Les robots industriels ont évolué fondamentalement ces dernières années pour répondre aux exigences industrielles de machines et mécanismes toujours plus performants. Ceci se traduit aujourd’hui par de nouveaux robots anthropomorphes plus adaptés laissant entrevoir la réalisation de tâches plus complexes comme la découpe d’objets déformables telle que la découpe de viande ou soumis à de fortes sollicitations comme l’usinage. L’étude du comportement des robots anthropomorphes, à structures parallèles ou hybrides montre une anisotropie aussi bien cinématique, que dynamique, impactant la précision attendue. Ces travaux de thèse étudient l’intégration des redondances cinématiques qui permettent de pallier en partie ce problème en positionnant au mieux la tâche à réaliser dans un espace de travail compatible avec les capacités attendues. Ces travaux ont suivi une démarche en trois étapes : la modélisation analytique de cellules robotiques par équivalent sériel basée sur la méthode TCS, la formalisation des contraintes des processus de découpe de viande et d’usinage et une résolution par optimisation multicritère. Une première originalité de ces travaux réside en le développement d’un modèle à 6 degrés de liberté permettant d’analyser les gestes de l’opérateur qui optimise naturellement le comportement de son bras pour garantir la tâche qu’il réalise. La seconde originalité concerne le placement optimisé des redondances structurales (cellules à 9 ddls) où les paramètres de positionnement sont incorporés comme des variables pilotables (cellule à 11 ddls). Ainsi, ces travaux de thèse apportent des contributions à : - la définition de critères adaptés à la réalisation de tâches complexes et sollicitantes pour la gestion des redondances cinématiques ; - l’identification du comportement des structures sous sollicitations par moyen métrologique (Laser tracker) et l’auto-adaptation des trajectoires par l’utilisation d’une commande en effort industrielle ; - l’optimisation du comportement permettant l’amélioration de la qualité de réalisation des différents processus de coupe (découpe de viande et usinage). / Industrial robots have evolved fundamentally in recent years to reach the industrial requirements. We now find more suitable anthropomorphic robots leading to the realization of more complex tasks like deformable objects cutting such as meat cutting or constrained to high stresses as machining. The behavior study of anthropomorphic robots, parallel or hybrid one highlights a kinematic and dynamic anisotropy, which impacts the expected accuracy. This thesis studied the integration of the kinematic redundancy that can partially overcome this problem by well setting the task to achieve it in a space compatible with the expected capacity. This work followed a three-step approach: analytical modeling of robotic cells by serial equivalent based on the TCS method, formalizing the constraints of meat cutting process and machining process and a multicriteria optimization.The first originality of this work focuses on the development of a 6 DoFs model to analyze the operator actions who naturally optimizes his arm behavior to ensure the task it performs. The second originality concerns the optimized placement of structural redundancy (9 DoFs robotic cell) where positioning parameters are incorporated as controllable variables (11 DoFs robotic cell). Thus, the thesis makes contributions to : - the definition of criteria adapted to the realization of complex and under high stress task for the management of the kinematic redundancy; - the structural behavior identification, under stress, by metrology tools (Laser tracker ) and the self- adaptation paths by using an industrial force control; - the behavior optimization to improve the cutting process quality (meat cutting and machining).

Malgré de nombreuses années de travail en robotique, il existe toujours un manque d’architecture logicielle et de middleware stables pour les systèmes multi-robot. Un intergiciel robotique devrait être conçu pour faire abstraction de l’architecture matérielle de bas niveau, faciliter la communication et l’intégration de nouveaux logiciels. Cette thèse se concentre sur le middleware pour systèmes multi-robot et sur la façon dont nous pouvons améliorer les frameworks existantes dans un contexte multi-robot en ajoutant des services de coordination multi-robot, des outils de développement et de déploiement massif. Nous nous attendons à ce que les robots soient de plus en plus utiles car ils peuvent tirer profit des données provenant d’autres périphériques externes dans leur prise de décision au lieu de simplement réagir à leur environnement local (capteurs, robots coopérant dans une flotte, etc.). Cette thèse évalue d’abord l’un des intergiciels les plus récents pour robot(s) mobile(s), Robot operating system (ROS), suivi par la suite d’un état de l’art sur les middlewares couramment utilisés en robotique. Basé sur les conclusions, nous proposons une contribution originale dans le contexte multi-robots, appelé SDfR (Service discovery for Robots), un mécanisme de découverte des services pour les robots. L’objectif principal est de proposer un mécanisme permettant aux robots de garder une trace des pairs accessibles à l’intérieur d’une flotte tout en utilisant une infrastructure ad-hoc. A cause de la mobilité des robots, les techniques classiques de configuration de réseau pair à pair ne conviennent pas. SDfR est un protocole hautement dynamique, adaptatif et évolutif adapté du protocole SSDP (Simple Service Discovery Protocol). Nous conduisons un ensemble d’expériences, en utilisant une flotte de robots Turtlebot, pour mesurer et montrer que le surdébit de SDfR est limité. La dernière partie de la thèse se concentre sur un modèle de programmation basé sur un automate temporisé. Ce type de programmation a l’avantage d’avoir un modèle qui peut être vérifié et simulé avant de déployer l’application sur de vrais robots. Afin d’enrichir et de faciliter le développement d’applications robotiques, un nouveau modèle de programmation basé sur des automates à états temporisés est proposé, appelé ROSMDB (Robot Operating system Model Driven Behaviour). Il fournit une vérification de modèle lors de la phase de développement et lors de l’exécution. Cette contribution est composée de plusieurs composants : une interface graphique pour créer des modèles basés sur un automate temporisé, un vérificateur de modèle intégré basé sur UPPAAL et un générateur de squelette de code. Enfin, nous avons effectué deux expériences : une avec une flotte de drones Parrot et l’autre avec des Turtlebots afin d’illustre le modèle proposé et sa capacité à vérifier les propriétés. / Despite many years of work in robotics, there is still a lack of established software architecture and middleware for multi-robot systems. A robotic middleware should be designed to abstract the low-level hardware architecture, facilitate communication and integration of new software. This PhD thesis is focusing on middleware for multi-robot system and how we can improve existing frameworks for fleet purposes by adding multi-robot coordination services, development and massive deployment tools. We expect robots to be increasingly useful as they can take advantage of data pushed from other external devices in their decision making instead of just reacting to their local environment (sensors, cooperating robots in a fleet, etc). This thesis first evaluates one of the most recent middleware for mobile robot(s), Robot operating system (ROS) and continues with a state of the art about the commonly used middlewares in robotics. Based on the conclusions, we propose an original contribution in the multi-robot context, called SDfR (Service discovery for Robots), a service discovery mechanism for Robots. The main goal is to propose a mechanism that allows highly mobile robots to keep track of the reachable peers inside a fleet while using an ad-hoc infrastructure. Another objective is to propose a network configuration negotiation protocol. Due to the mobility of robots, classical peer to peer network configuration techniques are not suitable. SDfR is a highly dynamic, adaptive and scalable protocol adapted from Simple Service Discovery Protocol (SSDP). We conduced a set of experiments, using a fleet of Turtlebot robots, to measure and show that the overhead of SDfR is limited. The last part of the thesis focuses on programming model based on timed automata. This type of programming has the benefits of having a model that can be verified and simulated before deploying the application on real robots. In order to enrich and facilitate the development of robotic applications, a new programming model based on timed automata state machines is proposed, called ROSMDB (Robot Operating system Model Driven Behaviour). It provides model checking at development phase and at runtime. This contribution is composed of several components: a graphical interface to create models based on timed automata, an integrated model checker based on UPPAAL and a code skeleton generator. Moreover, a ROS specific framework is proposed to verify the correctness of the execution of the models and to trigger alerts. Finally, we conduct two experiments: one with a fleet of Parrot drones and second with Turtlebots in order to illustrates the proposed model and its ability to check properties.

Les robots industriels ont évolué fondamentalement ces dernières années pour répondre aux exigences industrielles de machines et mécanismes toujours plus performants. Ceci se traduit aujourd’hui par de nouveaux robots anthropomorphes plus adaptés laissant entrevoir la réalisation de tâches plus complexes et soumis à de fortes sollicitations comme durant l’usinage. L’étude du comportement des robots anthropomorphes, à structures parallèles ou hybrides montre une anisotropie aussi bien cinématique, que dynamique, impactant la précision attendue. Ces travaux de thèse étudient l’intégration des redondances cinématiques qui permettent de pallier en partie ce problème en positionnant au mieux la tâche à réaliser dans un espace de travail compatible avec les capacités attendues. Ces travaux ont permis d’améliorer notre outil d’optimisation et de le tester à la fois sur un modèle Eléments Finis du robot et sur le robot réel. Ainsi, ces travaux de thèse apportent des contributions à : - la définition de critères adaptés à la réalisation de tâches complexes et sollicitantes pour la gestion des redondances cinématiques ; - l’identification du comportement des structures sous sollicitations par moyen métrologique (Laser tracker) ; - l’optimisation du comportement permettant l’amélioration de la qualité de réalisation des opérations d’usinage ; - la modélisation Eléments Finis des robots prenant en compte l’identification des rigidités des corps et articulaires. / Industrial robots have evolved fundamentally in recent years to reach the industrial requirements. We now find more suitable anthropomorphic robots leading to the realization of more complex tasks like deformable objects cutting such as meat cutting or constrained to high loading like during machining. The behavior study of anthropomorphic robots, parallel or hybrid one highlights a kinematic and dynamic anisotropy, which impacts the expected accuracy.This thesis studied the integration of the kinematic redundancy that can partially overcome this problem by well setting the task to achieve it in a space compatible with the expected capacity.This work helped us to improve our optimization tool and to try it on both FE model of the robot and real robot.Thus, the thesis makes contributions to: - the definition of criteria adapted to the realization of complex and under high loading task for the management of the kinematic redundancy; - the structural behavior identification, under loading, by metrology tools (Laser tracker) ; - the behavior optimization to improve the cutting process quality during machining ; - robots finite elements modeling using stiffness identification for both bodies and joints.

La robotisation des procédés d’usinage suscite l’intérêt des industriels en raison du grand espace de travail et le faible coût des robots par rapport aux machines-outils conventionnelles et la possibilité d’usiner des pièces de formes complexes. Cependant, la faible rigidité de la structure robotique favorise le déclenchement de phénomènes dynamiques liés à l’usinage sollicitant le robot en bout de l’outil qui dégradent la qualité de surface de la pièce usinée. L’objectif de ces travaux de thèse est de caractériser le comportement dynamique des robots en usinage. Ces travaux ont suivi une démarche en trois étapes : La modélisation d’un premier modèle considéré de référence où le robot est au repos. Ensuite l’identification du comportement dynamique du robot en service. Enfin, l’exploitation des modèles dynamiques du robot en vue de prédire la stabilité de coupe. L’originalité de ces travaux porte sur le développement des méthodes d’identification modale opérationnelles. Elles permettent d’intégrer les conditions réelles d’usinage et d’élaborer des modèles plus précis que le premier modèle de connaissance sans être biaisés par l’effet des harmoniques de rotation de l’outil. Enfin, des préconisations sur le choix de configurations du robot et sur la direction des forces d’excitation sont proposées pour assurer la stabilité de la coupe lors de l’usinage robotisé. / Machining robots have major advantages over cartesian machine tools because of their flexibility, their ability to reach inaccessible areas on a complex part, and their important workspace. However, their lack of rigidity and precision is still a limit for precision tasks. The stresses generated by the cutting forces and inertia are important and cause static and dynamic deformations of the structure which result in problems of workpiece surface. The aim of the thesis work is to characterize the dynamic behavior of robots during machining operation. This work followed a three-step approach : Modeling a first model considered as a reference where the robot is at rest. Then the identification of the dynamic behavior in service. Finally, the prediction of the cutting stability using the robot dynamic model. The originality of this work is the development of new operational modal identification methods. They integrate the machining conditions and result into a more accurate model than the first model of reference without being biased by harmonics. Finally, guidlines of robot’s configurations and excitation forces’ direction are proposed to ensure the robotic machining stability.

Le procédé de soudage par friction malaxage ou Friction Stir Welding (FSW), est un procédé récent utilisé pour le soudage de pièces métalliques avec différentes applications dans les industries aéronautique, automobile, spatiale et ferroviaire. Les robots industriels sériels peuvent être utilisés comme moyen de soudage FSW mais, à cause de leur rigidité, ils se déforment sous l’effet des forces générées par le procédé. Ceci entraîne une déviation de trajectoire de l’outil de soudage en position et en orientation qui induit des défauts dans le cordon de soudure. Dans ce travail, deux méthodes de correction de déviations ont été développées. La première méthode est basée sur l’estimation des déviations en position et en orientation dans l’espace cartésien à partir des modèles du robot et de déformation élasto-statique des corps et transmissions. Les déviations estimées permettent de développer une approche de programmation de trajectoires adaptées au soudage FSW robotisé. Contrairement aux méthodes d’interpolation linéaire généralement envisagées, cette approche utilise des approximations de trajectoires par des courbes de Bézier ou B-splines. Les validations expérimentales pour des trajectoires complexes, avec un robot Kuka KR500-2MT, ont permis d’obtenir une déviation résiduelle moyenne de l’ordre de 0,3 mm et des cordons de soudure sans défauts. Cette précision de trajectoire atteinte pour le FSW permet de considérer une exploitation industrielle de la solution développée. La deuxième méthode de correction des déviations utilise un asservissement de position en temps réel avec un capteur de profil laser 2D dans la boucle de retour. Deux synthèses de lois de commande ont été explorées pour cet asservissement. Malgré les perturbations externes liées aux contraintes du procédé, les résultats expérimentaux sur des trajectoires de soudage rectilignes et curvilignes montrent une bonne stabilité de l’asservissement et conduisent à une déviation résiduelle moyenne de l’ordre de 0,1 mm. Les intérêts et les difficultés de la mise en œuvre de cette deuxième méthode ont également été mis en exergue. / Friction Stir Welding (FSW) is a recent process used for welding metallic parts in aerospace, automotive, and railway industries. Serial industrial robots may be used as FSW welding machines, but because of their lack of stiffness, they undergo elastic deformation under the effect of stresses produced by the process. This causes a welding tool path deviation both in position and orientation, which induces defects in the weld seam. In this work, two path correction methods were developed. The first method is based on the prediction of the position and orientation deviations in the cartesian space from robot models and stiffness model of the links and the joints. The knowledge of tool deviations enabled the synthesis of a path programming approach adapted for robotic FSW. Unlike linear interpolation methods often used, this approach is based on approximations of the adapted path by Bézier or B-splines curves. Experimental validations on a Kuka KR500-2MT robot welding complex paths showed an average residual deviation of 0.3 mm and weld seams without defects. The path accuracy achieved makes it possible to consider an industrial exploitation of the developed solution. The second proposed correction method uses position feedback with a 2D laser profile sensor in the feedback loop for real-time measurement of deviations. Two controllers were designed to correct the deviations. In spite of the external disturbances related to the constraints of the process, experimental results obtained on straight and curvilinear welding paths showed the stability of the feedback loop and a mean residual deviation of 0.1 mm was achieved. The interests and difficulties of deploying this second method were also highlighted.

Cette thèse, réalisée en collaboration avec le Groupe Renault dans le cadre d’un projet d’automatisation du kitting, s’intéresse à l’optimisation du processus de kitting en termes de maximisation du temps de cycle. Pour cela, nous étudions différentes configurations de système de kitting hybride avec robots(s) et opérateur(s) travaillant en série et séparés par un stock de découplage. Le(s) robot(s) commence(nt) la préparation des kits de pièces puis le(s) opérateur(s) se trouvant dans la partie manuelle du kitting récupère(nt) cette préparation et la complète(nt) avec les pièces affectées à cette zone.Notre objectif est de développer un outil d’aide à la décision permettant d’évaluer la performance d’un kitting hybride et de simuler son fonctionnement dans une configuration donnée (layout, politique de picking, etc.) avant son déploiement physique.Tout d’abord, à travers une modélisation des opérationsélémentaires de kitting effectuées par des robots et des opérateurs (prise et dépose, déplacement, etc.), nous proposons un modèle de temps de cycle permettant d’évaluer la performance du système hybride en termes de temps de cycle. Ensuite, nous développons un modèle d’affectation de pièces (PLMNE) permettant de les répartir entre kitting robotisé et manuel. L’objectif est de minimiser les temps de cycle et d’équilibrer la charge de travail entre les deux modes de kitting. Le modèle est appliqué à deux études de cas pratiques issues d’une usine Renault. Les résultats permettent d’identifier les paramètres qui impactent le plus les temps de cycle et le choix d’affectation des pièces entre kitting automatisé et manuel. Enfin, nous développons un modèle de simulation afin de calculer la taille optimale du stock de découplage entre kitting automatisé et manuel dans le but de maximiser la cadence du système hybride de kitting. / In this thesis, conducted with Renault in the context of a kitting automation project, we are interested in the optimisation of kitting processes in terms of cycle time maximisation. To do so, we study different configurations of hybrid robot-operator kitting systems where robots (two types of robots considered) and operators are connected in series by an intermediate buffer (to decouple their activities). The robotic kitting area starts the preparation of kits then the operators in the manual kitting area retrieve the preparation of robots and complete with the remaining parts.Our objective is to develop a decision-making tool that assesses the hybrid system performance in a given configuration (layout, picking policy, etc.).First, through a modelling of elementary kitting operations performed by robots and operators (pick and place, travel, etc.), we develop a cycle time model to assess the performance of hybrid kitting systems. Then, we develop an assignment model that assigns parts (formulated as a mixed integer linear programming (MILP) problem) either to robotic or manual kitting areas with the objective of minimising cycle times and balancing workload between them. The model is applied to two case studies pertaining to a Renault plant. This analysis identifies the parameters that influence cycle times and the choice between robotic and manual kitting. Finally, we develop a simulation model to find the optimal buffer size between robotic and manual kitting so that throughput is maximised.

Malgré le progrès de l'automatisation industrielle, les solutions robotiques ne sont pas encore couramment utilisées dans le secteur du génie civil. Plus spécifiquement, les tâches de ponçage, telles que le désamiantage, sont toujours effectuées par des opérateurs humains utilisant des outils électriques et hydrauliques classiques. Cependant, avec la diminution du coût relatif des machines par rapport au travail humain et les réglementations sanitaires strictes applicables à des travaux aussi risqués, les robots deviennent progressivement des alternatives crédibles pour automatiser ces tâches et remplacer les humains.Dans cette thèse, des nouvelles approches de contrôle de ponçage de surface sont élaborées. Le premier contrôleur est un contrôleur hybride position-force avec poignet conforme. Il est composé de 3 boucles de commande, force, position et admittance. La commutation entre les commandes pourrait créer des discontinuités, ce qui a été résolu en proposant une commande de transition. Dans ce contrôleur, la force de choc est réduite par la commande de transition proposée entre les modes espace libre et contact. Le second contrôleur est basé sur un modèle de ponçage développé et un contrôleur hybride adaptatif position-vitesse-force. Les contrôleurs sont validés expérimentalement sur un bras robotique à 7 degrés de liberté équipé d'une caméra et d'un capteur de force-couple. Les résultats expérimentaux montrent de bonnes performances et les contrôleurs sont prometteurs. De plus, une nouvelle approche pour contrôler la stabilité des manipulateurs mobiles en temps réel est présentée. Le contrôleur est basé sur le « zero moment point », il a été testé dans des simulations et il a été capable de maintenir activement la stabilité de basculement du manipulateur mobile tout en se déplaçant. En outre, les incertitudes liées à la modélisation et aux capteurs sont prises en compte dans les contrôleurs mentionnés où des observateurs sont proposés.Les détails du développement et de l'évaluation des différents contrôleurs proposés sont présentés, leurs mérites et leurs limites sont discutés et des travaux futurs sont suggérés. / Despite the advancements in industrial automation, robotic solutions are not yet commonly used in the civil engineering sector. More specifically, grinding tasks such as asbestos removal, are still performed by human operators using conventional electrical and hydraulic tools. However, with the decrease in the relative cost of machinery with respect to human labor and with the strict health regulations on such risky jobs, robots are progressively becoming credible alternatives to automate these tasks and replace humans.In this thesis, novel surface grinding control approaches are elaborated. The first controller is based on hybrid position-force controller with compliant wrist and a smooth switching strategy. In this controller, the impact force is reduced by the proposed smooth switching between free space and contact modes. The second controller is based on a developed grinding model and an adaptive hybrid position-velocity-force controller. The controllers are validated experimentally on a 7-degrees-of-freedom robotic arm equipped with a camera and a force-torque sensor. The experimental results show good performances and the controllers are promising. Additionally, a new approach for controlling the stability of mobile manipulators in real time is presented. The controller is based on zero moment point, it is tested in simulations and it was able to actively maintain the tip-over stability of the mobile manipulator while moving. Moreover, the modeling and sensors uncertainties are taken into account in the mentioned controllers where observers are proposed. The details of the development and evaluation of the several proposed controllers are presented, their merits and limitations are discussed and future works are suggested.