The subject of the thesis is the design and implementation of a modular control system environment, which could be used in robotics. Both autonomous and guided robots are supported. The higher-level software com- ponents like localization, steering, decision making, etc. are effectively sepa- rated from the underlying hardware devices and their communication protocols in the environment. Based on the layered design, hardware-independent algo- rithms can be implemented. These can run on different hardware platforms just by exchanging specific device drivers. Written in C++ using standard libraries, the final software is highly portable and extensible. Support for new platforms and hardware modules can be implemented easily. The whole sys- tem was tested on two robots and the particular instances of the systems built using this development environment are included in the solution and partially described in the thesis.

This thesis addresses the problem of wireless transmission between the operator station and the robot. There is a solution presented by way of testing the parameters of wireless modules, compare them in the environment and the draft protocol.

Au cours des dernières années, nous avons assisté à un changement de paradigme, passant de la fabrication de robots rigides à des robots compliants. Ceci est dû à plusieurs raisons telles que l'amélioration de l'efficacité des robots dans la réalisation des mouvements explosifs ou cycliques. En fait, l'une des premières motivations à l'origine de ce changement est la sécurité. Parlant de la sécurité à la fois du sujet humain et du robot, tout en s'engageant dans des tâches collaboratives. Ainsi la désignation des cobots. Les cobots peuvent aider un opérateur humain expérimenté dans plusieurs domaines où la précision est essentielle, comme les applications industrielles ou les tâches médicales. Jusqu'à présent, les cobots présentent toujours des problèmes de sécurité, même avec des recommandations réglementaires telles que ISO / TS 15066 et ISO 10218-1 et 2 qui limitent leurs avantages économiques. Dans cette vue, plusieurs projets de recherche ont été lancés dans le monde entier pour améliorer la dynamique des cobots par rapport à la sécurité, ANR-SISCob (Safety Intelligent Sensor for cobots) étant l'un de ces projets. Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour but de concevoir des dispositifs de sécurité qui sécuriseront les robots en y introduisant l’aspect de compliance. En effet, nous avons développé deux dispositifs dans lesquels l'aspect sécurité est atteint avec deux approches différentes :- Prismatic Compliant Joint (PCJ) : qui vise à la mise en œuvre dans les articulations linéaires, car peu de travaux ont traité de tels systèmes d'actionnement. Ici, la sécurité est atteinte biomimétiquement tout en faisant face à d'autres critères de sécurité liés aux propriétés mécaniques du corps humain.- Variable Stiffness Safety Oriented Mechanism (V2SOM) : Contrairement au premier dispositif d'inspiration biomimétique qui sert aux systèmes d'actionnement linéaires, le profil de sécurité du V2SOM est axé sur la sécurité selon deux critères de sécurité: force d’impact et HIC. L'aspect ‘orienté sécurité’ est dû à ce que nous appelons la capacité de découplage d'inertie de son profil de rigidité. V2SOM est actuellement dans ses dernières étapes de brevetage.Ces deux appareils seront intégrés dans un robot sériel réalisé dans notre laboratoire. / In the recent years, we witnessed a paradigm shift from making stiff robots toward compliant ones. This is due to several reasons such as enhancing the efficiency of robots in making explosive or cyclic motion. In fact, one of the earliest motivations from which this change stems are safety. Speaking of safety of both the human subject and the robot alike, while engaging in a collaborative task. Thus, the designation of cobots. Cobots may assist well-experienced human operator in several domains where precision is a must, such as industrial applications or medical tasks. Until now cobots still display safety concerns, even with regulatory recommendations such as ISO/TS 15066 and ISO 10218-1 et 2 that limits their economic benefits. In this view, several research projects were launched worldwide to enhance the cobot’s dynamics vs safety, ANR-SISCob (Safety Intelligent Sensor for cobots) is one of these projects. The works conducted during this thesis aims at making safety devices that will make robots safe by introducing compliance aspect in them. Indeed, we developed two devices in which safety aspect is achieved with two different approaches: - Prismatic Compliant Joint (PCJ): is aimed at prismatic joint’s implementation, as few works have dealt with such actuation systems. Herein, safety is biomimetically attained while coping with other safety criteria related to the mechanical properties of human body. - Variable Stiffness Safety Oriented Mechanism (V2SOM): Unlike the first device that’s biomimetically inspired and serves at linear actuation systems, V2SOM’s safety profile is safety oriented according to two safety criteria Impact force and HIC, and is designed for rotary actuation. The safety oriented aspect is due to what we call inertia decoupling capacity of its stiffness profile. V2SOM is currently in its final patenting process.Both devices will be integrated in serial robot built in our lab.

La cobotique est un domaine émergeant qui offre de nouvelles perspectives pour améliorer la performance des entreprises et la santé des hommes au travail, en alliant l'expertise et les capacités cognitives des opérateurs aux atouts des robots. Dans cette thèse la cobotique est positionnée comme le domaine de la collaboration homme-robot. Nous définissons les systèmes cobotiques comme des systèmes au sein desquels l'homme et le robot interagissent pour réaliser une tâche commune.Cette thèse d'ingénierie robotique a été réalisée en binôme avec Théo Moulières-Seban, doctorant en cognitique. Ces deux thèses Cifre ont été menées avec Safran et ArianeGroup qui ont reconnu la cobotique comme stratégique pour le développement de leur compétitivité. Pour étudier et développer les systèmes cobotiques, nous avons proposé conjointement une approche méthodologique interdisciplinaire appliquée à l'industrie et validée par nos encadrants académiques. Cette approche offre une place centrale à l'intégration des futurs utilisateurs dans la conception, à travers l'analyse de leur activité de travail et la réalisation de simulations participatives. Nous avons déployé cette démarche pour répondre à différents besoins industriels concrets chez ArianeGroup.Dans cette thèse, nous détaillons la conception d'un système cobotique pour améliorer la santé et la sécurité des opérateurs sur le poste de nettoyage des cuves de propergol. Les opérations réalisées sur ce poste sont difficiles physiquement et présentent un risque pyrotechnique. Conjointement avec l'équipe projet ArianeGroup, nous avons proposé un système cobotique de type téléopération pour conserver l'expertise des opérateurs tout en les plaçant en sécurité pendant la réalisation des opérations pyrotechniques. Cette solution est en cours d'industrialisation dans la perspective de la production du propergol des fusées Ariane.L'application de notre démarche d'ingénierie des systèmes cobotiques sur une variété de postes de travail et de besoins industriels nous a permis de l'enrichir avec des outils opérationnels pour guider la conception. Nous prévoyons que la cobotique soit une des clés pour replacer l'homme au cœur des moyens de production dans le cadre de l'Usine du futur. Réciproquement, l'intégration des opérateurs dans les projets de conception sera déterminante pour assurer la performance et l'acceptation des futurs systèmes cobotiques. / Human Robot Collaboration provides new perspectives to improve companies' performance and operators' working conditions, by bringing together workers expertise and adaptation capacity with robots' power and precision. In this research, we introduce the concept of "cobotic system", in which humans and robots -- with possibly different roles -- interact, sharing a common purpose of solving a task.This robotic engineering PhD thesis has been completed as a team with the cognitive engineer Théo Moulières-Seban. Both PhD thesis were conducted under the leadership of Safran and ArianeGroup, which have recognized Human Robot Collaboration has strategic for their industrial performance. Together, we proposed the "cobotic system engineering": a cross-disciplinary approach for cobotic system design. This approach was applied to several industrial needs within ArianeGroup.In this thesis, we detail the design of a cobotic system to improve operators' health and safety on the "tank cleaning" workstation. We have proposed a teleoperation cobotic system to keep operators' expertise while placing them in a safe place to conduct operations. This solution is now under an industrialization phase for the production of Ariane launch vehicles.We argue that thanks to their flexibility, their connectivity to modern workshops' technological ecosystem and their ability to take humans into account, cobotic systems will be one of the key parts composing the Industry 4.0.

Cette thèse porte sur le développement de lois de commande pour la marche desrobots bipèdes. Le sous actionnement engendré par le basculement, volontaire ouinvolontaire, du pied en appui sur le sol représente une difficulté majeure. Nousabordons ce problème par l’étude de robots plans avec pieds ponctuels.La première partie de la thèse est une compilation des informations issuesde la littérature que nous avons jugées intéressantes. Nous traitons dans unpremier temps de la modélisation adoptée, puis effectuons une revue des différentesméthodes existantes, et présentons la mise en oeuvre expérimentale de l’une d’entre elle : la méthode HZD.Dans une deuxième partie, nous procédons à une étude de la dissipation relativede l’énergie cinétique du robot lorsque le pied impacte le sol. Nous utilisons les résultats issus de cette étude pour planifier des trajectoires de marche dissipant peu d’énergie. De telles trajectoires ont a priori le mérite de préserver la structure du robot et de générer moins de bruit. A contrario, des trajectoires dissipant la majorité de l’énergie du robot sont utilisées pour un arrêt rapide. Une étude numérique a montré que ces résultats sont robustes à des incertitudes de modèle.Enfin, dans une dernière partie, afin de compenser les difficultés liées au sousactionnement, nous proposons d’utiliser le degré de liberté supplémentaire offert par un changement de l’échelle de temps dans les équations de la dynamique (Time Scaling) pour la classe de robots considérée. En utilisant par ailleurs un changement de coordonnées et de feedback, nous dérivons de nouvelles formes normales exactes et approximatives. / This thesis addresses the general problem of the walking control of biped robots. The foot of the robot in contact with the ground may tip over and cause the robot to be undercatuated. This is a major difficulty in term of control. This problem is addressed by considering planar biped robots with point feet.In a first part, we present a standard way of modeling such systems, a litterature review of the existing methods, and then report experimental results of the walking control of a biped robot using the HZD method.In a second part, we perform an analytic and numeric study of the relativekinetic energy dissipation when the foot of the robot impacts the ground. Usingthis study, we design trajectories with low energy dissipation at impact, which a priori result in gaits preserving the hardware of the robot and causing less noise. On the contrary, trajectories dissipating almost all the kinetic energy are used to quickly stop the robot.Finally, in an attempt to alleviate the burden due to underactuation, we proposeto investigate the additional degree of freedom provided, in the control design, by a change of time scale in the dynamic equations (Time-Scaling) for the considered class of biped robots. Using feedback transformations, we derive new exact and approximative normal forms.

The content of this thesis is focused on the performance evaluation of the DeLaval milking robot in the selected stable. For this work was chosen the family farm stable of Mr. Šítal in the village Mojné. Selected parameters of milking robotic were monitored from 19.9.2018 to 18.3.2019 and on the base of these parameters was evaluated efficiency of the equipment. In this time were followed numbers of milked cows per 24 hours, the average numbers of milking on one cow, the average milking time and daily milk utility. In the selected stable were in a half-year time milked averagely 44 cows with frequency 2,62 utilizations the milking robot per day. The milking took averagely 7 minutes and 40 seconds. Milking utilization was 30,70 liters on one cow per day and total milk herd was 1353,01 liters of milk per day.

Avant de pouvoir interagir avec l'homme, les robots humanoïdes doivent encore être largement améliorés, tant au niveau de leur modélisation, de leur commande que de leur conception. Contrairement aux robots manipulateurs la notion de centre de masse est prédominante chez les robots humanoïdes et sera au centre de la gestion de leur équilibre. C'est donc dans ce cadre que s'inscrit cette thèse dont le but est de proposer une modélisation précise du centre de masse des robots humanoïdes dont la complexité ne cesse d'augmenter. En effet les modèles utilisés aujourd'hui pour définir la trajectoire du centre de masse sont des modèles simplifiés des robots humanoïdes. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de trois contributions majeures : la modélisation cinématique et dynamique ainsi que l'estimation du centre de masse de robots humanoïdes. La première contribution propose une transformation de la structure arborescente de l'humanoïde en une chaîne virtuelle série localisant son centre de masse et permettant une commande cinématique adaptée de ce dernier. La dynamique du robot est ensuite exprimée en son centre de masse permettant ainsi une description exacte de ses accélérations. À ce titre, le concept de manipulabilité dynamique du centre de masse est introduit. Enfin grâce à la modélisation sous forme de chaîne virtuelle, une méthodologie qui s'impose aujourd'hui comme référence dans le domaine de l'estimation du centre de masse chez l'humain est proposée. De nombreuses expérimentations illustrent tout au long de cette thèse l'application et l'utilité de ces travaux. / Before they can interact with men, humanoid robots must be strongly enhanced in their modeling, their control and their design. Contrary to manipulator robots, the notion of center of mass is predominant in humanoid robots and will be central to the management of their balance. In this context, this thesis aims to provide accurate modeling of the center of mass of humanoid robots, whose complexity is increasing. Indeed, the models used today to determine the trajectory of center of mass are simplified models of humanoid robots. The works of this thesis revolve around three major contributions : kinematics and dynamics modeling as well as the estimation of the center of mass of humanoid robots. The first part proposes a transformation of the tree structure of the humanoid in a virtual serial chain locating its center of mass and allowing an adapted control of the latter. The dynamics of the robot is then expressed in the center of mass space allowing an accurate description of its acceleration. As such, the concept of dynamic manipulability of the center of mass is introduced. Finally, through the modeling in a virtual chain, a methodology that is today a reference in the field of center of mass estimation in humans is proposed. Many experiments show throughout this thesis the application and usefulness of this work.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Européen intégré VERE (Virtual Embodiement and Robotics re-Embodiement). Il s'agit de proposer une architecture logicielle intégrant un ensemble de stratégies de contrôle et de retours informationnels basés sur la "fonction tâche" pour incorporer (embodiment) un opérateur humain dans un humanoïde robotique ou un avatar notamment par la pensée. Les problèmes sous-jacents peuvent se révéler par le démonstrateur suivant (auquel on souhaite aboutir à l'issue de cette thèse). Imaginons un opérateur doté d'une interface cerveau-ordinateur ; le but est d'arriver à extraire de ces signaux la pensée de l'opérateur humain, de la traduire en commandes robotique et de faire un retour sensoriel afin que l'opérateur s'approprie le "corps" robotique ou virtuel de son "avatar". Une illustration cinématographique de cet objectif est le film récent "Avatar" ou encore "Surrogates". Dans cette thèse, on s'intéressera tout d'abord à certains problèmes que l'on a rencontré en travaillant sur l'utilisation des interfaces cerveau-ordinateur pour le contrôle de robots ou d'avatars, par exemple, la nécessité de multiplier les comportements ou les particularités liées aux retours sensoriels du robot. Dans un second temps, nous aborderons le cœur de notre contribution en introduisant le concept d'interface cerveau-ordinateur orienté objet pour le contrôle de robots humanoïdes. Nous présenterons ensuite les résultats d'une étude concernant le rôle du son dans le processus d'embodiment. Enfin, nous montrerons les premières expériences concernant le contrôle d'un robot humanoïde en interface cerveau-ordinateur utilisant l'électrocorticographie, une technologie d'acquisition des signaux cérébraux implantée dans la boîte crânienne. / This thesis is part of the European project VERE (Virtual Embodiment and Robotics re-Embodiment). The goal is to propose a software framework integrating a set of control strategies and information feedback based on the "task function" in order to embody a human operator within a humanoid robot or a virtual avatar using his thoughts. The underlying problems can be shown by considering the following demonstrator. Let us imagine an operator equipped with a brain-computer interface; the goal is to extract the though of the human operator from these signals, then translate it into robotic commands and finally to give an appropriate sensory feedback to the operator so that he can appropriate the "body", robotic or virtual, of his avatar. A cinematographic illustration of this objective can be seen in recent movies such as "Avatar" or "Surrogates". In this thesis, we start by discussing specific problems that we encountered while using a brain-computer interface for the control of robots or avatars, e.g. the arising need for multiple behaviours or the specific problems induced by the sensory feedback provided by the robot. We will then introduce our main contribution which is the concept of object-oriented brain-computer interface for the control of humanoid robot. We will then present the results of a study regarding the role of sound in the embodiment process. Finally, we show some preliminary experiments where we used electrocorticography (ECoG)~--~a technology used to acquire signals from the brain that is implanted within the cranium~--~to control a humanoid robot.

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.

This thesis puts forward a novel way of control for robotic morphologies. Taking inspiration from Behaviour Based robotics and self-organisation principles, we present an interfacing mechanism, capable of adapting both to the user and the robot, while enabling a paradigm of intuitive control for the user. A transparent mechanism is presented, allowing for a seamless integration of control signals and robot behaviours. Instead of the user adapting to the interface and control paradigm, the proposed architecture allows the user to shape the control motifs in their way of preference, moving away from the cases where the user has to read and understand operation manuals or has to learn to operate a specific device. The seminal idea behind the work presented is the coupling of intuitive human behaviours with the dynamics of a machine in order to control and direct the machine dynamics. Starting from a tabula rasa basis, the architectures presented are able to identify control patterns (behaviours) for any given robotic morphology and successfully merge them with control signals from the user, regardless of the input device used. We provide a deep insight in the advantages of behaviour coupling, investigating the proposed system in detail, providing evidence for and quantifying emergent properties of the models proposed. The structural components of the interface are presented and assessed both individually and as a whole, as are inherent properties of the architectures. The proposed system is examined and tested both in vitro and in vivo, and is shown to work even in cases of complicated environments, as well as, complicated robotic morphologies. As a whole, this paradigm of control is found to highlight the potential for a change in the paradigm of robotic control, and a new level in the taxonomy of human in the loop systems.