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There will be an increasing demand for robot operators, since more companies are using robots in production and material handling. In order to train these would-be operators, a 'user-friendly' robot operator training aid was developed. This aid helps the trainee learn how to program a robot using on-line programming, and the trainee also obtains valuable hands-on experience. Since this training aid is user-friendly and has safety features, it requires little or no previous experience with robots or computers and minimal supervision. With this training, the would-be operators will acquire a basic understanding of how they can apply this experience to the programming of large industrial robots. The RHINO XR-2 robot was used, including some of the peripheral equipment that can be easily interfaced with the RHINO. The system can control eight axes of motion. A controlling program was written in BASIC language for the Radio Shack Model III microcomputer. The computer's keyboard was used to simulate a teach pendant, similar to those used with many industrial robots.

La perte de matériaux engendrée par le rebond dans le béton projeté par voie sèche fait l'objet depuis déjà plusieurs dizaines d'années de nombreux travaux de recherche. Jusqu'ici, les efforts de recherche se concentraient sur la composition du mélange de béton ou encore sur l'équipement utilisé. Mais peu d'études traitent l'influence des techniques de mise en place sur l'efficacité de déposition. Fort de ses connaissances sur ce procédé, le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval a décidé de tourner davantage cette étude vers les techniques d'application du béton projeté. Deux tendances sont présentes depuis quelques années dans l'industrie du béton projeté. Sa mise en place s'est orientée vers des applications assistées mécaniquement qui ont amené précisions et contrôle des paramètres mécaniques liés au mouvement de la lance. En parallèle l'industrie a vu le développement de bétons à ultra haute performance ou fibrés qui ont permis de concevoir des éléments de construction à épaisseur réduite et donc économes en ressources mais occasionnant des structures à géométrie complexe que la mise en place par coffrage n'autorise guère. C'est ainsi qu'a germé l'idée de mettre à profit la mise en place du béton projeté mécanique au service de la création de structures complexes et optimisées avec ces matériaux performant. Cette étude comporte donc un double objectif. Le premier est d'acquérir, installer et rendre fonctionnelle une solution robotisée qui, à long terme, permettra de développer un procédé de construction optimisé et autonome de projection pneumatique. Le deuxième objectif est d'étudier à l'aide de ce nouvel outil robotisé, les paramètres de mise en place afin de contrôler, et réduire d'avantage le rebond. Le contrôle précis du mouvement offert par cet équipement a permis de réduire considérablement les quantités de rebonds en explorant des aspects là où aucune donnée dans la littérature ne faisait mention et a remis en cause l'efficacité de certaines pratiques appliquées en béton projeté. / The loss of material caused by rebound in dry-mix shotcrete has been the subject of much research work for several decades now. Until now, research efforts to reduce this rebound have mainly focused on the concrete mix-design or the equipment used. Few studies have addressed the influence of placement techniques on the efficiency of the deposition. Based on its knowledge and in continuity with earlier projects, of its dynamics initiated a few years ago, the shotcrete laboratory of Université Laval decided to orient this study towards the application techniques of shotcrete. Two trends have been present for a few years in the shotcrete industry. Mechanically assisted applications, as hydraulic placement arm, which brought precision and control the movement of the nozzle are more popular. At the same time, the industry has seen the development of ultra-high-performance concrete (UHPC) and some special fiber-reinforced concretes which have allowed the design of construction elements with reduced thickness, therefore saving resources, but resulting in complex geometry structures that the use of formwork hardly allows. This is how the idea was born to combine mechanical shotcrete placement to create complex and optimized structures with these high-performance materials. This study has a dual objective. The first one is to acquire, install and put to work a robotized solution which, in the long term, will allow the development of an optimized and autonomous construction process for pneumatic spraying. The second objective is to study the placement parameters to further control and reduce rebound. he precise control of movement afforded by this equipment has allowed for a significant reduction in the amount of rebound, exploring areas where no data in the literature existed, and has challenged the effectiveness of some sprayed concrete practices.

Le projet derrière cette thèse porte sur l’amélioration des conditions de travail des ouvriers sur les chaînes d’assemblage. Une équipe de Général Motors est venue à notre rencontre avec la problématique que les ouvriers sur leurs chaînes d’assemblage doivent souvent adopter des postures inconfortables lors de l’exécution de certaines tâches. Répétées de nombreuses fois, ces postures peuvent engendrer des problèmes de santé sur le long terme. Une solution proposée pour pallier à ce problème est de permettre à l’ouvrier d’effectuer son travail depuis une zone éloignée de la zone d’assemblage, où il ne devrait pas adopter de postures gênantes et pourrait être isolé de bruits, chaleurs ou dangers induits par la proximité avec la chaîne d’assemblage. Pour faire le lien entre cette zone sécuritaire et la zone de travail, la solution d’un robot a été proposée. Cette thèse présente le travail effectué pour concevoir ce robot. Cette thèse est composée de quatre chapitres qui sont autant d’articles abordant chacun un sujet différent. Le chapitre 1 porte sur deux types d’assemblages courant, en fait l’analyse et propose des solutions pour mécaniser ces tâches. Un outil est conçu et testé dans le cas des clips aussi appelés ’snap-fit’. Des stratégies de trajectoire et l’usage de mécanismes vibrants sont explorés pour l’insertion de tuyaux. Les phases de test et de mesure sont présentées en vidéo. Dans le chapitre 2, la notion de difficulté d’accomplir une tache de loin est abordée. En effet, la distance augmente considérablement la concentration et la perception nécessaires à un opérateur humain pour accomplir une tâche d’assemblage, résultant en un échec ou au moins un temps d’exécution plus grand et donc une efficacité moindre. Les mécanismes de correction de précision sont donc abordés. Des solutions impliquant l’usage de ressorts sont tout d’abord présentées pour permettre aux mécanismes d’être compliants tout en maintenant une position neutre définie. Ces solutions ont pour particularité d’introduire des seuils de force pour activer la compliance qui garantissent un comportement du mécanisme prévisible dans une utilisation générale. Puis, la notion de correction de position est introduite au travers de la famille de mécanismes des Remote Centre of Compliance (RCC) que l’on peut traduire par centre de mobilité distant. Différentes architectures en rotation et en translation sont présentées pour proposer des alternatives au RCC plus adaptées au contexte de travail avec un opérateur humain. Des tests sont effectués et une vidéo appuie la démonstration. Après la conception des mécanismes passifs, le plan du projet était de se tourner vers des solutions actives. La recherche d’une architecture adaptée aux besoins a mené à l’élaboration du chapitre 3. Ce dernier présente une architecture de robot parallèle à six degrés de liberté de type 6-ꝐUS. La cinématique du robot est étudiée, puis une méthode analytique de détermination de son espace de travail géométrique est présentée. Une étude de ses lieux de singularité et de ses capacités en force complète son analyse. Même si cette architecture ne fut pas celle retenue pour le prototype, les méthodes développées pour cette architecture furent utilisées pour la conception du robot fabriqué. Après de multiples itérations, une architecture pour le robot actif fut choisie. Cette dernière est présentée au chapitre 4 et s’accompagne de la présentation de trois schémas de contrôle développés pour répondre à la problématique. Les étapes de conception développées dans le chapitre 3 sont présentées au préalable. Le premier schéma de contrôle exploré est un contrôle en position, qui sert de base au contrôle du robot et permet de développer et valider les outils essentiels au bon contrôle du robot. Le second schéma de contrôle introduit des concepts présentés dans les architectures passives précédentes, en présentant l’avantage d’être reconfigurable au besoin. Un modèle simulant le comportement d’un RCC est d’ailleurs présenté. Le dernier schéma de contrôle exploré introduit de la vision numérique. Un marqueur ARUCO est placé sur le robot et les informations qu’il fournit sont incluses et traitées dans le schéma de contrôle. L’objectif est de simuler un environnement où le robot peut détecter de façon efficace et indépendante les positions des pièces à assembler et ajuster en temps réel les erreurs de positionnement de l’opérateur humain. / The project behind this thesis is about improving the working conditions of workers on assembly lines. A research team from General Motors came to us with a problem to work on: the workers on their assembly lines must use body postures that are difficult to bear when performing some tasks. These postures can become health hazards because of the repetitive nature of their work. The proposed solution to this problem is to make the operator work in a safe remote area from the assembly area, where he can keep a comfortable posture and remain far from the potential hazards of the assembly line. To make the link between the safe area and the assembly area, the solution of using a robot has been suggested. This thesis presents the work accomplished to design such robot. This thesis is composed of four chapters, each corresponding to an article dealing with a different subject. Chapter 1 deals with two different types of assembly tasks, presents their analysis and discusses solutions to introduce mechanisms in their process. A tool is designed and tested to perform snap-fit assembly tasks. Motion strategies are explored as well as vibrating mechanisms to deal with hose assembly tasks. Test phases and data measurements are presented in a video. In chapter 2, the issues associated with performing a task remotely are raised. Indeed, distance enhances greatly the required concentration and perception for a human operator to perform the task, resulting in a failure or a greater operating time, reducing productivity. Therefore, the accuracy correction mechanisms were considered. First, solutions with springs are presented to design compliant mechanisms that return to a neutral configuration when unloaded. These solutions bring the originality to introduce force thresholds to keep the compliance passive when not needed. Then, accuracy correction mechanisms are introduced through RCC mechanisms. Several rotational and translational mechanisms adapted to human collaboration are presented. Tests to validate the concept are shown in a video. After the design of passive mechanisms, the scope of the project turned to active solutions. The search for an effective architecture led to the contents of chapter 3. It presents a sixdegree-of-freedom 6-ꝐUS parallel robot. The kinematic analysis of the robot is presented, followed by an algorithm to determine the geometrical workspace of the robot. A singularity locus analysis and a force capability analysis are then presented. Even if this architecture was not selected in the end, the methods developed were used for the design of the final architecture. After several iterations, an architecture was chosen for the active robot. This architecture is presented in chapter 4. After a design process based on the work shown in chapter 3, three control schemes are presented. The first one is a classical position control which is a requisite for more advanced schemes. The second control scheme introduces concepts previously raised with the passive mechanisms discussed in chapter 2. The model simulates a RCC mechanism with the advantage of being reconfigurable without hardware modifications. The last control scheme introduces computer vision. An ARUCO marker is placed on the robot and the information it provides are injected in the control scheme. The objective is to simulate an environment where the robot detects the pose of the parts to assemble and adjusts itself in real time to compensate for the errors of the human operator.

La perte de matériaux engendrée par le rebond dans le béton projeté par voie sèche fait l'objet depuis déjà plusieurs dizaines d'années de nombreux travaux de recherche. Jusqu'ici, les efforts de recherche se concentraient sur la composition du mélange de béton ou encore sur l'équipement utilisé. Mais peu d'études traitent l'influence des techniques de mise en place sur l'efficacité de déposition. Fort de ses connaissances sur ce procédé, le laboratoire de béton projeté de l'Université Laval a décidé de tourner davantage cette étude vers les techniques d'application du béton projeté. Deux tendances sont présentes depuis quelques années dans l'industrie du béton projeté. Sa mise en place s'est orientée vers des applications assistées mécaniquement qui ont amené précisions et contrôle des paramètres mécaniques liés au mouvement de la lance. En parallèle l'industrie a vu le développement de bétons à ultra haute performance ou fibrés qui ont permis de concevoir des éléments de construction à épaisseur réduite et donc économes en ressources mais occasionnant des structures à géométrie complexe que la mise en place par coffrage n'autorise guère. C'est ainsi qu'a germé l'idée de mettre à profit la mise en place du béton projeté mécanique au service de la création de structures complexes et optimisées avec ces matériaux performant. Cette étude comporte donc un double objectif. Le premier est d'acquérir, installer et rendre fonctionnelle une solution robotisée qui, à long terme, permettra de développer un procédé de construction optimisé et autonome de projection pneumatique. Le deuxième objectif est d'étudier à l'aide de ce nouvel outil robotisé, les paramètres de mise en place afin de contrôler, et réduire d'avantage le rebond. Le contrôle précis du mouvement offert par cet équipement a permis de réduire considérablement les quantités de rebonds en explorant des aspects là où aucune donnée dans la littérature ne faisait mention et a remis en cause l'efficacité de certaines pratiques appliquées en béton projeté. / The loss of material caused by rebound in dry-mix shotcrete has been the subject of much research work for several decades now. Until now, research efforts to reduce this rebound have mainly focused on the concrete mix-design or the equipment used. Few studies have addressed the influence of placement techniques on the efficiency of the deposition. Based on its knowledge and in continuity with earlier projects, of its dynamics initiated a few years ago, the shotcrete laboratory of Université Laval decided to orient this study towards the application techniques of shotcrete. Two trends have been present for a few years in the shotcrete industry. Mechanically assisted applications, as hydraulic placement arm, which brought precision and control the movement of the nozzle are more popular. At the same time, the industry has seen the development of ultra-high-performance concrete (UHPC) and some special fiber-reinforced concretes which have allowed the design of construction elements with reduced thickness, therefore saving resources, but resulting in complex geometry structures that the use of formwork hardly allows. This is how the idea was born to combine mechanical shotcrete placement to create complex and optimized structures with these high-performance materials. This study has a dual objective. The first one is to acquire, install and put to work a robotized solution which, in the long term, will allow the development of an optimized and autonomous construction process for pneumatic spraying. The second objective is to study the placement parameters to further control and reduce rebound. he precise control of movement afforded by this equipment has allowed for a significant reduction in the amount of rebound, exploring areas where no data in the literature existed, and has challenged the effectiveness of some sprayed concrete practices.

Ce mémoire présente des manœuvres de réorientation appliquées à un robot articulé et à un robot mobile en chute libre. Ces manœuvres, initialement inspirées du phénomène du chat qui atterrit toujours sur ses pattes, sont aussi attribuées à d'autres animaux, tels que certains reptiles et même les humains dans le contexte de certains sports. Les manœuvres de réorientation ont aussi des applications dans le domaine de la robotique. En effet, de tels manœuvres s'avèrent utiles pour le contrôle de pose d'atterrissage pour des robots susceptibles aux chutes, comme les robots sauteurs ou les robots de secours qui doivent être déployés dans des environnements dangereux et difficiles à parcourir. Dans cette optique, le travail présenté dans ce mémoire vise à développer et démontrer des manœuvres de réorientation permettant une réorientation rapide (redressement de 180 degrés -- le pire cas possible -- dans le temps d'une chute d'un mètre) et multiaxe. Tout d'abord, une architecture articulée ainsi que deux manœuvres de réorientation sont conçues afin d'atteindre les capacités de réorientation visées et les performances de cette architecture sont testées en simulation. Les résultats obtenus démontrent que l'architecture proposée est capable de se réorienter selon plusieurs axes, mais n'atteint pas les performances visées en termes de vitesse de réorientation. Par la suite, une architecture mobile omnidirectionnelle et compacte est conçue afin d'adresser les limitations de la première architecture. Un prototype de cette architecture est développé et permet d'effectuer une réorientation de 179 degrés selon son axe de tangage en 0.44 secondes tout en conservant sa capacité de se redresser selon plusieurs axes. Les performances de réorientation visées sont alors atteintes avec ce deuxième prototype. Enfin, une méthode de fusion de données par filtre de Kalman étendu servant à estimer l'orientation d'une plateforme en apesanteur est explicitée et est validée dans des conditions contrôlées. Ces résultats démontrent l'utilité de telles méthodes de fusion de données pour implémenter la planification automatique des manœuvres de réorientation dans les itérations futures du prototype développé. / This thesis explores the application of reorientation manoeuvres to an articulated and a mobile robot architecture. These manoeuvres are often attributed to cats that are said to always land on their feet, but have also been observed in other animals and used by humans in certain sports. However, these manoeuvres are more than just a curiosity and have seen some use in the field of robotics. Indeed, reorientation manoeuvres are used for orientation control in falling robots, such as rescue robots deployed in dangerous environments, and in jumping robots. With such applications in mind, this thesis aims to develop and demonstrate fast (180-degree reorientation about one axis -- the worst-case scenario -- within the time of a one-metre fall), multi-axis reorientation manoeuvres. Firstly, an articulated architecture, along with two different manoeuvres, are designed in order to attain the desired reorientation capabilities and are tested in simulated conditions. The results obtained show that, although multi-axis reorientation is achieved, the required motor torques to reach the desired reorientation speeds are not feasible for the proposed architecture. Secondly, an omnidirectional mobile robot architecture is designed to address the limitations of the first architecture. A prototype of this mobile architecture is developed and is used to demonstrate a reorientation of 179 degrees about the pitch axis in 0.44 seconds as well as a reorientation about multiple axes. Therefore, with this prototype, the desired reorientation capabilities are achieved. Finally, the use of sensor fusion methods based on extended Kalman filtering in the context of estimation of the orientation of a free-floating platform is studied. The results obtained from this study support the viability of using such methods for on-board trajectory planning in future iterations of the developed prototype.

Les algorithmes de localisation, cartographie 3D et de contrôle constituent une catégorie cruciale de la recherche en robotique mobile. Leur développement permet une localisation précise des plateformes robotiques, ainsi qu'une optimisation de leurs mouvements. Les progrès dans ce domaine reposent largement sur les jeux de données collectées sur le terrain. Ces jeux de données améliorent la performance et la précision de ces algorithmes, notamment grâce aux trajectoires de contrôle en trois ou six degrés de liberté. Ces trajectoires de contrôle, considérées plus précises que les algorithmes évalués, permettent des comparaisons essentielles pour augmenter l'efficacité desdits algorithmes. La génération de trajectoires de contrôle repose principalement sur trois systèmes : les caméras, les systèmes de positionnement par satellites et les stations totales robotisées. Les systèmes basés sur les caméras offrent une précision millimétrique et des taux d'acquisition élevés, mais excellent uniquement en environnements intérieurs. Les systèmes de positionnement par satellites sont privilégiés en extérieur pour leur précision centimétrique, conditionnée par la visibilité céleste. Les stations totales robotisées, utilisées en intérieur ou extérieur pour des trajets en trois degrés de liberté, affichent une précision millimétrique, mais peuvent rencontrer des obstacles dans la ligne de mire. L'utilisation de plusieurs systèmes de positionnement par satellites ou caméras permet d'obtenir des trajectoires de contrôle en six degrés de liberté de ces capteurs. Un système de ce type n'existe pas avec des stations totales robotisées. Cette thèse propose la première conception d'un système de trajectoire en six degrés de liberté à partir de trois stations totales robotisées. Ce système s'adapte à divers environnements, intérieurs et extérieurs, générant des trajectoires de contrôle pour des plateformes robotiques mobiles dotées de trois prismes actifs. La précision obtenue par ce système avoisine le millimètre. L'objectif de cette thèse est de décrire le fonctionnement de ce système, ainsi que d'analyser et d'améliorer sa précision à travers des déploiements variés. L'introduction explique la problématique explorée ainsi que la méthodologie employée pour la résoudre. Le chapitre 1 expose les concepts fondamentaux pour les comparaisons de trajectoires en robotique mobile. Dans le chapitre 2, le fonctionnement de ce système à trois stations totales robotisées sera expliqué, et des comparaisons avec des systèmes de positionnement par satellites seront menées. Les stations totales robotisées surpassent les systèmes de positionnement par satellites en termes de précision pour générer des trajectoires de contrôle, notamment en milieu forestier. Le chapitre 3 présente une nouvelle méthode de calibration extrinsèque qui améliore la précision du système de trois stations totales robotisées. Nous comparons cette nouvelle méthode aux méthodes de calibration extrinsèque existantes en robotique mobile et en géomatique, démontrant sa supériorité en termes de précision et d'efficacité sur le terrain. Le chapitre 4 analyse en détail l'incertitude associée au système à trois stations totales robotisées, notamment la propagation du bruit des mesures. Nous démontrons que les bruits prédominants proviennent de la précision inhérente aux stations totales et de la calibration extrinsèque. Le chapitre 5 relate les enseignements tirés sur le terrain lors de multiples déploiements sur dix-huit mois. Nous analyserons les défis rencontrés lors de l'utilisation du système et prodiguons des conseils aux chercheurs travaillant avec des stations totales robotisées. Cette thèse démontre la faisabilité de générer une trajectoire de contrôle en six degrés de liberté pour une plateforme robotique grâce à trois stations totales robotisées. / Localization, 3D mapping, and control algorithms are a critical category in mobile robotics research. Their development enables precise localization of robotic platforms and optimization of their movements. Progress in this domain heavily relies on field-collected datasets. These datasets fuel algorithm iteration to enhance performance and precision, particularly through three or six-degrees-of-freedom control trajectories. These control trajectories, considered more accurate than evaluated algorithms, facilitate crucial comparisons to boost algorithmic efficiency. Control trajectory generation predominantly relies on three systems: cameras, satellite positioning systems, and robotic total stations. Camera-based systems offer millimeter precision and high acquisition rates, excelling in indoor environments. Satellite positioning systems are favored outdoors for centimeter precision, contingent on sky visibility. Robotic total stations, applicable indoors or outdoors for three degrees of freedom trajectories, achieve millimeter precision but can encounter line-of-sight obstacles. The use of multiple satellite positioning or camera systems enables six-degrees-of-freedom control trajectories of these sensors or receivers. Such a system does not exist with robotic total stations. This thesis proposes the inaugural design of six-degrees-of-freedom trajectory system using three robotic total stations. This adaptable system operates in diverse indoor and outdoor environments, generating control trajectories for mobile robotic platforms equipped with three active prisms. The precision achieved by this system approaches the millimeter scale. The thesis aims to describe the system's functioning and enhance its precision through diverse deployments. The introduction explains the main problematic of the thesis and the methodology employed to solve it. Chapter 1 lays out fundamental concepts for mobile robotic trajectory comparisons. In Chapter 2, we detail the setup of this three robotic total station system, along with initial comparisons against satellite positioning systems. Robotic total stations outperform satellite positioning systems in precision for generating control trajectories, especially in forested environments. Chapter 3 introduces a novel extrinsic calibration method that enhances the precision of the three robotic total station system. We compare this novel method against existing extrinsic calibration methods in mobile robotics and geomatics, demonstrating its superiority in terms of precision and on-field efficiency. Chapter 4 meticulously analyzes the uncertainty associated with the three robotic total station system, including the propagation of measurement noise. We demonstrate that this predominant noise comes from inherent total station precision and extrinsic calibration. Chapter 5 recounts insights gained during multiple eighteen-month deployments. We analyze challenges encountered during system usage and offer guidance to researchers working with robotic total stations. This thesis showcases the feasibility of generating a six-degrees-of-freedom control trajectory for a robotic platform using three robotic total stations.

L’industrie offshore, pétrolière et gazière est le principal utilisateur des robots sous-marins, plus particulièrement de véhicules télé-opérés (ou ROV, Remotely Operated Vehicle). L'inspection, la construction et la maintenance de diverses installations sous-marines font parties des applications habituelles des ROVs dans l’industrie offshore. La capacité à maintenir un positionnement stable du véhicule ainsi qu’à soulever et déplacer des charges lourdes est essentielle pour certaines de ces applications. Les capacités de levage des ROVs sont cependant limitées par la puissance de leur propulsion. Dans ce contexte, cette thèse présente un nouveau concept d’actionnement hybride constitué de câbles et de propulseurs. Le concept vise à exploiter les fortes capacités de levage des câbles, actionnés par exemple depuis des navires de surfaces, afin de compléter l’actionnement d’un robot sous-marin. Plusieurs problèmes sont soulevés par la nature hybride (câbles et propulseurs) de ce système d'actionnement. En particulier, nous étudions l’effet de l'actionnement supplémentaire des câbles par rapport à un actionnement exploitant uniquement des propulseurs et nous tâchons de minimiser les efforts exercés par ces derniers. Ces deux objectifs sont les principales contributions de cette thèse. Dans un premier temps, nous modélisons la cinématique et la dynamique d'un robot sous-marin actionné à la fois par des propulseurs et des câbles et équipé d'un bras manipulateur. Un tel système possède une redondance cinématique et d'actionnement.. L'étude théorique sur l'influence de l'actionnement supplémentaire par câbles est appuyée par une étude en simulation, comparant les capacités de force d'un système hybride (câbles et propulseurs) à celles d'un système actionné uniquement par des propulseurs. L'évaluation des capacités est basée sur la détermination de l'ensemble des forces disponibles, en considérant les limites des forces d'actionnement. Une nouvelle méthode de calcul est proposée, pour déterminer l'ensemble des forces disponibles. Cette méthode est basée sur le calcul de la projection orthogonale de polytopes et son coût calculatoire est analysé et comparé à celui d'une méthode de l’état de l’art. Nous proposons également une nouvelle méthode pour le calcul de la distribution des forces d'actionnement, permettant d'affecter une priorité supérieure au sous-système d'actionnement par câbles afin de minimiser les efforts exercés par les propulseurs. Plusieurs cas d'études sont proposés pour appuyer les méthodes proposées. / The offshore industry for oil and gas applications is the main user of underwater robots, particularly, remotely operated vehicles (ROVs). Inspection, construction and maintenance of different subsea structures are among the applications of ROVs in this industry. The capability to keep a steady positioning as well as to lift and deploy heavy payloads are both essential for most of these applications. However, these capabilities are often limited by the available on-board vehicle propulsion power. In this context, this thesis introduces the novel concept of Hybrid Cable-Thruster (HCT)-actuated Underwater Vehicle-Manipulator Systems (UVMS) which aims to leverage the heavy payload lifting capabilities of cables as a supplementary actuation for ROVs. These cables are attached to the vehicle in a setting similar to Cable-Driven Parallel Robots (CDPR). Several issues are raised by the hybrid vehicle actuation system of thrusters and cables. The thesis aims at studying the impact of the supplementary cable actuation on the capabilities of the system. The thesis also investigate how to minimize the forces exerted by thrusters. These two objectives are the main contributions of the thesis. Kinematic, actuation and dynamic modeling of HCT-actuated UVMSs are first presented. The system is characterized not only by kinematic redundancy with respect to its end-effector, but also by actuation redundancy of the vehicle. Evaluation of forces capabilities with these redundancies is not straightforward and a method is presented to deal with such an issue. The impact of the supplementary cable actuation is validated through a comparative study to evaluate the force capabilities of an HCT-actuated UVMS with respect to its conventional UVMS counterpart. Evaluation of these capabilities is based on the determination of the available forces, taking into account the limits on actuation forces. A new method is proposed to determine the available force set. This method is based on the orthogonal projection of polytopes. Moreover, its computational cost is analyzed and compared with a standard method. Finally, a novel force resolution methodology is introduced. It assigns a higher priority to the cable actuation subsystem, so that the forces exerted by thrusters are minimized. Case studies are presented to illustrate the methodologies presented in this thesis.