grinding control approaches are elaborated. The first controller is based on hybrid position-force controller with compliant wrist and a smooth switching strategy. In this controller, the impact force is reduced by the proposed smooth switching between free space and contact modes. The second controller is based on a developed grinding model and an adaptive hybrid position-velocity-force controller. The controllers are validated experimentally on a 7-degrees-of-freedom robotic arm equipped with a camera and a force-torque sensor. The experimental results show good performances and the controllers are promising. Additionally, a new approach for controlling the stability of mobile manipulators in real time is presented. The controller is based on zero moment point, it is tested in simulations and it was able to actively maintain the tip-over stability of the mobile manipulator while moving. Moreover, the modeling and sensors uncertainties are taken into account in the mentioned controllers where observers are proposed. The details of the development and evaluation of the several proposed controllers are presented, their merits and limitations are discussed and future works are suggested.