Les singularités sont des poses particulières où le robot ne peut être contrôlé et ou les efforts subis par les articulations du mécanisme peuvent tendre vers l'infini ce qui entraine alors une détérioration du mécanisme. Bien que ces dernières années de larges avancées dans la classification et la détection des singularités aient eu lieu la question de la proximité d'une pose à une pose singulière reste ouverte. Dans cette thèse nous tentons d'y répondre avec une approche basée sur la statique. En effet si pour une pose donnée les efforts subis par les articulation restent inférieur à un certain seuil, on pourra affirmer que le robot ne subira pas de détérioration et nous le considérons comme assez éloigné d'une pose singulière. Dans un premier temps, nous proposons un algorithme qui calcule, pour un robot plan dont l'orientation est fixée et dont la plate-forme supporte une charge connue, la frontière de la région pour laquelle on assure l'intégrité physique du manipulateur. Cet algorithme étant difficile à étendre pour des robots à plus de 3 degrés de libertés, nous en proposons un second basé sur l'analyse par intervalles.

Les robots industriels, bien connus pour être des systèmes de fabrication flexibles et agiles, atteignent leurs limites lorsqu'il s'agit d'effectuer des tâches sur des pièces de grande taille (par exemple: les pièces longues et minces de l'industrie aéronautique). Pour ce type des tâches, les solutions existantes sont à leurs limites: les bras manipulateurs à base fixe souffrent d'un espace de travail trop limité; les bras manipulateurs montés sur véhicule ne sont pas assez précis; les machines-outils conventionnelles doivent être conçus à méga-échelle (plusieurs dizaines de mètres). Dans la cadre de cette thèse de doctorat, nous avons proposé des solutions robotiques innovantes qui combinent la capacité de marcher (ou de grimper) sur la pièce (ou sur le montage d'usinage) avec la capacité d'usiner. De l'analyse de la topologie et de la mobilité à la modélisation géométrique et cinématique, ainsi que la proposition d'algorithmes de contrôle innovants, des robots ont été proposés et étudiés pour la réalisation des tâches d'usinage ainsi que des tâches de locomotion. Un prototype a été construit qui témoigne de la pertinence de ce concept innovant. Il repose sur une architecture parallèle à actionnement redondant (8 moteurs pour 6 degrés de liberté) et combine moteurs, freins, dispositifs de bridage et de nombreux capteurs de position. Le prototype peut se fixer sur le montage d'usinage, réaliser ses tâches de fabrication, puis modifier sa configuration pour devenir un robot marcheur capable d'atteindre la zone de travail suivante. / Industrial robots, well known as flexible and agile manufacturing systems, reach their limits when dealing with very large workpieces (e.g.: very long and slender parts found in aeronautics industry). For such tasks, existing solutions are at their limits: stationary manipulator arms suffer from a too limited workspace; manipulators mounted on a vehicle are not accurate enough; classical machine-tools must be designed at mega-scale (several tens of meters). This thesis work aims at offering an innovative robotic solution that combines the ability to walk (or climb) on the workpiece (or on the tooling that supports the workpieces) together with manufacturing ability. From the topology and mobility analysis to the geometrics and kinematics modeling, as well as innovative control algorithms proposition, the proposed mobile manufacturing robots have been studied for achieving both machining and locomotion tasks. A prototype has been built to show the concept effectiveness . It is based on a parallel mechanism with actuation redundancy (8 motors for 6 degrees-of-freedom), combining motors, brakes, clamping devices and numerous position sensors. The robot can clamp itself on the manufacturing tooling, and then change its configuration to become a walking robot able to reach the next working area.

Dans cette thèse, un stabilisateur actif est conçu pour être embarqué sur la plate-forme d'un Robot Parallèle à Câbles (RPC) et compenser les vibrations de la plate-forme en produisant un torseur d’effort sur celle-ci. Tout d’abord, une modélisation mécanique de divers dispositifs de stabilisation actifs permet de choisir une solution appropriée à la compensation des vibrations. La solution sélectionnée consiste en un stabilisateur composé de bras en rotation. Ensuite, ce modèle est utilisé pour optimiser la structure du stabilisateur en recherchant quelle disposition de ses bras permet de maximiser la puissance fournie par le stabilisateur à la plate-forme mobile du RPC.Une stratégie de commande est alors proposée pour contrôler le système composé de la plate-forme mobile du RPC et du stabilisateur actif embarqué. Ce système étant constitué de deux parties fonctionnant à des échelles de temps différentes, la théorie de la perturbation singulière est utilisée pour prouver la stabilité de la commande proposée.Enfin, des expériences en simulation permettent de valider l’utilisation d’un stabilisateur actif embarqué pour la compensation des vibrations de la plate-forme mobile d’un RPC et commandé avec la loi de commande proposée dans cette thèse. / In this thesis, an active stabilizer is designed to be embedded on the platform of a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) and to damp vibrations affecting the platform by producing a wrench on it.First, a mechanical modeling of various active stabilization devices allows the choice of an appropriate solution for vibration damping. The selected solution consists of a stabilizer composed of rotating arms. Then, this model is used to optimize the stabilizer structure by looking at which arm arrangement maximizes the power delivered by the stabilizer to the CDPR mobile platform.A control strategy is then proposed for the system consisting of the CDPR mobile platform and the embedded active stabilizer. As this system consists of two parts operating at different time scales, the singular perturbation theory is used to prove the stability of the proposed control.Finally, simulation experiments make it possible to validate the use of an on-board active stabilizer to damp the vibrations of the mobile platform of a CDPR, and controlled with the control law proposed in this thesis.

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.

Dans le but d'améliorer la précision de positionnement statique des manipulateurs à structure parallèle, nous proposons pour ces structures un modèle qui n'est plus uniquement géométrique, mais élastogéométrique. Les paramètres de ce modèle sont identifiés au cours d'une phase d'étalonnage dédiée. Ces stratégies de modélisation et d'étalonnage sont appliquées à une structure parallèle Delta. La modélisation géométrique faisant intervenir 42 paramètres, intègre de possibles défauts de géométries des parallélogrammes. Le modèle de déformation élastique proposé est fondé sur une analyse de la rigidité des structures parallèles par éléments finis qui, grâce à 6 paramètres préalablement identifiés, prend en compte la raideur des liaisons passives de la structure. Des validations expérimentales montrent que l'identification des paramètres de ce modèle élasto-géométrique permet d'accroître la précision de positionnement statique de la structure, et ce, quel qu'en soit son chargement.

Le travail mené dans cette thèse est une contribution au développement mécatronique d'interfaces haptiques pour un système de télé-opération dédié aux applications médicales du type chirurgie mini-invasive. Dans un premier temps, nous avons mené une évaluation d'une interface « maître » existante, ayant une architecture parallèle sphérique et développée au sein de l'équipe robotique de l'Institut PPRIME. Cette évaluation a montré la présence de singularités, en particulier des singularités parallèles, à l'intérieur de l'espace du travail de l'interface. La présence de singularités altère le comportement cinématique en amplifiant les erreurs de résolution du modèle géométrique direct d'une part et les couples actionneurs lors du retour d'effort d'autre part. Dans un deuxième temps, différentes approches ont été proposées pour résoudre les problèmes liés à la présence des singularités. La première approche a consisté à utiliser la redondance de capteurs et la redondance d'actionneurs pour palier à ces effets dans la structure existante. Dans la seconde approche, nous avons proposé une nouvelle architecture mécanique optimale qui élimine les singularités présentent dans l'espace de travail. Les résultats obtenus, avec cette nouvelle structure à travers les essais expérimentaux réalisés sur le prototype, sont conformes aux objectifs fixés. Les deux interfaces haptiques ont été utilisées pour contrôler avec succès un robot dédié à la chirurgie mini-invasive. Le comportement du système global « robot esclave interface haptique » ouvre des perspectives prometteuses aussi bien pour de futures études scientifiques que pour un transfert industriel. / A contribution for a development of haptic devices for tele-operation system is presented in this thesis. This device is dedicated for medical applications such as minimally invasive surgery tasks. In one first step, an evaluation of the existing master device is carried out. This device has a spherical parallel architecture and has been developed within the robotics team of PPRIME Institute. The evaluation of this device has shown the presence of parallel singularities located in its workspace. This singularity alters the kinematic behavior of the structure by amplifying the errors in solving the forward kinematics and amplifying the actuator torques for the haptic feedback. In a second step, different approaches have been proposed to solve the problems related to the presence of the singularities. The first approach consists in using redundancy of sensors and actuators for the existing structure in order to overcome the effects of singularities. In the second approach, we have proposed a new optimal mechanical architecture that eliminates the singularity. The results obtained with this new structure through the experimental testing of the prototype, are in accordance with the expected ones. The two haptic devices have been used to successfully control a robot dedicated to minimally invasive surgery. The behavior of the overall system "robot and haptic device" opens up promising prospects for future studies as well as for industrial transfer.

Les Robots Parallèles à Câbles sont des robots possédant un effecteur relié à une base uniquement à l’aide de câbles, dont il est possible de modifier la longueur. Ils sont ainsi légers, capables de grandes dynamiques et peuvent présenter un énorme espace de travail.Mais ils sont sujets à des vibrations de grande amplitude et basse fréquence à cause de leur rigidité très faible. Cette thèse propose une approche originale d'amortissement actif pour atténuer efficacement ces vibrations. Le modèle dynamique du robot à câbles embarquant des roues à inertie est calculé, linéarisé autour d'un point d'équilibre et projeté dans l'espace modal dans lequel les vibrations sont découplées. Une commande par placement de pôles adapté à la fréquence naturelle de vibrations est appliquée pour chaque mode. Les résultats sur une simulation et deux prototypes sont présentés pour valider cette approche. / Cable-driven parallel robots use cables only to connect a fixed base to a mobile end-effector. Robot motion is obtained by winding the cables around pulleys to alter their length. Thus, cable-driven parallel robots are lightweight, can achieve very high dynamics and exhibit a very large workspace.Therefore, they are subject tp high magnitude and low frequency vibrations, because of their very low end-effector stiffness.This thesis proposes a novel approach for effective active damping of those vibrations.The dynamical model of a cable-driven parallel robot embedding reaction wheels is derived, lineraized around an equilibrium point and projected onto modal space, in which vibrations are decoupled.For each vibration mode, a control algorithm designed by poles placement adapted to the associated vibration natural frequency is applied for active vibration damping.Experiments conducted on a realistic simulation and two prototypes are presented to validate this approach.

Ce mémoire concerne la télé-échographie robotisée, vue comme un ensemble de plusieurs modules (poste maître, poste esclave, communication, image, visio-conférence, retour haptique, etc.). Le travail s'inscrit dans le cadre de la conception, du développement et de l'évaluation d.un tel système et concerne plus spécialement le poste esclave. Une présentation générale de la télé-échographie robotisée est fournie afin d.ensuite se focaliser sur l'architecture du robot esclave dont deux prototypes TER1 et TER2 sont présentés. Le robot porte-sonde possède 6ddl (degrés de liberté). Le premier prototype peut être considéré comme un robot parallèle ayant une structure pour la translation du robot et une autre pour son orientation. Le deuxième prototype est considéré comme un robot hybride dont la structure pour la translation est un sous-système parallèle et celle de l.orientation peut être considérée comme une structure série. Les deux prototypes sont des robots non rigides avec transmission par câbles. Le coeur de ce travail concerne cette nouvelle architecture qui est proposée tout en respectant les consignes de légèreté, compliance et portabilité. En effet, un des objectifs de ce système est de pouvoir être utilisé là où d'habitude il n'existe pas d'experts médicaux qui puissent réaliser l'examen échographique. Un modèle géométrique inverse est développé pour chaque prototype afin de déduire les longueurs des câbles dont on peut déduire les déplacements (translation et orientation) du robot sur le corps du patient. Pour le premier prototype, une loi de commande du type PIDA (Proportionnelle, Intégrale et Dérivative avec un terme d'Anticipation) est utilisée. Le robot TER2 utilise une commande articulaire en boucle fermée. Des tests et des expériences in-vitro et in-vivo ont été réalisés et sont présentés dans ce mémoire, incluant des expériences locales et à distance (Grenoble-Toulouse, Grenoble-Brest, Grenoble-Toulon). Des résultats encourageants et l'avis favorable des médecins pour l'utilisation de ce type de système lors des expériences ont été obtenus

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l 'étude d'un micro-robot destiné à la mise en oeuvre d'une technique de chirurgie mini-invasive pour le traitement des anévrismes de l'artère aorte abdominale. Ce micro-robot placé à l'extrémité d'un cathéter, rendant ce dernier actif, permettra la navigation à l'intérieur de l'artère en évitant les contacts avec les parois de celle-ci. Le système sera destiné à l'apprentissage du geste chirurgical et à l'assistance du chirurgienpendant l'opération. De par sa structure et ses propriétés physiques, le micro-robot, pouvantêtre composé de plusieurs modules élémentaires, entre dans la catégorie des robots continuum. Dans notre étude, un module élémentaire est considéré comme étant un robot parallèle. Lesmodèles géométriques et cinématiques inverses ont alors été établis en utilisant les techniques dela robotique parallèle. L'approche de modélisation proposée permet de faire ressortir explicitement du modèle les paramètres géométriques du micro-robot. Une étude sur l'identificationde ces paramètres a été effectuée par le calibrage du modèle géométrique inverse. Des résultatsde simulation sont présentés validant d'une part les modèles développés et d'autre part la méthode de calibrage proposée. Afin de mettre nos modèles en situation, nous avons développé unsimulateur tridimensionnel intégrant le modèle d'un segment de l'artère, le modèle du micro-robotet un syntaxeur à retour de force. La mise en place d'une navigation active, planifiée etguidée dans ce simulateur permet de contraindre les gestes du chirurgien lors de la navigation du micro-robot à l'intérieur de l'artère

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l 'étude d'un micro-robot destiné à la mise en oeuvre d'une technique de chirurgie mini-invasive pour le traitement des anévrismes de l'artère aorte abdominale. Ce micro-robot placé à l'extrémité d'un cathéter, rendant ce dernier actif, permettra la navigation à l'intérieur de l'artère en évitant les contacts avec les parois de celle-ci. Le système sera destiné à l'apprentissage du geste chirurgical et à l'assistance du chirurgienpendant l'opération. De par sa structure et ses propriétés physiques, le micro-robot, pouvantêtre composé de plusieurs modules élémentaires, entre dans la catégorie des robots continuum. Dans notre étude, un module élémentaire est considéré comme étant un robot parallèle. Lesmodèles géométriques et cinématiques inverses ont alors été établis en utilisant les techniques dela robotique parallèle. L'approche de modélisation proposée permet de faire ressortir explicitement du modèle les paramètres géométriques du micro-robot. Une étude sur l'identificationde ces paramètres a été effectuée par le calibrage du modèle géométrique inverse. Des résultatsde simulation sont présentés validant d'une part les modèles développés et d'autre part la méthode de calibrage proposée. Afin de mettre nos modèles en situation, nous avons développé unsimulateur tridimensionnel intégrant le modèle d'un segment de l'artère, le modèle du micro-robotet un syntaxeur à retour de force. La mise en place d'une navigation active, planifiée etguidée dans ce simulateur permet de contraindre les gestes du chirurgien lors de la navigation du micro-robot à l'intérieur de l'artère / In this thesis, we are interested in a micro-robot study for the implementation of a mini-invasivesurgery technique. The medical application concerns the treatment of the artery abdominal aorta aneurysms. This micro-robot located at the extremity of the catheter permits thecatheter movements into the artery avoiding minimizing contacts with the artery walls. The system can be used for the surgical gesture learning and for the surgeon assistance during the medical operation. Because of its structure and its physical properties the micro-robot is considered as a continuum robot. It is composed of one or several elementary modules. In our study we consider each elementary module as a parallel robot. Then the inverse kinematics model has been established by using techniques of parallel robotics. The proposed modelling approach allows the expression of the model according to the micro-robot geometric parameters. A study on the identification of these parameters has been developed by an inverse geometric modelcalibration. The given simulation results validate the developed models on the one hand, the proposed calibration method on the other hand. We have developed a three-dimensional simulator integrating the model of an artery segment, the micro-robot model, and a joystick with force feedback. The implementation of active, planned and guided navigation on this simulator allows to constrain the surgeon gestures during the movements of the micro-robot inside the artery