En robotique, lorsque les exigences de dextérité et de polyvalence sont élevées, les effecteurs terminaux traditionnels montrent vite leurs limites et les mains robotisées humanoïdes semblent une alternative séduisante. Malheureusement, si l'on sait aujourd'hui fabriquer de telles mains satisfaisantes sur le plan mécanique, leur utilisation pose toujours problème car leur contrôle est difficile. Dans cette thèse, on s'est intéressé à trois problèmes relatifs au contrôle des mains robotisées humanoïdes : le contrôle du mouvement de l'objet saisi et des efforts qui lui sont appliqués, le maintien de l'objet en cas de perturbations extérieures, et la raideur de la prise, c'est-à-dire son comportement élastique. Pour la manipulation de l'objet, on propose une nouvelle loi de contrôle, basée sur un problème d'optimisation sous contraintes, qui a l'avantage de synthétiser des couples articulaires moteurs réalisant un compromis entre les différents objectifs de contrôle, possiblement conflictuels ou non atteignables, tout en respectant les limitations de la physique et du robot. Pour garder prise sur l'objet en cas de perturbation, on propose une méthode pour calculer les forces de serrage qui assurent la robustesse de la prise à la plus grande perturbation possible, dans la direction où cette plus grande perturbation possible est la plus petite : une sorte de perturbation critique pour la prise. Enfin, on donne une modélisation de la raideur de l'objet en fonction de celle des doigts, dans le cas où un mouvement relatif de roulement est possible entre les doigts et l'objet. On montre que cette raideur dépend aussi des forces de contact et des courbures des surfaces en contact.

Une chirurgie minimalement invasive (CMI), qui implique généralement une caméra endoscopique et des instruments de laparoscopie, peut sembler être la procédure chirurgicale idéale pour ses avantages apparents. Toutefois, en comparaison à la chirurgie ouverte, les limites spatiales et outils mécaniques posés sur les chirurgiens sont si élevés que, souvent, la CMI est abandonné pour des cas complexes et même quand elle est possible, la procédure nécessite une grande dextérité, calibre et expérience du chirurgien. Cette recherche a été motivée par la nécessité d'habiles instruments chirurgicaux qui offrent un contrôle intuitif et une interface ergonomique, avec l'objectif final de développer un instrument robotisé adapté aux interventions par laparoscopie. La recherche a été basée sur l'évaluation comparative des différentes interfaces, modes de contrôle et cinématiques, en utilisant un simulateur de réalité virtuelle, développée spécialement à cet effet. Les résultats montrent que: 1. l'interface optimale a un mode de contrôle WYSIWYD (ce que vous voyez est ce que vous faites) et est exploité par les doigt. 2. les mobilités distales motorisées de l'effecteur doivent produire deux degrés de liberté (DDL) indépendants pour la flexion et la rotation de l'effecteur. Ce qui est suffisant pour des gestes SIG complexes. 3. ajouter une libre articulation à la poignée de l'instrument permet au chirurgien d'avoir une posture ergonomique. 4. un trocart actif permettrait la rotation de l'arbre de l'instrument avec un joint libre. Cette recherche a également permis le développement d'un prototype de validation de concept. Le prototype a été testé avec succès, in vitro et in vivo sur un modèle porcin.

Le travail présenté s'intéresse à la problématique générale de la mise en oeuvre de mains robotiques à haut niveau de dextérité. Dans ce contexte, nous nous intéressons à la synthèse de prise d'objets en prenant en compte les contraintes propres à la tâche de manipulation visée. La manière dont l'objet est saisi a une importance capitale sur le bon déroulement d'une tâche.Le développement d'algorithmes capables de générer automatiquement des prises optimales implique avant tout la nécessité de définir la notion de prise optimale au regard de la tâche cible. Pour répondre à ce problème, la communauté scientifique propose dans la littérature de nombreux critères de qualité et continue à en développer de nouveaux. Dans cette thèse, nous présentons une extension des travaux proposés avec une étude approfondie de ces critères dans le cadre de la manipulation dextre. Ces critères sont évalués avec une main robotique entièrement actionnée à quatre doigts et seize articulations.Nous quantifions l'efficacité de ces critères dans le cadre de la réalisation de tâches de manipulation fine avec trois types d'objets spécifiques. Deux groupes de critères sont étudiés : d'une part des critères s'appuyant uniquement sur la position des points de contact, et, d'autre part, des critères prenant en compte la cinématique du préhenseur. Cette étude nous a permis de sélectionner un ensemble de critères pertinents pour résoudre le problème de synthèse de prise que nous avons mis en oeuvre dans un processus basé sur une approche évolutionnaire. Cette approche a été validée dans l'environnement de simulation OpenRAVE, puis expérimentalement avec la nouvelle main RoBioSS. / The work presented in this thesis concerns object grasping with dexterous robotic hands. In this work, we are going to focus on the grasp synthesis problem by taking into account the in-hand manipulation task. The initial grasp has a capital role for the successful completion of a given task.In order to develop algorithms which are able to generate automatically correct grasps for a manipulation task, we need to define suitable grasp quality metrics to assess the validity of a grasp. Throughout the years, a large variety of quality measures have been proposed in the literature and researchers keep on developing new ones. However those quality measures are generally developed for simple grippers and for grasping tasks. In this thesis, we will extend the study of selected interesting grasp quality measures for in-hand manipulation tasks. These quality measures will be evaluated on a four finger robotic hand with sixteen fully actuated degrees of freedom.We will assess the chosen quality measures for in-hand manipulation tasks with three different carefully selected type of objects. The quality metrics are classified in two groups, first one focuses exclusively on the location of contact points and the second one considers the kinematics of the robotic hand. The review of these quality measures led us to select the ones meaningful for solving the grasp synthesis problem for in-hand manipulation. The grasping pipeline implemented to generate the correct grasps is based on an evolutionary approach using a mix of the selected quality measures. The proposed approach was tested in the OpenRAVE robotic simulator and also validated experimentally with the new RoBioSS hand.

L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux robots qui combinent dextérité, compacité et précision afin de réaliser des tâches de micromanipulation complexes dans des environnements confinés. Ainsi, deux architectures robotiques parallèles ont été développées. La première est un poignet à 4 degrés de liberté (DDL) en rotation et la seconde est un robot redondant à 7 DDL. Les deux structures intègrent la fonction de préhension grâce à une plateforme configurable et un actionnement déporté. L’étude géométrique et cinématique des deux robots ainsi que des résultats expérimentaux validant les deux architectures sont présentés. Pour miniaturiser le robot à 7 DDL, les liaisons mécaniques (rotules) ont été remplacées par des liaisons en élastomère (PDMS). Cette solution permet, entre autres, d’éliminer les jeux mécaniques au niveau des articulations tout en gardant une grande plage de déplacement. Cependant, comme le comportement de telles articulations ne correspond pas parfaitement à des liaisons rotules, un modèle de robot prenant en compte le comportement élastique de ces articulations a été développé. Afin de réaliser la structure à l’échelle désirée (jambes et liaisons à 400 µm de côté), un nouveau processus de micro-fabrication en salle blanche a été développé. Contrairement aux méthodes existantes, le nouveau processus permet de réduire le nombre d’étapes de gravure et d’intégrer différents types d’élastomères à des microstructures robotiques en silicium. Enfin, le micro-robot a été réalisé et les capacités de déplacement dans les 6 DDL en plus de la préhension ont été validées. Les applications visées des robots développées dans cette thèse sont le micro/nano-assemblage, la manipulation de cellules biologiques et la chirurgie mini-invasive, notamment en neurochirurgie. / The objective of this thesis is the development of new robots that combine dexterity, compactness and precision to perform complex micromanipulation tasks in confined environments. Thus, two parallel robotic structures have been developed. The first is a wrist that can insure 4 degrees of freedom (DOF) in rotation and the second is a redundant robot with 7 DOF. Both structures integrate the grasping function thanks to a configurable platform and a deported actuation. The kinematic study of the two robots and the experimental results validating the two architectures are presented. To miniaturize the 7 DOF robot, the mechanical joints (spherical) have been replaced by elastomeric articulations (PDMS). This solution allows, among others, to eliminate the mechanical backlash in the joints while keeping a large range of movements. However, as the behavior of such joints does not correspond perfectly to spherical joints, a model for the robot taking into account the elastic behavior of these joints has been developed. In order to made the structure on the desired scale (the cross sectional side of its legs and connections are 400 µm), a new microfabrication process in the clean room has been developed. Unlike the existing methods, the new process reduces the number of etching steps and allow the integration of different types of elastomers into silicon robotic microstructures. Finally, the micro-robot was realized and the displacement capacities in the 6 DOF with the grasping were validated. The targeted applications by the developed robots in this thesis are micro / nano-assembly, manipulation of biological cells and minimally invasive surgery, particularly in neurosurgery.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la conception et réalisation d'un robot d'assistance à la personne. Dans cette thèse, nous nous intéressons particulièrement à la conception, à la modélisation et à la commande d'un robot manipulateur mobile. La conception mécanique couplée à un outil de simulation dynamique multi-corps nous a permis d'obtenir un modèle virtuel très réaliste. Le modèle cinématique du système a été obtenu en utilisant la méthode D-H modifiée. L'approche Bond graph et la méthode de Lagrange ont permis de construire le modèle dynamique. Un algorithme hybride qui combine la pseudoinverse du jacobien et la méthode RRT a été proposé pour la planification de mouvement d'un manipulateur redondant et rechercher de configurations continues, stables et sans collision. Un contrôleur basé sur les réseaux de neurones a été introduit pour la commande coordonnée d'un manipulateur mobile. Cette méthode ne nécessite pas un modèle précis du robot. Les paramètres inconnus sont identifiés et compensés en utilisant des réseaux de neurones RBF. Un algorithme de contrôle similaire est présenté pour la commande force/position d'un manipulateur mobile qui est soumis à des contraintes holonomes et nonholonomes. L'étude de la main robotique a été effectuée séparément avant d'être couplée au reste du système. Les modèles cinématique et dynamique du système main-objet ont été obtenus en utilisant les approches mathématiques et bond graph. Un algorithme est proposé afin d'assurer une prise ferme, éviter les dérapages et suivre les mouvements désirés. Les validations des modèles et des différentes lois de commande ont été effectuées grâce à la co-simulation Matlab/modèle virtuel

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la conception et réalisation d’un robot d’assistance à la personne. Dans cette thèse, nous nous intéressons particulièrement à la conception, à la modélisation et à la commande d’un robot manipulateur mobile. La conception mécanique couplée à un outil de simulation dynamique multi-corps nous a permis d’obtenir un modèle virtuel très réaliste. Le modèle cinématique du système a été obtenu en utilisant la méthode D-H modifiée. L’approche Bond graph et la méthode de Lagrange ont permis de construire le modèle dynamique. Un algorithme hybride qui combine la pseudoinverse du jacobien et la méthode RRT a été proposé pour la planification de mouvement d’un manipulateur redondant et rechercher de configurations continues, stables et sans collision. Un contrôleur basé sur les réseaux de neurones a été introduit pour la commande coordonnée d’un manipulateur mobile. Cette méthode ne nécessite pas un modèle précis du robot. Les paramètres inconnus sont identifiés et compensés en utilisant des réseaux de neurones RBF. Un algorithme de contrôle similaire est présenté pour la commande force/position d’un manipulateur mobile qui est soumis à des contraintes holonomes et nonholonomes. L’étude de la main robotique a été effectuée séparément avant d’être couplée au reste du système. Les modèles cinématique et dynamique du système main-objet ont été obtenus en utilisant les approches mathématiques et bond graph. Un algorithme est proposé afin d’assurer une prise ferme, éviter les dérapages et suivre les mouvements désirés. Les validations des modèles et des différentes lois de commande ont été effectuées grâce à la co-simulation Matlab/modèle virtuel / The purpose of this thesis is to design, model and control of a personal assistant robot used for domestic tasks. In order to make the robot’s design more efficient, a virtual simulation system is built using dynamic simulation software. The kinematic model is set up based on modified D-H principle. The dynamic model is built using the Lagrange theorem and elaborated in Matlab. We also employ an energy-based approach for modeling and its bond graph notation ensures encapsulation of functionality, extendibility and reusability of each element of the model. A hybrid algorithm of combining the Jacobian pseudoinverse algorithm with Rapidly-Exploring Random Tree method is presented for collision-free path planning of a redundant manipulator. An intelligent robust controller based on neural network is introduced for the coordinated control of a mobile manipulator. This method does not require an accurate model of the robot. Unknown dynamic parameters of the mobile platform and the manipulator are identified and compensated in closed-loop control using RBF neural network. A similar control algorithm is presented for coordinated force/motion control of a mobile manipulator suffering both holonomic and nonholonomic constraints. Kinematics and dynamics of a dexterous hand manipulating an object with known shape by rolling contacts are derived. A computed torque control algorithm is presented to ensure firm grip, avoid slippage and well track a given motion imposed to the object. The validation of models and different control laws were made by the co-simulation Matlab / virtual model

Les travaux de cette thèse portent sur la saisie et la manipulation dextre et ont pour dénominateur commun la robustesse vis-à-vis d'un environnement incertain (méconnaissance de la géométrie de l'objet ou du préhenseur, initialisation imparfaite du système, etc). La mesure de qualité de prise permet d'évaluer la stabilité d'une saisie. Nos travaux proposent une nouvelle mesure de qualité de prise, dont le principe reste dans la continuité des méthodes les plus connues qui consistent à déterminer l'espace des torseurs dynamiques applicables sur l'objet par le préhenseur. Notre mesure cherche à déterminer cet espace quelle que soit l'incertitude qui affecte le système préhenseur/objet. On appelle cet ensemble le Reachable Wrench Space under Uncertainties (RWSU). Deux algorithmes sont proposés afin de déterminer un majorant et un minorant du RWSU. La deuxième contribution concerne l'application d'algorithmes de commande robuste aux incertitudes de modèle pour la manipulation dextre. La première méthode de commande que nous proposons est un retour d'état, permettant de répondre à la consigne de manipulation, auquel on ajoute une action dynamique, permettant de répondre aux contraintes de saisie. Le retour d'état est synthétisé suivant un problème d'optimisation avec contraintes LMI. Les contraintes LMI permettent de définir la réponse dynamique du système bouclé, et d'assurer la robustesse aux incertitudes de modèle. Une seconde méthode de commande est proposée afin d'améliorer les performances de suivi de trajectoire pour ce système MIMO en découplant le mouvement à suivre des mouvements perturbateurs résultant des couplages dynamiques entre les axes. / This thesis deals with grasping and dexterous manipulation with multifingered hands, with the robustness to uncertain environments as a common denominator.The first contribution of the present work is a new measure of the grasp quality, which is used to evaluate the stability of a grasp. In the footsteps of the most known methods which consist in determining the reachable wrench space, our measure aims to evaluate this space whatever the uncertainty which affects the gripper/object system. This new space is called Reachable Wrench Space under Uncertainty (RWSU). Two algorithms are proposed to find respectively an upper and a lower bound of the RWSU.The second contribution concerns the application of robust control algorithms for dexterous manipulation. The first control method is composed of as a state-space feedback, which enables a manipulation task, and of an additional dynamic action, allowing to respect the grasp constraints. The state-space feedback is designed for a robust regional pole placement by the resolution of an optimization problem under LMI constraints. The LMI constraints define the dynamic response of the system in closed loop, and ensure the robustness with respect to model uncertainties. A second control method, based on eigenstructure assignment, is proposed to improve the trajectory tracking for the MIMO system. The eigenstructure assignment decouples the movement of the task from the disturbing movements resulting from the dynamic coupling between the axes.

Nous nous intéressons à la conception des mains mécaniques anthropomorphes destinées à manipuler des objets dans un environnement humain. Via l'analyse du mouvement de sujets humains lors d'une tâche de manipulation de référence, nous proposons une méthode pour évaluer la capacité des mains robotiques à manipuler les objets. Nous montrons comment les rapports de couplage angulaires entre les articulations et les limites articulaires, influent sur l'aptitude à manipuler dynamiquement des objets. Nous montrons également l'impact du poignet sur les tâches de manipulation rapides. Nous proposons une stratégie pour calculer les forces de manipulation en bout de doigts et dimensionner les moteurs d'un tel préhenseur. La méthode proposée est dépendante de la tâche visée et s'adapte à tout type de mouvement dès lors qu'il peut être capturé et analysé. Dans une deuxième partie, consacrée aux robots manipulateurs, nous élaborons des algorithmes de commande optimale. En considérant l'énergie cinétique du robot comme une métrique, le modèle dynamique est formulé sous forme tensorielle dans le cadre de la géométrie Riemannienne. La discrétisation temporelle est basée sur les Éléments Finis d'Hermite. Nous intégrons les équations de Lagrange du mouvement par une méthode de perturbation. Des exemples de simulation illustrent la superconvergence de la technique d'Hermite. Le critère de contrôle est choisi indépendant des paramètres de configuration. Les équations de la commande associées aux équations du mouvement se révèlent covariantes. La méthode de commande optimale proposée consiste à minimiser la fonction objective correspondant au critère invariant sélectionné. / We focus on the design of anthropomorphous mechanical hands destined to manipulate objects in a human environment. Via the motion analysis of a reference manipulation task performed by human subjects, we propose a method to evaluate a robotic hand manipulation capacities. We demonstrate how the angular coupling between the fingers joints and the angular limits affect the hands potential to manipulate objects. We also show the influence of the wrist motions on the manipulation task. We propose a strategy to calculate the fingertip manipulation forces and dimension the fingers motors. In a second part devoted to articulated robots, we elaborate optimal control algorithms. Regarding the kinetic energy of the robot as a metric, the dynamic model is formulated tensorially in the framework of Riemannian geometry. The time discretization is based on the Hermite Finite Elements.A time integration algorithm is designed by implementing a perturbation method of the Lagrange's motion equations. Simulation examples illustrate the superconvergence of the Hermite's technique. The control criterion is selected to be coordinate free. The control equations associated with the motion equations reveal to be covariant. The suggested control method consists in minimizing the objective function corresponding to the selected invariant criterion.

L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue. / Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.