Un robot agit sur son environnement par le mouvement, sa capacité à planifier ses mouvements est donc une composante essentielle de son autonomie. La planification de mouvement est un domaine de recherche qui a largement été étudié durant ces dernières décennies. L'objectif de cette thèse est de concevoir des méthodes algorithmiques performantes permettant le calcul automatique de trajectoires pour des systèmes robotiques complexes dans le cadre de la robotique d'assistance. Ce champ applicatif émergeant de la robotique autonome apporte de nouvelles contraintes et de nouveaux défis. Les systèmes considérés qui ont pour vocation de servir l'homme et de l'accompagner dans des tâches du quotidien doivent tenir compte de la sécurité et du bien-être de l'homme. Pour cela, les mouvements du robot doivent être générés en considérant explicitement le partenaire humain raisonant sur un modèle du comportement social de l'homme, de ses capacités et de ses limites afin de produire un comportement synergique optimal. Dans cette thèse nous étendons les travaux pionniers menés au LAAS dans ce domaine afin de produire des mouvements considérant l'homme de manière explicite dans des environnements encombrés. Des algorithmes d'exploration de l'espace des configurations par échantillonnage aléatoire sont combinés à des algorithmes d'optimisation de trajectoire afin de produire des mouvements sûrs et agréables. Nous proposons dans un deuxième temps un planificateur de tâche d'échange d'objet prenant en compte la mobilité du receveur humain permettant ainsi de partager l'effort lors du transfert. La pertinence de cette approche a été étudiée dans une étude utilisateur. Finalement, nous présentons une architecture logicielle qui permet de prendre en compte l'homme de manière dynamique lors de la réalisation de tâches de manipulation interactive. Cette architecture, développée en collaboration avec un partenaire du projet européen Dexmart a également été évaluée dans une étude utilisateur.

Aujourd'hui, les robots sont de plus en plus présents dans la vie quotidienne. L’étude et le développement de stratégies d'interaction sociale et émotionnelle constitue un point clé de leur insertion dans notre espace social. Ces derniers années, beaucoup de recherches se sont intéressées à la communication homme-robot en exploitant les expressions faciales, posturales ou encore vocales, mais très peu de recherches se sont intéressées à l’interaction physique via le toucher. Cependant, des recherches récentes dans le domaine de la psychologie et des interfaces homme-machine (IHM) ont montré le rôle de la modalité haptique et plus particulièrement tactile dans la perception des émotions et de leurs différentes dimensions (par exemple valence, activation, dominance). L’objectif de ce projet est d’exploiter cette modalité sensorielle dans l'interaction affective homme-robot. Sur la base du robot humanoïde MEKA, un ensemble de capteurs tactiles et physiologiques seront étudiés et développés afin de sensibiliser certaines régions de son corps (ex. bras, épaule, main) et détecter l’état émotionnel de l’utilisateur. Par la suite, une série d’études seront menées afin d'analyser le comportement des utilisateurs dans des situations d’interaction affective avec le robot. Les résultats de ces études nous permettront d’identifier des comportements affectifs haptiques types qui seront utilisés pour modéliser le comportement du robot dans des contextes d’interactions sociales. / Today, robots are more and more present in everyday life. The study and the development of strategies of social and emotional interaction constitutes a key point of their insertion in our social space. The latter years, many researches were carried out in the man-robot communication by exploiting the facial expressions, posturals or still vocal, but very few focused on the physical interaction via the touch. However, recent researches in the field of the psychology and the human-machine interfaces (HMI) showed the role of the haptic modality and more particularly tactile in the perception of the feelings and their various dimensions (for example valence, activation, dominance). The objective of this project is to exploit this sensory modality in the emotional man-robot interaction. On the basis of the robot humanoid MEKA, a set of tactile and physiological sensors will be studied and developed to make sensitive certain regions of its body (eg arm, shoulder, hand) and to detect the emotional state of the user. Afterward, a series of studies will be led to analyze the behavior of the users in situations of emotional interaction with the robot. The results of these studies will allow us to identify typical haptic emotional behavior which will be used to model the behavior of the robot in contexts of social interactions.

Un robot agit sur son environnement par le mouvement, sa capacité à planifier ses mouvements est donc une composante essentielle de son autonomie. L'objectif de cette thèse est concevoir des méthodes algorithmiques performantes permettant le calcul automatique de trajectoires pour des systèmes robotiques complexes dans le cadre de la robotique d'assistance. Les systèmes considérés qui ont pour vocation de servir l'homme et de l'accompagner dans des tâches du quotidien doivent tenir compte de la sécurité et du bien-être de l'homme. Pour cela, les mouvements du robot doivent être générés en considérant explicitement le partenaire humain raisonant sur un modèle du comportement social de l'homme, de ses capacités et de ses limites afin de produire un comportement synergique optimal.Dans cette thèse nous étendons les travaux pionniers menés au LAAS dans ce domaine afin de produire des mouvements considérant l’homme de manière explicite dans des environnements encombrés. Des algorithmes d’exploration de l’espace des configurations par échantillonnage aléatoire sont combinés à des algorithmes d’optimisation de trajectoire afin de produire des mouvements sûrs et agréables. Nous proposons dans un deuxième temps un planificateur de tâche d’échange d’objet prenant en compte la mobilité du receveur humain permettant ainsi de partager l’effort lors du transfert. La pertinence de cette approche a été étudiée dans une étude utilisateur. Finalement, nous présentons une architecture logicielle qui permet de prendre en compte l’homme de manière dynamique lors de la réalisation de tâches de manipulation interactive / A robot act upon its environment through motion, the ability to plan its movements is therefore an essential component of its autonomy. The objective of this thesis is to design algorithmic methods to perform automatic trajectory computation for complex robotic systems in the context of assistive robotics. This emerging field of autonomous robotics applications brings new constraints and new challenges. Such systems that are designed to serve humans and to help in daily tasks must consider the safety and well-being of the surrounding humans. To do this, the robot's motions must be generated by considering the human partner explicitly. For comfort and efficiency, the robot must take into account a model of human social behavior, capabilities and limitations to produce an optimal synergistic behavior.In this thesis we extend to cluttered environments the pioneering work that has been conducted at LAAS in this field. Algorithms that explore the configuration space by random sampling are combined with trajectory optimization algorithms to produce safe and human aware motions. Secondly we propose a planner for object handover taking into account the mobility of the human recipient allowing to share the effort during the transfer. The relevance of this approach has been studied in a user study. Finally, we present a software architecture developed in collaboration with a partner of the European project Dexmart that allows to take dynamically into account humans during the execution of interactive manipulation tasks

Les robots sont les futurs compagnons et équipiers de demain. Que ce soit pour aider les personnes âgées ou handicapées dans leurs vies de tous les jours ou pour réaliser des tâches répétitives ou dangereuses, les robots apparaîtront petit à petit dans notre environnement. Cependant, nous sommes encore loin d'un vrai robot autonome, qui agirait de manière naturelle, efficace et sécurisée avec l'homme. Afin de doter le robot de la capacité d'agir naturellement avec l'homme, il est important d'étudier dans un premier temps comment les hommes agissent entre eux. Cette thèse commence donc par un état de l'art sur l'action conjointe en psychologie et philosophie avant d'aborder la mise en application des principes tirés de cette étude à l'action conjointe homme-robot. Nous décrirons ensuite le module de supervision pour l'interaction homme-robot développé durant la thèse. Une partie des travaux présentés dans cette thèse porte sur la gestion de ce que l'on appelle un plan partagé. Ici un plan partagé est une séquence d'actions partiellement ordonnées à effectuer par l'homme et/ou le robot afin d'atteindre un but donné. Dans un premier temps, nous présenterons comment le robot estime l'état des connaissances des hommes avec qui il collabore concernant le plan partagé (appelées états mentaux) et les prend en compte pendant l'exécution du plan. Cela permet au robot de communiquer de manière pertinente sur les potentielles divergences entre ses croyances et celles des hommes. Puis, dans un second temps, nous présenterons l'abstraction de ces plan partagés et le report de certaines décisions. En effet, dans les précédents travaux, le robot prenait en avance toutes les décisions concernant le plan partagé (qui va effectuer quelle action, quels objets utiliser...) ce qui pouvait être contraignant et perçu comme non naturel par l'homme lors de l'exécution car cela pouvait lui imposer une solution par rapport à une autre. Ces travaux vise à permettre au robot d'identifier quelles décisions peuvent être reportées à l'exécution et de gérer leur résolutions suivant le comportement de l'homme afin d'obtenir un comportement du robot plus fluide et naturel. Le système complet de gestions des plan partagés à été évalué en simulation et en situation réelle lors d'une étude utilisateur. Par la suite, nous présenterons nos travaux portant sur la communication non-verbale nécessaire lors de de l'action conjointe homme-robot. Ces travaux sont ici focalisés sur l'usage de la tête du robot, cette dernière permettant de transmettre des informations concernant ce que fait le robot et ce qu'il comprend de ce que fait l'homme, ainsi que des signaux de coordination. Finalement, il sera présenté comment coupler planification et apprentissage afin de permettre au robot d'être plus efficace lors de sa prise de décision. L'idée, inspirée par des études de neurosciences, est de limiter l'utilisation de la planification (adaptée au contexte de l'interaction homme-robot mais coûteuse) en laissant la main au module d'apprentissage lorsque le robot se trouve en situation "connue". Les premiers résultats obtenus démontrent sur le principe l'efficacité de la solution proposée. / In the future, robots will become our companions and co-workers. They will gradually appear in our environment, to help elderly or disabled people or to perform repetitive or unsafe tasks. However, we are still far from a real autonomous robot, which would be able to act in a natural, efficient and secure manner with humans. To endow robots with the capacity to act naturally with human, it is important to study, first, how humans act together. Consequently, this manuscript starts with a state of the art on joint action in psychology and philosophy before presenting the implementation of the principles gained from this study to human-robot joint action. We will then describe the supervision module for human-robot interaction developed during the thesis. Part of the work presented in this manuscript concerns the management of what we call a shared plan. Here, a shared plan is a a partially ordered set of actions to be performed by humans and/or the robot for the purpose of achieving a given goal. First, we present how the robot estimates the beliefs of its humans partners concerning the shared plan (called mental states) and how it takes these mental states into account during shared plan execution. It allows it to be able to communicate in a clever way about the potential divergent beliefs between the robot and the humans knowledge. Second, we present the abstraction of the shared plans and the postponing of some decisions. Indeed, in previous works, the robot took all decisions at planning time (who should perform which action, which object to use…) which could be perceived as unnatural by the human during execution as it imposes a solution preferentially to any other. This work allows us to endow the robot with the capacity to identify which decisions can be postponed to execution time and to take the right decision according to the human behavior in order to get a fluent and natural robot behavior. The complete system of shared plans management has been evaluated in simulation and with real robots in the context of a user study. Thereafter, we present our work concerning the non-verbal communication needed for human-robot joint action. This work is here focused on how to manage the robot head, which allows to transmit information concerning what the robot's activity and what it understands of the human actions, as well as coordination signals. Finally, we present how to mix planning and learning in order to allow the robot to be more efficient during its decision process. The idea, inspired from neuroscience studies, is to limit the use of planning (which is adapted to the human-aware context but costly) by letting the learning module made the choices when the robot is in a "known" situation. The first obtained results demonstrate the potential interest of the proposed solution.

Cette thèse s'attarde sur plusieurs aspects de la collaboration humain-robot, dont le développement d'interfaces de contrôle, la conception de robots plus sécuritaires ainsi que le développement d'algorithmes de contrôle. Le tout est réparti sur 7 chapitres. Le premier chapitre présente une brève introduction ainsi que la méthodologie employée au cours de la thèse. Le deuxième chapitre présente une méthode d'équilibrage statique par contrepoids. Une transmission hydraulique permet de déporter facilement le contrepoids à l'extérieur de l'espace de travail du système équilibré. L'utilisation de cylindres à membrane permet une transmission fluide avec un minimum de friction. Dans le troisième chapitre, nous exploitons ce principe d'équilibrage pour développer un bras de robot sériel à 7 ddls. Deux mécanismes d'équilibrage sont proposés et testés d'abord sur des bancs d'essai puis sur le prototype final. Un banc d'équilibrage à deux plateaux permet d'ajuster la pression des cylindres avec une seule charge mobile pour s'adapter à la masse soulevée par le bras. Dans le quatrième chapitre, nous développons un algorithme de commande exploitant la redondance du bras développé précédemment. Puisque les critères courants d'exploitation de la redondance dépendent de la situation, nous laissons le soin à l'opérateur de gérer lui-même cette redondance. Notre algorithme implémente une commande standard en admittance qui combat les perturbations indésirables à l'effecteur. Cependant, elle permet aux perturbations qui n'affectent pas la position de l'effecteur de modifier la configuration du robot. Le cinquième chapitre présente le développement d'un capteur tactile à base de silicone et noir de carbone. Les propriétés du mélange de silicone et noir de carbone sont étudiées afin d'optimiser la sensibilité du matériau. Nous proposons ensuite un modèle mathématique de la piézorésistivité du matériau afin d'estimer la pression appliquée et nous présentons des méthodes de fabrication du capteur et d'acquisition des signaux. Dans le sixième chapitre, nous développons un système de freinage passif adapté aux systèmes de ponts roulants. Le système permet d'appliquer à la charge transportée une force de freinage proportionnelle à sa vitesse. Une interface de contrôle intuitive permet à l'opérateur d'activer le système au besoin. Le septième chapitre présente une brève conclusion de la thèse.

Ce mémoire présente le développement d’un algorithme de cinématique d’interaction dans un contexte de coopération humain-robot. Cet algorithme vise à faciliter le contrôle de bras robotiques en évitant les collisions, singularités et limites articulaires du robot lorsqu’il est contrôlé par un humain. La démarche adoptée pour l’ateinte de l’objectif est le prototypage d’un algorithme sur une structure robotique simple, la validation expérimentale de ce prototype, la généralisation de l’algorithme sur une base robotique à 6 degrés de liberté et la validation de l’algorithme final en le comparant expérimentalement avec un algorithme similaire. Premièrement, le prototype d’algorithme est développé sur un bras robotisé Jaco, de l’entreprise Kinova, duquel le poignet a été retiré. Cette architecture permet le déplacement de l’effecteur selon 3 degrés de liberté en translation. L’algorithme développé sur cette base robotique permet : — l’évitement des collisions avec les objets présents dans l’environnement de travail, — l’évitement des limitations articulaires — et l’évitement des singularités propres à l’architecture du robot. Les performances de l’algorithme sont ensuite validées lors d’expérimentations dans lesquelles il a été démontré que l’algorithme a permis une réduction d’approximativement 50% du temps de complétion d’une tâche donnée tout en réduisant l’attention que l’utilisateur doit porter sur le contrôle du robot comparativement à l’attention portée à l’accomplissement de la tâche demandée. Ensuite, des améliorations sont apportées à l’infrastructure : — une méthode de numérisation de l’environnement de travail est ajoutée, — un meilleur algorithme de détection de collisions et de mesure des distances minimales entre les membrures du robot et les obstacles présents dans l’environnement de travail est implémenté. De plus, une méthode de balayage de l’environnement de travail à l’aide d’une caméra Kinect ainsi qu’un algorithme de segmentation de nuage de points en polygones convexes sont présentés. Des tests effectués avec l’algorithme prototype ont été effectués et ont révélé que bien que des imperfections au niveau de la méthode de balayage existent, ces modifications de l’infrastructure peuvent améliorer la facilité avec laquelle l’algorithme de cinématique d’interaction peut être implémenté. Finalement, l’algorithme implémenté sur une architecture robotique à six degrés de liberté est présenté. Les modifications et les adaptations requises pour effectuer la transition avec la version initiale de l’algorithme sont précisées. Les expérimentations ont validé la performance de l’algorithme vis à vis un autre algorithme de contrôle pour l’évitement de collisions. Elles ont démontré une amélioration de 25% en terme de temps requis pour effectuer une tâche donnée comparé aux temps obtenus avec un algorithme de ressorts-amortisseurs virtuels.

Ce mémoire présente la conception et la validation expérimentale d'un système mécatronique visant à faciliter la manipulation de composantes lourdes dans des situations industrielles d'assemblage, par exemple l'assemblage de panneaux de fuselage d'avion. Le principe de la redondance sous-actionnée est utilisé pour que l'interaction entre l'opérateur humain et le robot soit sécuritaire, intuitive et réactive, tout en permettant une charge utile relativement élevée. Ce principe consiste à utiliser un mécanisme passif à basse impédance couplé à un système actif avec la charge utile à manipuler directement attachée à l'effecteur du mécanisme passif. Lors du fonctionnement du dispositif, l'opérateur humain manipule directement la charge utile et induit ainsi des mouvements dans le mécanisme passif. Les variations mesurées dans les articulations passives sont ensuite utilisées pour contrôler les articulations actives à haute impédance du robot. Dans les travaux réalisés antérieurement, le principe a été appliqué aux mouvements translationnels. Le but de ce mémoire est donc d'appliquer le principe de la redondance sous-actionnée aux mouvements rotatifs a n d'orienter une charge utile dans l'espace tridimensionnel. Tout d'abord, le principe est appliqué à un manipulateur plan à un degré de liberté pour évaluer la validité du concept pour les mouvements rotatifs. Ensuite, il est appliqué à un manipulateur spatial à deux degrés de liberté. Des contrepoids actifs sont utilisés pour équilibrer statiquement les deux manipulateurs. Il est à noter que le dernier mouvement rotatif n'est pas étudié puisqu'il est facile à implémenter ; l'équilibrage statique n'étant pas requis pour la rotation autour de l'axe vertical. Finalement, le système rotatif obtenu précédemment est combiné avec un système translationnel existant dans le but de manipuler librement une charge utile dans l'espace à six dimensions. Les validations expérimentales sont présentées pour montrer que le manipulateur est intuitif, réactif et sécuritaire pour l'opérateur humain. / This Master's thesis presents the design and experimental validation of a mechatronic system aimed at facilitating the handling of heavy components in industrial assembly situations, for example the assembly of aircraft fuselage panels. The principle of underactuated redundancy is used to make the interaction between the human operator and the robot safe, intuitive and responsive, while allowing a relatively high payload. This principle consists in using a low-impedance passive mechanism paired with an active system with a payload directly attached to the passive mechanism's end e ector. In the operation of the device, the human operator directly manipulates the payload and thereby induces movements in the passive mechanism. The measured joint variables in the passive mechanism are then used to control the high-impedance active joints of the robot. In previous works, the principle of underactuated redundancy has been applied to translational movements. The aim of this Master's thesis is therefore to apply the principle of underactuated redundancy to rotations in order to rotate a payload in three-dimensional space. First, the principle is applied to a one-degree-of-freedom planar manipulator in order to evaluate the validity of the concept for rotational motions. Then, it is applied to a two-degree-of-freedom spatial manipulator. Active counterweights are used to statically balance the two manipulators. It should be noted that the last rotational motion is not studied since it is easy to implement; static balancing is not required for the rotation around the vertical axis. Subsequently, the rotational system obtained previously is combined with an existing translational system with the objective of freely manipulating a payload in six-dimensional space. The experimental validations are presented to show that the manipulator is safe, intuitive and responsive for the human operator.

Les systèmes simples et les systèmes plus évolués tels que les robots aident l’être humain à accomplir plusieurs tâches depuis fort longtemps. Dans certains cas, le système en question remplace carrément l’humain alors que dans d’autres, le système agit en coopération avec celui-ci. Dans le dernier cas, le système représente plus un outil servant à augmenter les performances ou bien à éviter des tâches ingrates. L’avantage principal de cette augmentation humaine est de laisser à l’opérateur une certaine latitude dans le processus décisionnel de la tâche. Les forces propres aux humains et aux robots sont donc combinées afin d’obtenir une synergie, c’est-à-dire d’obtenir un meilleur système que la somme de ses composantes. Cependant, accomplir des tâches de coopération complexes de manière intuitives représente un défi de taille. Alors qu’auparavant les robots étaient isolés et donc conçus et programmés en conséquence, la nouvelle génération de robots doit être capable de comprendre son environnement et les intentions de l’humain, et d’y répondre adéquatement et de manière sécuritaire, intuitive, conviviale et ergonomique. Ceci apporte de nombreux débouchés dans différents domaines tels que la manutention, l’assemblage manufacturier, la réadaptation physique, la chirurgie, l’apprentissage via des simulations haptiques, l’aide aux personnes handicapées et bien d’autres. Cette thèse comporte trois parties. La première traite de la commande des robots d’interaction physique. L’approche pour parvenir à une commande intuitive, les bonnes pratiques, un algorithme d’interaction s’adaptant aux intentions de l’humain et l’adaptation d’une commande par couple pré-calculé à l’interaction humain-robot sont présentés. La deuxième partie traite de systèmes mains sur la charge qui sont plus intuitifs à utiliser pour l’opérateur. Le développement de ces systèmes comprend des innovations mécaniques et de commande avancées. La troisième partie traite finalement d’éléments de sécurité. Elle présente d’abord le développement d’un algorithme d’observation et de contrôle des vibrations et ensuite le développement d’un capteur détectant à distance la proximité humaine. Cette thèse se propose d’apporter plusieurs contributions, tant dans un esprit scientifique que pour des applications industrielles requérant des réponses immédiates. / For a long time, simple and advanced systems such as robots have been helping humans to accomplish several tasks. In some cases, the system simply replaces the operator while in other cases, the system cooperates with him/her. In the latter case, the system is more a tool used to increase performance or to avoid unpleasant tasks. The principal advantage of this human augmentation is to leave a certain latitude to the operator in the task decision process. Specific strengths of humans and robots are then combined to obtain a synergy, that is obtaining a more complete system than the sum of its parts. However, achieving complex tasks in a way that is intuitive to the human represents a huge challenge. While robots were previously segregated from humans and then designed and programmed accordingly, the new generation of robots must be able to perceive their environment and the human intentions and to respond to them safely, adequately, intuitively and ergonomically. This leads to several opportunities in a wide range of fields such as materials handling, assembly, physical rehabilitation, surgery, learning through haptic simulations, help to disabled people and others. This thesis comprises three parts. The first one deals with the control of physical interaction robots. The approach to an intuitive control, good practices, an interaction algorithm adapting to human intentions and the adaptation of a computed-torque control scheme for human-robot interaction are presented. The second part presents hands on payload systems which are more intuitive to use for the operator. These system developments include mechanical and advanced control innovations. The third part introduces safety features. First, the development of a vibration observer/controller algorithm is presented and then the development of a sensor detecting human proximity is reported. This thesis attempts to provide contributions, in a scientific spirit as much as for industrial applications requiring immediate solutions.

Ce mémoire présente la conception d’un mécanisme parallèle passif élastique utilisé afin de contrôler un robot sériel à 5 degrés de liberté de façon sécuritaire et intuitive. Ce mémoire présente deux articles qui ont été écrits dans le cadre du projet et qui présentent dans un premier temps l’algorithme de contrôle sur lequel le concept est basé, et dans un deuxième temps le prototype du mécanisme passif servant à détecter les mouvements. L’algorithme de contrôle est inspiré par le concept de manipulateur macro/mini où l’utilisateur interagit avec un mécanisme passif à faible impédance afin de contrôler le mouvement d’un mécanisme actionné qui a une plus grande impédance. Le concept, déjà utilisé pour des manipulateurs de type portique, est étendu à un robot sériel à plusieurs degrés de liberté. L’algorithme utilise une mesure de déplacement du mini-manipulateur passif afin d’appliquer des couples aux moteurs du macromainpulateur actionné. Afin de détecter les déplacements, un capteur à 6 degrés de liberté est conçu. L’architecture du capteur, qui est basée sur la platforme de Gough-Stewart, consiste en un mécanisme parallèle assemblé sur une membrure du robot sériel. Des résultats expérimentaux sont présentés. / This thesis presents the design and experimental validation of a passive elastic parallel mechanism used to control intuitively and safely a five-degree-of-freedom serial robot. The thesis presents two articles which were written in the course of the project. The articles present, firstly, the control algorithm which is the basis of the concept, and secondly, the mechanical design of the passive mechanism. The algorithm is inspired from the macro/mini architecture where the human user interacts with a lowimpedance passive mechanism in order to control the motion of a larger actuated mechanism which has a higher impedance. This concept, used on gantry manipulators, is extended to a serial robot with multiple degrees of freedom. The algorithm uses a displacement measurement from the passive mechanism in order to compute and apply torques to the actuated mechanism. In order to measure the displacements, a passive six-degree-of-freedom mechanism is designed. The architecture of the sensor, based on the Gough-Stewart platform, is in fact a passive parallel mechanism mounted around the link of a serial robot. Experimental results are provided.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023) / L'interaction physique humain-robot constitue un mode d'opération prometteur pour plusieurs applications où la force et l'endurance des robots peut être combinée aux capacités d'adaptation et de jugement des humains. Toutefois, l'interaction physique humain-robot soulève des questions au niveau de la sécurité. Les standards généralement acceptés dans le domaine de la robotique prescrivent un seuil de force statique maximale de 150 N et une puissance maximale de 80 W afin de considérer une situation donnée comme étant sécuritaire. Cette thèse propose la synthèse de mécanismes robotiques sériels qui soient intrinsèquement sécuritaires pour l'interaction physique humain-robot. Le concept proposé consiste à inclure un ensemble de limiteurs de forces ou de couples passifs avec des seuils constants dans la structure même du robot afin de limiter les efforts possibles à l'effecteur. Lorsque la force ou le couple appliqué à l'un des limiteurs dépasse la valeur seuil prescrite, celui-ci est déclenché, entraînant ainsi un mouvement qui vise à protéger les humains contre les forces excessives. Il est bien connu que la relation entre les efforts articulaires et les efforts à l'effecteur d'un robot varie en fonction de la configuration. Afin de pallier cet effet, il est proposé d'inclure un nombre de limiteurs supérieur au nombre d'articulations actionnées. Ainsi, la synthèse de modules de limiteurs de forces isotropes est présentée afin d'obtenir des forces transmises suffisantes tout en assurant la sécurité. Plusieurs modules de limiteurs de forces isotropes plans sont proposés et utilisés pour analyser les caractéristiques de robots sériels à deux degrés de liberté. En plus de modéliser les forces de contact à l'effecteur, les forces de contact le long des membrures ainsi que la puissance de collisions potentielles sont analysées. Des exemples de manipulateurs sériels et leur analyse statique sont présentés. Ensuite, le concept d'espace de force isotrope est généralisé afin d'inclure les modules tridimensionnels. Des architectures possibles de modules isotropes spatiaux sont proposés et les conditions requises pour assurer l'isotropie des efforts à l'effecteur sont obtenues. Des manipulateurs sériels spatiaux à trois degrés de liberté incluant un module isotrope sont proposés afin de démontrer l'efficacité du concept. Les forces maximales possibles le long des membrures sont aussi étudiées. Des limiteurs de forces et de couples sont montées sur la structure du robot afin de s'assurer que les forces de contact sont limitées en tout point du robot. Une analyse de la puissance est également présentée. Finalement, la mise en œuvre pratique de l'approche proposée dans la thèse est considérée. Deux types de limiteurs de forces ou couples sont proposés. Leur design est compact et permet de produire une limitation bi-directionnelle des efforts en utilisant un ressort unique. Le premier type de limiteur ne retourne pas à sa configuration initiale lorsque les efforts externes sont retirés puisque la résistance aux efforts externes diminue drastiquement lorsque le seuil d'activation est dépassé. À l'opposé, le second type de limiteur retourne automatiquement à sa configuration initiale lorsque les efforts externes sont retirés. Il est démontré que les architectures de limiteurs proposées peuvent être intégrées au design de membrures de robots grâce à leur simplicité et leur compacité. Des prototypes de modules isotropes sont alors construits et testés expérimentalement afin de démontrer leur possible utilisation pratique. / Physical human-robot interaction is a desirable paradigm for many applications where the strength and endurance of robots can be combined with the adaptability and judgement of human beings. However, physical interaction between humans and robots leads to safety concerns. Robotics standards state that, as a sufficient condition for allowing human-robot collaboration, the static force and the dynamic power at the tool centre point must not exceed 150 (N) and 80 (W), respectively. This dissertation proposes a synthesis approach to build intrinsically safe serial robotic mechanisms for applications in human-robot cooperation. In this concept, a number of passive torque and force limiters with constant force thresholds are included in the structure of a serial manipulator in order to limit the feasible forces at the tool centre point of the end-effector. Once the torque/force at any one of the limiters exceeds the prescribed maximum threshold, the corresponding clutch is triggered, thus protecting humans from injury. It is well known that the relationship between the joint torques/forces and the achievable end-effector forces is configuration dependent. In order to alleviate this effect, i.e., the variation of the joint to Cartesian force mapping, it is proposed to include more clutches than actuated joints. Hence, the design of isotropic force modules is addressed to produce proper force capabilities while ensuring safety. Several planar isotropic force modules are first proposed and used to analyze the force capabilities of two-degree-of-freedom planar serial robots. In addition to modelling the contact forces at the end-effector, the forces that can be applied by the robot to its environment when contact is taking place elsewhere along its links are also analyzed as well as the power of potential collisions. Examples of planar serial manipulator architectures and their static analysis are given. Then, the concept of isotropic force space is extended from planar modules to spatial modules. Possible architectures of spatial isotropic modules are proposed and the conditions required to ensure isotropy of the forces at the end-effector are derived. Three-degree-of-freedom spatial manipulators including a proposed spatial isotropic module are designed to demonstrate the effectiveness of the concept, and the maximum contact forces along the links are then studied. Force and torque limiter are distributed along the structure of the manipulator in order to ensure that the forces applied at any point of contact along the links are bounded. A power analysis is also presented in order to support the results obtained. Finally, the implementation of the proposed approach in a real application is addressed. Two types of passive clutch mechanisms are designed. Both are compact and produce a bi-directional limiting behaviour using a single extension spring. One is referred to as the no-return limiter. The mechanism does not return to its original configuration even if the external load is removed since its resisting torque drops rapidly once the limiter is triggered. The other one is the elastic return limiter, which can bring the robot links to their original positions after an applied excessive force is removed. The proposed architectures can be integrated in the design of robotic links since they are simple and compact. Then, some prototypes equipped with force and torque limiters are built and tested experimentally to illustrate a possible practical implementation of the concept.