Une approche avancée de la fabrication flexible consiste à déplacer des manipulateurs robotisés AGV ou robot mobile, appelé manipulateurs mobiles, entre les postes de travail. L'utilisation de manipulateurs mobiles peuvent être avantageux dans un certain nombre de situations. Cela peut entraîner des coûts économies lorsqu'un seul manipulateur mobile peut être utilisé pour remplacer plusieurs stationnaires manipulateurs. Cependant, les manipulateurs mobiles sont «une discipline relativement jeune robotique. "Une revue de la littérature approfondie de la recherche menant à la commercialisation mobile manipulateurs et robots mobiles a été réalisée. La mesure de la performance du mobile les manipulateurs, y compris une base mobile avec un bras de robot embarqué, sont pratiquement inexistants. Cependant, les manipulateurs mobiles commencent à apparaître dans la fabrication, la santé, et peut-être d'autres industries et, par conséquent, une méthode pour mesurer leur performance est essentielle pour les fabricants et les utilisateurs de ces systèmes relativement complexes. Mesures de mobile manipulateurs effectuant des tâches standard (poses et mouvements) sont également inexistants, sauf pour simplement s'assurer que la tâche a été plus ou moins complétée. La tâche choisie pour cela thèse est l'assemblage en raison de son exigence de pose de système.Les méthodes de test de performance ont pris du retard par rapport aux méthodes de test de sécurité pour les manipulateurs mobiles qui progresse vers le développement d'une nouvelle norme de sécurité aux États-Unis. Métriques pour la sécurité et la performance des manipulateurs mobiles comprennent de nombreux domaines, tels que: l'achèvement des tâches, le temps nécessaire pour accomplir la tâche, la qualité et la quantité (c.-à-d.répétabilité, respectivement) des tâches accomplies. Avant l'acceptation industrielle et les normes développement pour les manipulateurs mobiles, les utilisateurs de ces nouveaux systèmes attendront des fabricants fournir des données de performance réelles pour guider leur approvisionnement et assurer l'aptitude à tâches d'application. En raison du coût relativement élevé pour acquérir et installer des systèmes de suivi de mouvement Pour mesurer la performance des systèmes, une méthode alternative à utiliser par les fabricants et les utilisateurs est idéal. Un nouveau concept de méthode de test qui utilise un artefact, appelé mobile reconfigurable Manipulateur Artefact (RMMA), est décrit dans cette thèse et comparé à un suivi optique système qui a été utilisé comme vérité de terrain pour le RMMA et manipulateur mobile. Système de modélisation du système de manipulation mobile, des composants et des les mesures peuvent aider à améliorer la compréhension de ces systèmes relativement complexes.Systems Modelling Language (SysML) a été choisi et utilisé tout au long de cette thèse, car de SysML a des modules logiciels réutilisables pour la structure, le comportement, les exigences et parametrics sur le manipulateur mobile. Les modèles décrivent les nombreux aspects de mesurer la performance des manipulateurs mobiles également en tant que nouveau domaine de recherche.Les modèles étaient évalué à travers des expériences sur un exemple de composants manipulateurs mobiles et l'ensemble système. SysML a été utilisé pour décrire la base théorique de la performance à travers la propagation de l'incertitude lorsque les équations mathématiques sont également modélisées.Un cas d'utilisation est modélisé et décrit où les concepts recherchés pour mesurer les mobiles les performances du manipulateur sont appliquées à une implémentation de fabrication. Le simpliste la nature du processus de mesure utilisant le RMMA peut être directement appliquée à processus de fabrication, et étendu au-delà des contributions de cette recherche à d'autres des besoins de mesure encore plus complexes (...). / An advanced approach to flexible manufacturing is to move robotic manipulators, using anAGV or mobile robot, called mobile manipulators, between workstations. The use ofmobile manipulators can be advantageous in a number of situations. It can result in costsavings when a single mobile manipulator can be used to replace several stationarymanipulators. However, mobile manipulators are “a relatively young discipline withinrobotics.” An extensive literature review of the research leading to commercial mobilemanipulators and mobile robots was performed. The performance measurement of mobilemanipulators, including a mobile base with an onboard robot arm, is virtually non-existent.However, mobile manipulators are beginning to appear in manufacturing, healthcare, andpossibly other industries and therefore, a method to measure their performance is critical toboth manufacturers and users of these relatively complex systems. Measurements of mobilemanipulators performing standard tasks (poses and motions) are also non-existent except forsimply ensuring that the task has been more or less completed. The task chosen for thisthesis is assembly due to its requirement for relatively precise system posing.Performance test methods have lagged behind safety test methods for mobile manipulatorswhich is progressing towards development of a new safety standard in the US. Metrics forsafety and performance of mobile manipulators include many areas, such as: safe operation,task completion, time to complete the task, quality, and quantity (i.e., accuracy andrepeatability, respectively) of tasks completed. Prior to industrial acceptance and standardsdevelopment for mobile manipulators, users of these new systems will expect manufacturersto provide real performance data to guide their procurement and assure suitability for givenapplication tasks. Due to the relatively high cost to procure and setup motion tracking systemsto measure systems performance, an alternative method for use by manufacturers and users isideal. A new test method concept that uses an artifact, called the Reconfigurable MobileManipulator Artifact (RMMA), is described in this thesis and compared to an optical trackingsystem that was used as ground truth for the RMMA and mobile manipulator.System modeling the mobile manipulator system, components, and the associatedmeasurements can help to improve the understanding of these relatively complex systems.Systems Modeling Language (SysML) was chosen and used throughout this thesis becauseof SysML has reusable software modules for structure, behavior, requirements andparametrics off the mobile manipulator. The models describe the many aspects ofmeasuring mobile manipulator performance also as new research area. The models wereevaluated through experiments on an example mobile manipulator components and the entiresystem. SysML was used to describe the theoretical basis of the performance throughpropagation of uncertainty where mathematical equations are also modeled.A use case is modeled and described where the concepts researched to measure mobilemanipulator performance are applied to a manufacturing implementation. The simplisticnature of the measurement process using the RMMA can be directly applied to today’smanufacturing processes, and extended beyond the contributions of this research to othereven more complex measurement needs. The research is also discussed to even apply tocross-industry test methods for exoskeletons worn by humans.

Cette thèse porte sur l'analyse de la singularité d'un manipulateur plan pour l'application d'une XY-Théta plate-forme. Cette plate-forme possède une cinématique brevetée, conçue pour garder l’erreur finale de position en dessous de 2mμ dans son espace de travail de dimensions 300 mm × 300 mm. Ces performances de haute précision s'expliquent par la proximité des singularités. Certains inconvénients peuvent survenir lorsque la trajectoire se rapproche des singularités, notamment si une vitesse articulaire élevée est atteinte. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est d'identifier les lieux des singularités. Habituellement, quand un robot non-redondant se déplace dans un espace à trois dimensions, le lieu de singularité est défini par une surface. Une contribution majeure de ce travail de thèse réside dans l'identification d'une ligne hélicoïdale pour définir le lieu de la singularité au sein de l'espace de travail. Une autre partie du travail réalisé a consisté à prendre en compte la redondance du robot à identifier les lieux des singularités et dans ce cas à analyser les problèmes de contrôle liés à la traversée de surfaces de singularités. En dernier lieu, une attention a été portée sur l'indice de maniabilité afin d'évaluer la distance entre le manipulateur et la singularité. / This thesis deals with the singularity analysis of a planar robotic manipulator for the application of an XY-Theta platform. This XY-Theta platform has a patented kinematics designed to keep the final position error below 2 μm in its 300 mm × 300 mm workspace. But as the high precision performances are due to the proximity of singularities, some drawbacksmay also appear when the trajectory is too close to singularities, such as large joint velocities, high forces and torques. Therefore, the main objective of this thesis is to identify the singularity loci. Usually, when a non-redundant robot operates in a 3D space, the singularity locus is represented by a surface. Here, one contribution is the identification of an helicoidal line for the singularity locus within the workspace. Another contribution is to take into account the redundancy of the robot, identify the singularity loci in this case and analyze the control problems linked to the crossing of singularity surfaces. Finally, the manipulability index is calculated to show how far the manipulator is from the singularity configuration.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la robotique d'assistance aux personnes handicapées. L'objectif est l'exploitation de la redondance générée par l'association d'un bras manipulateur et d'une plate-forme mobile non holonome. Nous avons modélisé le système et choisi d'utiliser le concept de manipulabilité pour placer le système dans la meilleure configuration en termes de capacité de manipulation pour effectuer la tâche opérationnelle. Nous avons proposé une nouvelle mesure de manipulabilité directionnelle qui inclut des informations sur la direction de la tâche. Pour prendre en compte la mobilité de la plate-forme dans la mesure de la capacité de manipulation, nous avons introduit une normalisation pour résoudre le problème lié aux unités de mesures et pour inclure les contraintes sur les limites en vitesse des différents actionneurs. Afin de respecter les principes qui permettent de faciliter la coopération homme-machine, nous nous sommes inspirés du comportement humain pour établir une stratégie décomposée en phases et zones. L'ensemble de ces apports a été implanté sur un manipulateur mobile réel.

Cette thèse porte sur la modélisation de la commande motrice chez le Primate suivant deux approches : - Tout d'abord, en suivant une formalisation mathématique de la préparation par le Cerveau des signaux de commande d'un mouvement volontaire dirigé vers une cible. La méthode utilisée dans cette étude a été de recenser les contraintes fonctionnelles et d'en déduire un circuit de traitement des signaux moteurs, compatible avec l'organisation anatomique des voies cérébelleuses. Ce circuit a permis une optimisation hiérarchisée, sous les contraintes de rapidité d'exécution et d'économie de la dépense énergétique. Cette approche a été appliquée à la commande d'un bras robotique à 2 d.d.l mû par des muscles de McKibben, et à la modélisation du système oculomoteur du Primate. - Ensuite, en suivant une approche par codage. Nous présentons ici la conception et la mise au point d'une Interface Cerveau-Machine asynchrone qui décode les données cérébrales enregistrées chez le Macaque afin de contrôler un doigt robotique.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès. / The problem addressed in this thesis concerns the control of industrial robot manipulators which are slightly flexible and used for machining and FSW processes. The first objective is to model the robots and processes. The developed models concern the kinematics and dynamics models of 6-axis robots with serial architecture and flexibility localized at joints. The dynamic model parameters and a part of the joint stiffnesses are identified with the approach of output error which gives a satisfy estimation accuracy. According to identification, the RMS residue of the model is 3.2%. The second objective is to improve the robotization performance of manufacturing processes. A simulator was developed that contains the dynamic model of the flexible robot, the process models and the model of the robot controller including control laws in real time of axes and the trajectory generator. A nonlinear high-gains observer is proposed to estimate the complete states of robot system as well as the operation wrenches. Then the observer-based compensator is proposed to correct the positioning errors in real time. The experimental validation of industrial robots shows a satisfactory estimating performance of the observer. A precise FSW welding owing to the real-time compensation for the flexibility of manipulator has been done successfully.

Les travaux de recherche pr esent es dans ce m emoire ont et e men es au sein d'EDF R&D. Ils visent a remplacer une grande partie des essais physiques par des simulations num eriques a n d'optimiser des processus de maintenance robotis ee r ealis es notamment sur des installations nucl eaires. Il s'agit d'une mani ere g en erale d'obtenir des gains de productivit e en augmentant la rapidit e de mise en uvre des op erations mettant en uvre des proc ed es ainsi que de ma^ triser la qualit e des r esultats. Les proc ed es consid er es sont des proc ed es de fraisage a grande vitesse. Ces derniers n ecessitent une grande pr ecision de suivi de trajectoire (en position et vitesse spatiales), ceci malgr e les incertitudes relatives aux param etres structuraux du syst eme porteur du proc ed e et compte-tenu de son comportement dynamique intrins eque (saturations, frottement) ainsi que des perturbations dynamiques (gravit e, interactions physiques). Les travaux d evelopp es abordent, dans un cadre exp erimental, les probl emes d'identi cation des param etres g eom etriques et inertiels ainsi que le comportement structurel (d eformations et frottements) d'un robot Staubli TX90 sur di erentes charges. Ces probl emes sont trait es ici dans un cadre r eel en tenant compte des contraintes de mise en uvre dans un contexte industriel. L'ensemble des param etres identi es ont et e int egr es a un simulateur dynamique qui, reproduisant les lois de commande impl ement ees sur le syst eme industriel ainsi que les g en erateurs de trajectoires, permet d'analyser le comportement dynamique du syst eme lors de la mise en uvre d'un proc ed e de fraisage grande vitesse. Sur cette base, la correction des trajectoires de l'e ecteur peut ^etre r ealis ee pour minimiser les d efauts de forme induits par ces di erentes sources d'erreur.

La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d'une salle d'opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l'emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d'actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd'hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d'application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d'intégration. Nous étudions d'abord la possibilité d'intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l'analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d'optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d'optimisation à base d'un algorithme de colonie de fourmis est employée.

La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d’une salle d’opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l’emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d’actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd’hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d’application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d’intégration. Nous étudions d’abord la possibilité d’intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l‘analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d’optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d’optimisation à base d’un algorithme de colonie de fourmis est employée. / Surgical robotics helps to increase the surgeon’s accuracy and limits the invasiveness of the surgery. The complexity of an operation room implies to design surgical devices that are as compact as possible and that can be easily sterilized. One interesting design approach is to combine compliant mechanisms, which have a monolithic structure, and piezoelectric actuators. Based on this approach, a robotic device for minimally invasive coronary artery bypass grafting has been proposed previously in our laboratory. This device successfully helps to increase the stabilization of the heart surface during the surgery but its compactness needs to be increased for an optimal integration in the operation room. Based on the need to reduce the compensation mechanism of this device, the problem of the design of compliant mechanisms with strong integration constrains is studied in this PhD thesis. First, the possibility to integrate the compensation mechanism directly in the shaft is considered. Then, the possibility to reduce the compensation mechanism at the end of the shaft by considering an assembly of planar manufactured structures is considered. Among the contributions, we propose an original design method based on the analysis of singularities of parallel manipulators in planar configuration. We also propose an original optimization method based on ant colony optimization in order to optimize the compliant architectures proposed in this work.

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.