Tesis sobre el tema "Robot à double bras"

Nous nous intéressons ici au problème de la coordination de plusieurs bras manipulateurs au moyen de la vision. Après avoir étudié les approches de commande dédiées à ce problème, notre première contribution a consisté à établir un formalisme basé sur l'asservissement visuel 2D. Ce formalisme permet de bénéficier des images fournies par une ou plusieurs caméras, embarquées ou déportées, pour coordonner les mouvements d'un système robotique multi-bras. Il permet de plus d'exploiter la redondance de ce type de système pour prendre en compte des contraintes supplémentaires. Nous avons ainsi développé une stratégie de commande pour réaliser une tâche de manipulation coordonnée tout en évitant les butées articulaires et la perte des indices visuels. Afin d'aller plus loin et de tolérer les occultations, nous avons proposé des approches permettant de reconstruire la structure des objets manipulés et donc les indices visuels qui les caractérisent. Enfin, nous avons validé nos travaux en simulation et expérimentalement sur le robot PR2
We address the problem of coordinating a dual arm robot using one or several cameras. After proposing an overview of the control techniques dedicated to this problem, we develop a formalism allowing to coordinate the motions of several arms thanks to multicameras image based visual servoing. Our approach allows to bene?t from the natural redundancy provided by the robotic system to take into account useful constraints such as joint limits and occlusions avoidance. We propose a strategy to deal with these tasks simultaneously. Finally, to make our control more robust with respect to image losses, we reconstruct the structure of the manipulated objects and the corresponding visual features. To validate our approach, we use the formalism to make the dual arm PR2 robot recap a pen. Simulations and experimental results are provided

La compliance est une qualité nécessaire en Robotique pour un grand nombre de tâches de contact. Pour conférer un comportement compliant à un robot, plusieurs solutions sont possibles ; une étude bibliographique fait le point sur ces différentes solutions. Parmi celles-ci, nous avons retenu celle qui consiste à utiliser la compliance de l'actionneur ; nous proposons l'emploi d'actionneurs électropneumatiques originaux à soufflets métalliques bénéficiant d'une compliance intinsèque due à la flexibilité du soufflet et à la compressibilité de l'air. Deux conceptions de l'actionneur, respectivement à un et deux soufflets, sont comparées, afin d'en faire apparaître les avantages et inconvénients. Nous montrons qu'il est possible de contrôler la compliance de l'axe, soit par un retour d'état classique, soit par retour d'effort explicite, sans capteur d'effort. Dans les deux cas, on peut conserver une bonne stabilité de l'ensemble. Cependant, la commande par retour d'effort explicite offre des avantages certains par rapport à une commande classique : elle permet de modifier la compliance de l'actionneur linéairement en agissant sur un unique paramètre, sans influence sur le gain statique ; elle autorise également une latitude de réglage plus importante et l'obtention d'une compliance supérieure à celle du soufflet lui-même. De nombreux essais confirment bien les modèles et l'approche théorique. Pour valider notre démarche, nous avons pratiqué des tests sur un prototype à un bras, piloté par ce type d'actionneur, simulant un tiers de robot parallèle DELTA. Ces tests montrent que conformément à l'approche théorique la compliance du bras est ajustable en modifiant celle de l'actionneur par les lois de commande décrites ci-dessus
Compliance is a characteristic required in Robotics for many contact tasks. Several ways are possible to confer a compliant behaviour on the robot ; a bibliographical study takes stock of these different solutions. Among all these, we have chosen the one consisting in using the actuator compliance ; we propose to use electropneumatic actuators composed of metal bellows having the advantage of an inherent compliance due to bellows flexibility and air compressibility. Two actuators designs, respectively with one and two bellows, are compared in order to make appear advantages and drawbacks. We show that it is possible to control axis compliance, either with a classical state feedback, or with an explicit force feedback, without force sensor. In the two cases, a good stability is remained. However, explicit force feedback control presents advantages comparing to classical control : it allows to modify actuator compliance linearly acting on a single parameter, without influence on the static state ; it allows a greater tuning range too and to obtain a compliance more important than the bellows compliance. A lot of tests verify the models and the theoretical approach. To validate our global approach, experiments have been done on a one-arm prototype, driven by this kind of actuator, and standing for a third of a parallel DELTA robot. These tests show that, in accordance with the theoretical approach, the arm compliance is adjustable modifying the actuator compliance with

Cette thèse est consacrée à l'étude de la manipulation et de la coordination robotique à deux bras ayant pour objectif le développement d'une approche unifiée dont différentes tâches seront décrites dans le même formalisme. Afin de fournir un cadre théorique compact et rigoureux, les techniques présentées utilisent les quaternions duaux afin de représenter les différents aspects de la modélisation cinématique ainsi que de la commande. Une nouvelle représentation de la manipulation à deux bras est proposée - l'espace dual des tâches de coopération - laquelle exploite l'algèbre des quaternions duaux afin d'unifier les précédentes approches présentées dans la littérature. La méthode est étendue pour prendre en compte l'ensemble des chaînes cinématiques couplées incluant la simulation d'un manipulateur mobile. Une application originale de l'espace dual des tâches de coopération est développée afin de représenter de manière intuitive les tâches principales impliquées dans une collaboration homme-robot. Plusieurs expérimentations sont réalisées pour valider les techniques proposées. De plus, cette thèse propose une nouvelle classe de tâches d'interaction homme-robot dans laquelle le robot contrôle tout les aspects de la coordination. Ainsi, au-delà du contrôle de son propre bras, le robot contrôle le bras de l'humain par le biais de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) dans le cadre d'applications d'interaction robot / personne handicapée. Grâce à cette approche générique développée tout au long de cette thèse, les outils théoriques qui en résultent sont compacts et capables de décrire et de contrôler un large éventail de tâches de manipulations robotiques complexes.

Les forces et faiblesses des robots différant grandement de celles des humains, les robots chirurgicaux ont plusieurs avantages qui expliquent leur utilisation croissante en salle d'opération. Cependant, la robotique chirurgicale demeure un domaine qui comporte de nombreux défis. Plutôt que de travailler directement au niveau de l'application sur un robot spécifique, il a été décidé de concentrer les efforts sur une des composantes mécaniques qui impose des limitations aux interactions humain-robot : l'actionneur. Dans cette optique, un prototype de bras interactif a été réalisé en utilisant la technologie de l'Actionneur Différentiel Élastique (ADE), un actionneur élastique haute-performance de faible impédance mécanique intrinsèque. Le bras à trois degrés de liberté, dont les actionneurs sont contrôlés en impédance, pourra servir à étudier la façon dont les interactions humain/robot permettent d'augmenter les capacités humaines de manipulation. Le contrôle d'impédance de l'ADE a été utilisé en tant que noyau central lors du développement du contrôle du bras interactif. L'analyse des performances dans la plage de fréquence d'intérêt suggère un bon comportement de l'actionneur lorsque l'impédance mécanique demandée est faible.Les premiers essais d'interaction humain-robot avec le bras interactif suggèrent que l'ADE est tout indiqué pour une telle application. Le contrôle d'impédance développé a pu être utilisé dans le cadre d'une autre application robotique : le contrôle des axes de direction du robot mobile omnidirectionnel AZIMUT[indice inférieur 3].

Dans la marche humaine, il est supposé que les bras ont un mouvement passif qui diminue la consommation énergétique de la marche. La question abordée dans ce travail est le rôle des bras pour la marche d’un robot humanoïde. L’étude a deux objectifs : vérifier l’effet des bras sur l’énergie consommée durant la marche, et vérifier si le mouvement optimal des bras est passif. Nous avons d’abord défini par optimisations paramétriques des marches cycliques optimales pour un robot bipède évoluant en 2D. Différentes évolutions des bras ont été envisagées : bras attachés au tronc, bras constitués d’un ou 2 corps actionnés solidaires du tronc ou ayant un mouvement libre et bras passifs. Différentes marches plus ou moins complexes ont été abordées. La comparaison de nos résultats pour différentes vitesses de marche a montré l’intérêt d’un mouvement actif des bras. L’énergie fournie dans les articulations des bras permet de réduire la consommation énergétique globale principalement à des vitesses de marche élevées pour les différentes allures envisagées. Un mouvement passif des bras aura une grande amplitude quand la fréquence naturelle des bras coïncide avec la fréquence de la marche. L’ajout de ressorts au niveau des épaules permet d’ajuster la fréquence naturelle des bras à celle de la marche, mais malgré tout concernant la consommation énergétique des bras actifs sont plus efficaces que des bras passifs. Une étude en 3D des marches du robot a ensuite permis de confirmer l’intérêt sur la consommation énergétique de l’actionnement des bras. Ces tests ont aussi mis en évidence le moindre coût d’une marche avec un mouvement des bras normal par rapport à un mouvement anti-normal
In human walking, it is assumed that the arms have a passive movement which reduces the energy consumption of walking. The issue addressed in this work is the role of arms on the walking of a humanoid robot. The study has two objectives: to verify the effect of arms on the energy consumption during walking, and whether the optimal movement of the arms is passive. Firstly, by a parametric optimization, we defined optimal cyclic gaits for a biped robot moving in 2D. Different evolutions of arms were considered: arms attached to the trunk, arms consist of one-link or two links held to the trunk or having a free motion and passive arms. Different gaits, more or less complex, have been studied. The comparison of our results for different walking speeds showed the importance of active movement of the arms. The energy supplied in the joints of arms allows reducing the global energy consumption especially for high walking speeds. A passive movement of the arms will have large amplitude when the natural frequency of the arm coincides with the frequency of walking gait. Adding springs at the shoulders allows adjusting the natural frequency of the arms to that of walking gait. However, the energy consumption of active arms remains more effective than that of passive arms. A 3D study of bipedal walking was then used to confirm the interest of arms actuation in the minimization of energy consumption. These tests show that walking with a normal arms swinging has lower cost with respect to anti-normal arms swinging

L’institut de recherche d’Hydro-Québec développe depuis de nombreuses années un robot à 6 degrés de liberté afin de réaliser des réparations in situ d’équipements hydroélectriques. Ce robot a été conçu dans le but d’effectuer plusieurs tâches de réparation comme le soudage, le meulage, ou encore le martelage, tout en gardant l’équipement à réparer dans son environnement. Pour ceci le robot possède des qualités de compacité, de portabilité et de légèreté qui impliquent malheureusement des problèmes au niveau vibratoire lors de différents procédés. Ce mémoire présente donc la modélisation numérique du robot SCOMPI à 6 degrés de liberté à l’aide d’un logiciel multi-corps MD Adams. La flexibilité des joints et membrures sont mises en places dans ce modèle. Les phénomènes tels que la rigidité non-linéaire, l’erreur cinématique et l’hystérésis sont introduits dans la flexibilité des joints. Ensuite, pour considérer la flexibilité des membrures, un logiciel éléments-finis, Patran, est utilisé en parallèle afin de déterminer les informations modales de chaque bras et de les introduire dans le modèle Adams. Le comportement vibratoire peut donc être observé pour une trajectoire prédéfinie. Ensuite, une partie expérimentale est exposée. Elle a pour objectif de valider le modèle numérique en inspectant la trajectoire de l’effecteur avec un système de mesure laser. En effectuant un traitement des données avec notamment l’utilisation d’un programme de minimisation paramétrée, les données mesurées par le laser de poursuite peuvent être confrontées aux données simulées par Adams. L’étude des mesures dynamiques permettent donc de déterminer l’effet de différents phénomènes comme la rigidité, l’hystérésis et l’erreur cinématique. L’importance de la rigidité non-linéaire a pu être montrée et la trajectoire globale du robot SCOMPI a été retrouvée avec le modèle Adams. Les modes vibratoires ont également pu être retrouvés avec le logiciel Adams. Pour finir, une modélisation simplificatrice des efforts de meulage est mise en place dans le modèle numérique en introduisant un balourd au niveau du disque de meulage. Cette modélisation permet de tester la stabilité du modèle mais aussi de voir l’apparition d’ondulations vibratoires lorsque le robot est excité par une force dynamique à l’effecteur.

Ce mémoire présente le développement d’un algorithme de cinématique d’interaction dans un contexte de coopération humain-robot. Cet algorithme vise à faciliter le contrôle de bras robotiques en évitant les collisions, singularités et limites articulaires du robot lorsqu’il est contrôlé par un humain. La démarche adoptée pour l’ateinte de l’objectif est le prototypage d’un algorithme sur une structure robotique simple, la validation expérimentale de ce prototype, la généralisation de l’algorithme sur une base robotique à 6 degrés de liberté et la validation de l’algorithme final en le comparant expérimentalement avec un algorithme similaire. Premièrement, le prototype d’algorithme est développé sur un bras robotisé Jaco, de l’entreprise Kinova, duquel le poignet a été retiré. Cette architecture permet le déplacement de l’effecteur selon 3 degrés de liberté en translation. L’algorithme développé sur cette base robotique permet : — l’évitement des collisions avec les objets présents dans l’environnement de travail, — l’évitement des limitations articulaires — et l’évitement des singularités propres à l’architecture du robot. Les performances de l’algorithme sont ensuite validées lors d’expérimentations dans lesquelles il a été démontré que l’algorithme a permis une réduction d’approximativement 50% du temps de complétion d’une tâche donnée tout en réduisant l’attention que l’utilisateur doit porter sur le contrôle du robot comparativement à l’attention portée à l’accomplissement de la tâche demandée. Ensuite, des améliorations sont apportées à l’infrastructure : — une méthode de numérisation de l’environnement de travail est ajoutée, — un meilleur algorithme de détection de collisions et de mesure des distances minimales entre les membrures du robot et les obstacles présents dans l’environnement de travail est implémenté. De plus, une méthode de balayage de l’environnement de travail à l’aide d’une caméra Kinect ainsi qu’un algorithme de segmentation de nuage de points en polygones convexes sont présentés. Des tests effectués avec l’algorithme prototype ont été effectués et ont révélé que bien que des imperfections au niveau de la méthode de balayage existent, ces modifications de l’infrastructure peuvent améliorer la facilité avec laquelle l’algorithme de cinématique d’interaction peut être implémenté. Finalement, l’algorithme implémenté sur une architecture robotique à six degrés de liberté est présenté. Les modifications et les adaptations requises pour effectuer la transition avec la version initiale de l’algorithme sont précisées. Les expérimentations ont validé la performance de l’algorithme vis à vis un autre algorithme de contrôle pour l’évitement de collisions. Elles ont démontré une amélioration de 25% en terme de temps requis pour effectuer une tâche donnée comparé aux temps obtenus avec un algorithme de ressorts-amortisseurs virtuels.

Une etude est menee sur la commande d'un robot manipulateur a deux bras maintenant un objet, en vue de gerer la deformation de la chaine cinematique fermee ainsi constituee. Ce probleme general est traite a travers deux applications: la deformation controlee d'un objet flexible manipule par les deux bras, et la compensation de la deformation des deux bras exercant des efforts importants sur un objet rigide. Les solutions proposees dans chacun des cas reposent sur la determination de commandes en effort. Les principes developpes sont valides a l'issue d'experimentations realisees sur deux sites reels, l'un constitue de deux robots puma 560 utilises pour la deformation d'objets et l'autre constitue de deux robots gmf de forte charge utilises dans le cadre d'une operation de rivetage en industrie aeronautique, necessitant la compensation de la deformation des bras. Dans ce dernier cas, afin d'obtenir un grain de temps suffisant pour envisager son utilisation en production, une solution mettant en uvre un modele de reference n'utilisant pas de mesure d'effort est egalement proposee

L’apparition de robots de service de plus en plus complexes ouvre de nouvelles perspectives quant aux tâches de manipulation d’objets. Malgré les progrès récents des techniques de planification de mouvement, peu d'entre elles s'intéressent directement à des systèmes multi-bras comme les torses humanoïdes. Notre contribution à travers cette thèse porte sur trois aspects. Nous proposons une technique de planification de mouvement performante basée sur la coordination des mouvements du système multi-bras. Elle exploite au mieux la structure du système en la divisant en parties élémentaires dont les mouvements sont planifiés indépendamment du reste du système. La fusion des différents réseaux élémentaires générés est ensuite réalisée dans le but d’obtenir un graphe prenant en compte le robot tout entier. Une seconde contribution porte sur l'extension des méthodes de planification pour des robots présentant des chaînes cinématiques fermées. Ces boucles cinématiques apparaissent dans le système lorsque, par exemple, le torse humanoïde saisit un objet avec plusieurs bras. Cette méthode traite explicitement les configurations singulières des manipulateurs, offrant ainsi une meilleure maniabilité de l’objet. Finalement, nous proposons deux approches pour la planification de tâches de manipulation d'objets par un torse humanoïde. La première concerne la résolution d’une tâche de prise et pose d'objets par un torse humanoïde à deux bras dans le cas où les contraintes imposées par la tâche nécessitent le passage par une double prise afin de transférer l'objet d'une main à l'autre. La seconde porte sur la résolution du même type de tâche par un manipulateur mobile. La thèse, effectuée dans le cadre du projet européen Phriends, présente les résultats d'expérimentations réalisées sur le robot Justin, démonstrateur du projet
The emergence of new more and more complex service robots opens new research fields on objet manipulation. Despite the recent progresses in motion planning techniques, few of them deal directly with multi-arm systems like humanoid torsos. Our contribution through this thesis focuses on three aspects. We present an efficient motion planning technique based on the multi-arm system motion coordination. It takes advantage of the system's structure by dividing it into elementary parts of which movements are planned independently of the rest of the system. Generated elementary networks are then fused to obtain a roadmap that takes into account the whole robot. The second contribution consists of the extension of motion planning methods for a robot under loop closure constraints. These kinematic loops appear in the system when, for example, the humanoid torso grasps an objet with two arms. This method treats explicitly the singular configurations of the manipulators, providing better handling of the object. Finally, we present two approaches for planning object manipulation tasks by humanoid torsos. The first concerns solving pick and place task by humanoid torso where the imposed task constraints require a passage through a double grasp to transfer the object from one hand to the other. The second approach concerns the resolution of the same type of task by a mobile manipulator. The presented methods have been integrated on a real platform, Justin, and validated with experiments in the frame of E.U. FP-6 PHRIENDS project

La redondance est présente dans toutes les plateformes robotiques, elle est soit intrinsèque et explicite dans l’architecture mécanique du robot, ou implicite et n’apparaît que lors de l’exécution de certaines tâches. Cette thèse identifie, classifie les différents types de redondances et traite leur résolution cinématique lors de l’application de plusieurs tâches simultanées sur un système redondant avec une priorité spécifique. Une approche de multi-points de contrôle et des formalismes de résolution de la redondance ont été développés et validés par l’application de plusieurs tâches de service et d’assistance sur un système multi-bras pour la découpe de la viande et deux robots humanoïdes HRP-2 et Nao. En utilisant différents types de capteurs, notamment des systèmes de vision embarqués et déportés, plusieurs techniques ont été implémentées sur ces plateformes robotiques pour appliquer, en simulation et en temps réel, les tâches désirées (localisation, saisie, navigation, visibilité. . ) tout en respectant les contraintes du système (évitement de collision, occultation, butées articulaires,. . . )
Redundancy is present in all the robotic platforms; it is either intrinsic and explicit in the robot’s mechanical architecture, or implicit and appears only when applying specific tasks. This thesis identifies and classifies the different types of redundancies; it also addresses their kinematic resolution when applying several simultaneous and prioritized tasks on a general redundant system. Multi-control points approach and redundancy resolution formalisms were developed and validated by the application of several industrial, service and assistive tasks on three different platforms: a multi-arm system for meat cutting and two humanoid robots (HRP-2 and Nao). Using various types of embedded and external vision sensors, several techniques were integrated into these robotic platforms to apply, in simulation and real-time, the desired scenarios (localization, grasping, navigation, visibility,. . . ) while taking into account the system constraints (collision, occlusion, joint limits avoidance,. . . )

In surgery, suturing is the use of needle and thread to join cut and/or damaged anatomical structures together. This repair strategy is highly versatile and is universal for all types of surgery as the goal is to restore, repair or improve function and/or appearance. The needles are almost always curved in shape, and it is handled and maneuvered by surgeons with a special tool called: needle driver. The versatility of this setup has proven its worth over time as needle drivers are one of the indispensable instruments in all types of surgery. We are entering a future where robots can be programmed to execute tasks with much higher level of precision and speed compared to humans. Medical robotics in surgery has gained ground over the past decades due to promising clinical results. A straightforward step in this direction would be to create a solution that enables the robot to grip needle driver. The purpose of this study was to develop a gripper tool that enables a collaborative robot to perform suturing with one of the most common types of needle drivers used in surgery. The Double Diamond design framework was employed. The selected content in the predefined four phases were: 1) Discover: Observation, MoSCoW Prioritization, Brainstorming, Choosing a Sample, Fast Visualisation, 2) Define: Assessment criteria, 3) Develop: Physical prototyping 4) Deliver: Final testing and Evaluation. In the first phase, Discover, clinical and technical demands were formulated. In the second phase, Define, numerous design ideas were generated and drafted on paper whereof the one with highest assessment score was chosen for physical prototyping. In phase three, Develop, the selected design idea was modelled in cardboard, clay and silicon, and 3D printed. Multiple design iterations were guided by feedback from clinical and technical experts and resulted in a final prototype design that was accepted by the experts. In phase four, Deliver, the final prototype was subjected to final testing and evaluation. Observation of five live and one video recording of surgical procedures on real patients were made. The insights gained were confirmed with the lead and co-surgeons of each procedure and were summarized in 24 clinically important observations relevant for the gripper tool design. Careful analysis of the previously designed gripper tool, live observation of the robot’s motion pattern and range, and interview with robotic engineer were summarized in ten technically important observations. The observations were then used to formulate the clinical and technical demands that the gripper tool design aims to fulfill, followed by prioritizing the demands and design features according by MoSCoW method and brainstorming on how to improve previous gripper tool design. To limit the scope of the design challenge, one of the five types of needle drivers used in pediatric heart surgery in Lund was selected in the method Choosing a Sample. To further characterize the clinical and technical demands, a test bench was set up to Define and measure force vectors applied on the needle driver when held by a surgeon during suturing. The radial forces vectors in six directions perpendicular to the tip of the needle driver ranged from 1.6 N to 3.8 N. The axial force along the length of the needle driver was 7.6 N towards the tip and 8.4 N towards the back end. The clockwise and counterclockwise torque along the length axis of the needle driver was 0.2 Nm and 0.18 Nm, respectively. The set of defined demands were sufficient to sketch numerous ideas of gripper tool designs according to the Fast Visualization method. These designs were then used in the Define phase to communicate the design ideas with surgeons, robotic and product development engineers. The most promising idea was advanced to the Develop phase where physical prototypes were produced in cardboard, clay and silicon and 3D printed. Inadequacies were found during design feedback with interviews and testing together with clinical and technical experts, and design actions were taken to arrive at the final prototype. The final prototype was brought into the Deliver phase for final testing and evaluation. The gripper tool could handle lager force loads than the human surgeon in all the stability tests. However, deflection of the needle driver occurred with the gripper tool unlike when the surgeon was subject to stability testing. One pediatric heart surgeon and one robotic engineer was asked to generate a composite score of fulfillment rate from 1–5, where 1 is bad, 3 satisfactory, and 5 excellent after final testing of the gripper tool was carried out. The final prototype of the gripper tool fulfills all clinical and technical demands at the level of 4, and 3–5, respectively. In conclusion, the design methodology used in this study was useful in the development of a gripper tool design that respects both clinical and technical demands. This suggest that the methodology may be used in similar setting of design challenges in the field between medical and technical innovation. The gripper tool fulfilled the demands, although further refinement in the choice of material, further testing and investigation of regulatory aspects are required before it can be implemented in the operating room.
Vid operation är suturering användningen av nål och tråd för att sammanfoga snittad och/eller skadade anatomiska strukturer. Denna reparationsstrategi är mycket mångsidig och universell för alla typer av kirurgi eftersom målet är att återställa reparera eller förbättra funktion och/eller anatomisk defekt. Nålarna är nästan alltid krökta i sin form och de hanteras och manövreras av kirurgerna med ett speciellt verktyg som kallas: nålförare. Mångsidigheten i denna uppställning har visat sig över tid eftersom nålförare är ett av de oumbärliga instrumenten vid alla typer av operationer. Vi går in i en framtid där robotar kan programmeras för att utföra uppgifter med mycket högre precision och hastighet jämfört med människor. Medicinska robotar inom kirurgi har varit på frammarsch senaste årtionden på grund av goda kliniska resultat. Ett steg i denna riktning skulle vara att skapa en lösning som gör det möjligt för en robot att greppa nålföraren. Syftet med denna studie var att utveckla ett gripdon som möjliggör för en kollaborativ robot att utföra suturering med hjälp av en av de vanligaste typerna av nålförare som används vid operation. Design metodiken Double Diamond användes för att beskriva design processensen. Det valda metoderna i de fyra för definierade faser var: 1) Discover: Observation, MoSCoW Prioritization, Brainstorming, Choosing a Sample, Fast Vissualization, 2) Define: Assessment criteria, 3) Develop: Physical Prototyping, 4) Deliver: Final testing and Evaluation. I första fasen, Discover, formulerades kliniska och tekniska krav. I den andra fasen, Define, definierades flera designidéer som skissades på papper, varav den med den högsta poängen valdes i Assessment criteria. I fas tre, Develop, modellerades den valda designidén i kartong, lera och silikon samt 3D-printades. Flera designiterationer gjordes baserat på feedback från kliniska och tekniska experter vilket resulterade i en slutlig prototypdesign som godkändes av experterna. I fas fyra, Deliver, testades och utvärderades den slutliga prototypen. Observation av fem realtids och en videoinspelning av kirurgiska ingrepp på riktiga patienter gjordes. Insikterna som gjordes bekräftades med kirurgerna som genomförde operationen och sammanfattades i 24 kliniskt viktiga observationer som var relevanta för gripdon designen. Noggrann realtids observation av robotens rörelsemönster samt analys av det tidigare utformade gripdonen och intervju med en robotingenjör sammanfattades i tio tekniskt viktiga observationer. Observationerna användes för att formulera kliniska och tekniska krav som gripdons designen strävar efter att uppfylla, följt av prioritering av kraven och designegenskaper enligt MoSCoW-metoden och brainstorming kring hur tidigare gripdons design kan förbättras. För att begränsa designutmaningens omfattning valdes en av de fem typer av nålförare som används vid barnhjärtkirurgi i Lund genom metoden Chossing a sample. För att ytterligare karakterisera de kliniska och tekniska kraven upprättades en testbänk för att definiera och mäta kraftvektorer som appliceras på nålföraren när den hålls av en kirurg under suturering. De radiella krafterna i sex riktningar vinkelrätt mot nålförarens spets varierade från 1,6 N till 3,8 N. Den axiella kraften längs nålförarens längd var 7,6 N mot spetsen och 8,4 N mot bakänden. Medurs och moturs vridmoment längs nålförarens längdaxel var 0,2 Nm respektive 0,18 Nm. Dom definierade kraven låg till grund för skisser av flertal gripdondesign idéer enligt Fast Visualization. Dessa skisser användes sedan i Define fasen för att kommunicera designidéer med kirurger samt robot- och produktutvecklingsingenjörer. Den mest lovande idén togs till Develop fasen där fysiska prototyper togs fram i kartong, lera och silikon samt genom 3D-printning. Förbättringspunkter hittades under testning och återkoppling med intervjuer tillsammans med kliniska och tekniska experter. Designåtgärder baserat på återkopplingen gjordes för att komma fram till den slutliga prototypen. Slutlig testning och utvärdering av den slutliga prototypen genomfördes i Deliver fasen. Gripdons designen kunde hantera större belastningar än den mänskliga kirurgen i alla stabilitetstester. Böjning av nålföraren uppstod dock i testerna med gripverktyget till skillnad från testerna med kirurgen var föremål för stabilitetsprovning. En barnhjärtkirurg och en robotingenjör poängsatte uppfyllnadsgrad av de kliniska respektive tekniska kraven efter att slutlig testning av gripdonet utförts. Uppfyllnadsgraden poängsattes från 1–5 där 1 var dålig, 3 tillfredsställande och 5 utmärkt. Gripdonets slutliga prototyp uppfyller alla kliniska och tekniska krav på nivå 4 respektive 3–5. Designmetodiken som användes i denna studie var användbar för utvecklingen av gripdon som uppfyller både de kliniska och tekniska kraven. Detta tyder på att denna metod kan användas i liknande designutmaningar inom området mellan medicinsk och teknisk innovation. Gripdonet uppfyllde kraven även om ytterligare förfining i materialvalet, ytterligare testning och undersökning av regulatoriska aspekter krävs innan den kan användas under riktiga operationer i operationssalen.

Ce memoire de these presente une loi de commande position/force robuste pour des robots a architecture complexe. Nous etablissons tout d'abord, au chapitre un, une definition de la robustesse dans le cadre de la commande de robot manipulateur ainsi qu'une definition des incertitudes et des perturbations associees a la meconnaissance du modele. Nous presentons divers principes de commandes robustes. Les differents moyens d'experimentation et de validation mis a notre disposition sont exposes au chapitre deux. Il s'agit notamment d'un robot a deux bras compose de deux puma 560, d'un simulateur de ce robot que nous avons developpe et d'un robot parallele delta. Le chapitre trois est consacre a l'etude, l'analyse et la validation experimentale d'une loi de commande robuste en position, originale, basee sur le principe de la commande par regime glissant. Nous traitons, au quatrieme chapitre, en prenant le modele d'un actionneur simplifie, le probleme specifique de la commande en effort. Nous proposons une solution simple a mettre en uvre pour rendre une loi quelconque de commande en effort, insensible aux variations de la raideur de l'environnement. Des resultats experimentaux sont presentes au terme de cette etude. Au cinquieme chapitre nous faisons la synthese des resultats que nous avons obtenus et nous proposons un schema de commande hybride robuste pour un robot manipulateur a deux bras. Une validation de ce schema de commande est realisee en simulation

Dans le cadre de la collecte sous-marine d'échantillons biologiques et minéraux pour la recherche scientifique par un robot sous-marin équipé de bras manipulateurs, ce projet de thèse a pour but principal le développement de nouvelles techniques de manipulation des échantillons, plus fiables, permettant d'en assurer l'intégrité physique et leur exploitabilité par les chercheurs. Les nouvelles techniques de manipulation proposées prennent en compte l'actionnement particulier des nouveaux bras électriques sous-marins équipant les engins récents, afin d'augmenter la précision du positionnement des outils embarqués par le manipulateur. Un outil amovible, compliant, et mesurant les efforts d'interaction entre les bras du sous-marin et leur environnement est aussi proposé, et des méthodes permettant de tirer partie des caractéristiques de cet outil sont développées et testées expérimentalement. L'engin sous-marin hybride HROV Ariane, équipé de deux bras électriques hétérogènes, offre la plateforme opérationnelle pour la validation expérimentale des solutions proposées
The research carried out in the scope of this doctorate degree aims to develop innovative techniques to improve the collection of biological and mineral samples underwater using robotic manipulators. The end goal is to enhance the handling by robotic means in order to maximise sample quality provided to marine scientists. The proposed techniques are based on an in-depth analysis of the robotic arm actuators used in most recent underwater intervention vehicles, in order to improve the accuracy of the positionning of the tools held by the manipulator arms. An instrumented tool has also been developed with the aim to measure the reaction forces and adapt the interaction between the arm's end-effector and its environment to improve samples handling. These methods and the other contributions described in this thesis have been experimentally validated using Ifremer's hybrid-ROV Ariane equipped with two electrically actuated heterogeneous robotic arms

Cette thèse a pour objectif principal de développer une loi de commande pour contrôler un robot à deux bras afin de remplir les tâches de manipulation et de garantir les aspects de sécurité pour l'homme et le robot. Pour y parvenir, nous avons présenté un aperçu des études qui ont été menées dans ce cadre. Ensuite, nous avons procédé à la modélisation cinématique géométrique et dynamique du robot. Nous avons utilisé le logiciel SYMORO+ pour calculer son modèle dynamique. Au terme d'une présentation détaillée de la méthode d'identification des paramètres des robots manipulateurs, nous avons appliqué celle-ci de manière concrète sur notre propre robot. Ceci nous a permis d'obtenir un vecteur de paramètres capable de garantir une matrice d'inertie définie positive pour toute configuration d'articulation du robot, tout en assurant une bonne qualité de reconstruction du couple pour des vitesses articulaires à la fois constantes et variables. Grâce à cette identification dynamique, nous avons pu réaliser un simulateur précis du robot sur Matlab/Simulink. Les forces externes du robot ont été estimées à partir du module dynamique identifié et une validation expérimentale a été décrite. Pour faire appliquer des lois de commande sur un robot industriel, il a été nécessaire de réfléchir à une communication externe sur le robot. L'approche adoptée a été présentée ainsi que sa réalisation sur le robot. Cette dernière, nous a permis de programmer en python toutes nos problématiques à mettre en œuvre sur le robot. Après avoir validé toutes les étapes préalablement citées nous sommes partis vers l'implémentation de la commande sur le robot. La tâche principale que nous avons adoptée est le dénudage des câbles. A cet effet, nous avons choisi de réaliser une commande hybride force/position dans laquelle les forces externes sont contrôlées afin de garantir l'absence de dommages sur les câbles à dénuder. Le robot qui a servi à réaliser toutes les expériences est le robot IRB14000 YuMi de Abb. Toutes les expériences réalisées dans le cadre de ce projet ont été décrites et présentées. Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet Robotix Academy financé par le fonds européen de développement régional INTERREG V-A Grande Région
The main objective of this thesis is to develop a control law to control a two arm robot in order to achieve the manipulation tasks and to ensure the safety aspects for the human and the robot. To accomplish this, we presented an overview of the studies that have been conducted in this context. Thereafter, we proceeded to the kinematic and dynamic robot modeling. In order to calculate its dynamic model, we used the SYMORO+ software. After giving a detailed presentation of the method for identifying the parameters of manipulator robots, we applied it in a concrete way on our own robot. This allowed us to obtain a vector of parameters able to ensure a positive defined inertia matrix for any robot joint configuration, as well as a good quality of torque reconstruction for both constant and variable joint speeds. Thanks to this dynamic identification, we were able to realize an accurate simulator of the robot on Matlab/Simulink. The external forces of the robot have been estimated from the identified dynamic modulus and an experimental validation has been described. To apply control laws on an industrial robot, it was necessary to think about an external communication on the robot. The adopted approach was presented as well as its realization on the robot. The latter allowed us to program in python all our problems to be implemented on the robot. After having validated all the steps previously mentioned we moved on to the implementation of the control on the robot. The main task we adopted is the stripping of the cables. For this purpose, we chose to implement a hybrid force/position control in which the external forces are controlled in order to guarantee the absence of damage on the cables to be stripped. The robot used to perform all the experiments is the IRB14000 YuMi robot from Abb. All the experiments performed in this project have been described and presented. This thesis work was carried out within the framework of the Robotix Academy project financed by the European regional development fund INTERREG V-A Grande Région

Les robots ont amélioré les industries, en particulier les systèmes d'assemblage basé sur des conveyors et ils ont le potentiel pour apporter plus de bénéfices: transports; exploration de zones dangereuses, mer profonde et même d'autres planètes; santé et dans la vie courante.Une barrière majeure pour leur évasion des environnements industriels avec des enceintes vers des environnements partagés avec les humains, c'est leur capacité réduite dans les tâches d’interaction physique, inclue la manipulation d'objets.Tandis que la dextérité de la manipulation n'est pas affectée par la cécité dans les humains, elle décroit énormément pour les robots: ils sont limités à des environnements statiques, mais le monde réel est très changeant. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui considère le contrôle du contact pendant les interaction physiques entre un robot et l'environnement.Néanmoins, les approches actuelles pour l'interaction physique sont pauvres par rapport au numéro de tâches qu'elles peuvent exécuter. Pour permettre aux robots d'exécuter plus de tâches, nous dérivons des caractéristiques tactiles représentant les déformations de la surface molle d'un capteur tactile et nous incorporons ces caractéristiques dans le contrôleur d'un robot à travers des matrices de mapping tactile basées sur les informations tactiles et sur les tâches à développer.Dans notre première contribution, nous montrons comment les algorithmes de traitement d'images peuvent être utilisés pour découvrir la structure tridimensionnelle subjacente du repère de contact entre un objet et une matrice de capteurs de pression avec une surface molle attachée à l’effecteur d'un bras robotique qui interagit avec cet objet. Ces algorithmes obtiennent comme sorties les soi-disant caractéristiques tactiles. Dans notre deuxième contribution, nous avons conçu un contrôleur qui combine ces caractéristiques tactiles avec un contrôleur position-couple du bras robotique.Il permet à l'effecteur du bras déplacer le repère du contact d'une manière désirée à travers la régulation d'une erreur dans ces caractéristiques. Finalement, dans notre dernière contribution,avec l'addition d'une couche de description des tâches, nous avons étendu ce contrôleur pour adresser quatre problèmes communs dans la robotique: exploration, manipulation, reconnaissance et co-manipulation d'objets.Tout au long de cette thèse, nous avons mis l'accent sur le développement d'algorithmes qui marchent pas simplement avec des robots simulés mais aussi avec de robots réels. De cette manière, toutes ces contributions ont été évaluées avec des expériences faites avec au moins un robot réel. En général, ce travail a comme objectif de fournir à la communauté robotique un cadre unifié qui permet aux bras robotique d'être plus dextres et autonomes. Des travaux préliminaires ont été proposés pour étendre ce cadre au développement de tâches qui impliquent un contrôle multi-contact avec des mains robotiques multi-doigts
Robots have improved industry processes, most recognizably in conveyor-belt assemblysystems, and have the potential to bring even more benefits to our society in transportation,exploration of dangerous zones, deep sea or even other planets, health care and inour everyday life. A major barrier to their escape from fenced industrial areas to environmentsco-shared with humans is their poor skills in physical interaction tasks, includingmanipulation of objects. While the dexterity in manipulation is not affected by the blindnessin humans, it dramatically decreases in robots. With no visual perception, robotoperations are limited to static environments, whereas the real world is a highly variantenvironment.In this thesis, we propose a different approach that considers controlling contact betweena robot and the environment during physical interactions. However, current physicalinteraction control approaches are poor in terms of the range of tasks that can beperformed. To allow robots to perform more tasks, we derive tactile features representingdeformations of the mechanically compliant sensing surface of a tactile sensor andincorporate these features to a robot controller via touch-dependent and task-dependenttactile feature mapping matrices.As a first contribution, we show how image processing algorithms can be used todiscover the underlying three dimensional structure of a contact frame between an objectand an array of pressure sensing elements with a mechanically compliant surfaceattached onto a robot arm’s end-effector interacting with this object. These algorithmsobtain as outputs the so-called tactile features. As a second contribution, we design a tactileservoing controller that combines these tactile features with a position/torque controllerof the robot arm. It allows the end-effector of the arm to steer the contact frame ina desired manner by regulating errors in these features. Finally, as a last contribution, weextend this controller by adding a task description layer to address four common issuesin robotics: exploration, manipulation, recognition, and co-manipulation of objects.Throughout this thesis, we make emphasis on developing algorithms that work notonly with simulated robots but also with real ones. Thus, all these contributions havebeen evaluated in experiments conducted with at least one real robot. In general, thiswork aims to provide the robotics community with a unified framework to that will allowrobot arms to be more dexterous and autonomous. Preliminary works are proposedfor extending this framework to perform tasks that involve multicontact control withmultifingered robot hands

Le besoin grandissant de flexibilité en milieu industriel conduit à reconsidérer la manière dont les robots sont utilisés dans de tels environnements. Il s'ensuit que la relation entre l'homme et les machines doit évoluer au profit d'une plus grande proximité, en leur permettant de partager un espace de travail commun et d'interagir physiquement.Dans cette optique, cette thèse a pour objectif de contribuer au contrôle de robots bi-bras à des fins collaboratives dans un contexte industriel. Pour ce faire, nous proposons une approche de contrôle cinématique réactif basée sur une loi de contrôle en admittance. Celle-ci permet une manipulation d'objets sécuritaire en collaboration physique avec des opérateurs humains. Le contrôleur résout un problème d’optimisation quadratique (QP) afin de trouver le déplacement articulaire permettant de satisfaire la commande spécifiée dans l'espace de la tâche, ceci tout en respectant un ensemble de contraintes (e.g. limites articulaires, évitement de collision).La résolution cinématique peut être adaptée afin de générer des solutions parcimonieuses au niveau des vitesses articulaires, ce qui signifie qu'un nombre minimal d'actionneurs est activé pour assurer la réalisation de la tâche. Cela induit un comportement potentiellement plus sûr dans un environnement évolutif partagé avec des individus.Les plateformes bi-bras comprennent parfois des extensions (par exemple, une base mobile, un torse articulé, etc.). Dans cette thèse, nous présentons une méthode hiérarchique originale pour le contrôle de systèmes multi-robots.Une implémentation open source du travail, acrfull {rkcl}, a été développée. Cette librairie rassemble tous les composants décrits dans cette thèse et peut être facilement configuré pour inclure de nouveaux robots. Tout au long des développements, des validations expérimentales ont été effectuées sur le cobot mobile à deux bras BAZAR
The growing need for flexibility in industrial settings leads to reconsidering the way robotic systems are exploited in such environments. It follows that the relationship between humans and machines has to evolve in favor of more proximity, by letting them share the same workspace and physically interact together.With this in mind, this thesis aims at contributing beyond the state of art in the control of dual-arm robots for collaborative purposes in an industrial context. We propose a generic online kinematic control approach based on an admittance control law which enables safe manipulation of objects in physical collaboration with humans. The controller solves a acrfull{qp} optimization problem to find the joint space motion that satisfies the task space command while respecting a set of constraints (e.g. joint limits, collision avoidance).The kinematic solver can be tuned to generate parsimonious solutions at the joint velocity level, meaning that as few actuators as possible are activated to achieve the tasks. This induces potentially safer behavior in an unstructured environment shared with humans.Dual-arm platforms are sometimes extended to include additional robots (e.g., mobile base, articulated torso, ...). In this thesis, we also present an original hierarchical method for the control of multi-robot systems.An open-source implementation of the work, acrfull{rkcl}, is available. It implements all the components described in this thesis and can be easily configured to work with new robots. Throughout the developments, experimental validations have been performed on the dual-arm mobile cobot BAZAR

L'interaction homme-machine représente un défi de taille pour les personnes à mobilité réduite qui doivent contrôler leur environnement avec des capacités musculaires limitées. Une interface myoélectrique semble tout indiquée pour ce type de population puisqu'elle est intuitive et que les mouvements effectués pour le contrôle peuvent être adaptés aux usagers. Ce mémoire propose l'utilisation de l'analyse discriminante (Linear Discrimante Analysis) pour l'étude de signaux myoélectriques continus servant à la classification de plusieurs mouvements du haut du corps chez les blessés médullaires (BM) de haut niveau lésionnel. Le but de ce travail est de permettre un contrôle sur 16 commandes différentes en utilisant des critères génériques d'apprentissage et d'analyse. Pour ce faire, les signaux électromyographiques (EMG) provenant de 23 sujets (12 sujets sains et 11 BM) ont été analysés. L'étude se penche sur l'influence des paramètres d'apprentissage et d'analyse du classificateur ainsi que sur les mouvements les plus susceptibles d'être classifiés avec succès. De plus, ce travail propose l'analyse des mouvements et stratégies de communication pouvant être utilisées pour la transmission des commandes à un bras robot manipulateur. Le résultat principal de cette étude est que la condition des sujets influence peu les résultats du classificateur et que l'utilisation de paramètres génériques, autant pour l'apprentissage que pour l'analyse des signaux, permet un taux de succès supérieur à 95% dans la classification de cinq groupes (quatre mouvements plus le tonus musculaire) pour tous les sujets BM. L'algorithme de classification permet aussi un taux de succès de 90% pour la classification de neuf groupes (huit mouvements plus le tonus musculaire) et de 82% pour la classification de 13 groupes (12 mouvements plus le tonus musculaire) et ce, pour les sujets sains et BM. Les mouvements préférés pour une interface EMG sont les mouvements unilatéraux d''élévation de l'épaule et de flexion du coude. Les stratégies de communication permettant les meilleurs résultats de classification sont les mouvements de moyenne et de longue durée, les mouvements de forte amplitude ainsi que les séries de deux "clicks". De plus, une investigation sous forme de questionnaire a permis de déterminer que la population des BM était peu encline à utiliser une interface EMG pour le contrôle d'une aide technique et que le joystick standard de leur fauteuil roulant motorisé serait préféré.

Cette thèse de doctorat explore le développement et l'implémentation d'URNik-AI, un système de dépalettisation automatisé basé sur l'intelligence artificielle (IA), conçu pour manipuler des boîtes en carton de tailles et de poids variés à l'aide d'un torse humanoïde à double bras. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité, la précision et la fiabilité des tâches de dépalettisation industrielle grâce à l'intégration de la robotique avancée, de la vision par ordinateur et des techniques d'apprentissage profond.Le système URNik-AI est composé de deux bras robotiques UR10 équipés de capteurs de force/torque à six axes et d'outils de préhension. Une caméra RGB-D ASUS Xtion est montée sur des servomoteurs pan-tilt Dynamixel Pro H42 pour obtenir des images haute résolution et des données de profondeur. Le cadre logiciel comprend ROS Noetic, ROS 2 et le framework MoveIt, permettant une communication fluide et une coordination des mouvements complexes. Ce système assure une haute précision dans la détection, la saisie et la manipulation d'objets dans divers environnements industriels.Une contribution importante de cette recherche est l'implémentation de modèles d'apprentissage profond, tels que YOLOv3 et YOLOv8, pour améliorer les capacités de détection et d'estimation de pose des objets. YOLOv3, entraîné sur un ensemble de données de 807 images, a atteint des scores F1 de 0,81 et 0,90 pour les boîtes à une et plusieurs faces, respectivement. Le modèle YOLOv8 a encore amélioré les performances du système en fournissant des capacités de détection de points clés et de squelettes, essentielles pour la manipulation précise des objets. L'intégration des données de nuage de points pour l'estimation de la pose a assuré une localisation et une orientation précises des boîtes.Les résultats des tests ont démontré la robustesse du système, avec des métriques élevées de précision, rappel et précision moyenne (mAP), confirmant son efficacité. Cette thèse apporte plusieurs contributions significatives au domaine de la robotique et de l'automatisation, notamment l'intégration réussie des technologies robotiques avancées et de l'IA, le développement de techniques innovantes de détection et d'estimation de pose, ainsi que la conception d'une architecture de système polyvalente et adaptable
This PhD thesis explores the development and implementation of URNik-AI, an AI-powered automated depalletizing system designed to handle cardboard boxes of varying sizes and weights using a dual-arm humanoid torso. The primary objective is to enhance the efficiency, accuracy, and reliability of industrial depalletizing tasks through the integration of advanced robotics, computer vision, and deep learning techniques.The URNik-AI system consists of two UR10 robotic arms equipped with six-axis force/torque sensors and gripper tool sets. An ASUS Xtion RGB-D camera is mounted on Dynamixel Pro H42 pan-tilt servos to capture high-resolution images and depth data. The software framework includes ROS Noetic, ROS 2, and the MoveIt framework, enabling seamless communication and coordination of complex movements. This system ensures high precision in detecting, grasping, and handling objects in diverse industrial environments.A significant contribution of this research is the implementation of deep learning models, such as YOLOv3 and YOLOv8, to enhance object detection and pose estimation capabilities. YOLOv3, trained on a dataset of 807 images, achieved F1-scores of 0.81 and 0.90 for single and multi-face boxes, respectively. The YOLOv8 model further advanced the system's performance by providing keypoint and skeleton detection capabilities, which are essential for accurate grasping and manipulation. The integration of point cloud data for pose estimation ensured precise localization and orientation of boxes.Comprehensive testing demonstrated the system's robustness, with high precision, recall, and mean average precision (mAP) metrics confirming its effectiveness. This thesis makes several significant contributions to the field of robotics and automation, including the successful integration of advanced robotics and AI technologies, the development of innovative object detection and pose estimation techniques, and the design of a versatile and adaptable system architecture

Cette thèse est consacrée à l'étude de la manipulation et de la coordination robotique à deux bras ayant pour objectif le développement d'une approche unifiée dont différentes tâches seront décrites dans le même formalisme. Afin de fournir un cadre théorique compact et rigoureux, les techniques présentées utilisent les quaternions duaux afin de représenter les différents aspects de la modélisation cinématique ainsi que de la commande.Une nouvelle représentation de la manipulation à deux bras est proposée - l'espace dual des tâches de coopération - laquelle exploite l'algèbre des quaternions duaux afin d'unifier les précédentes approches présentées dans la littérature. La méthode est étendue pour prendre en compte l'ensemble des chaînes cinématiques couplées incluant la simulation d'un manipulateur mobile.Une application originale de l'espace dual des tâches de coopération est développée afin de représenter de manière intuitive les tâches principales impliquées dans une collaboration homme-robot. Plusieurs expérimentations sont réalisées pour valider les techniques proposées. De plus, cette thèse propose une nouvelle classe de tâches d'interaction homme-robot dans laquelle le robot contrôle tout les aspects de la coordination. Ainsi, au-delà du contrôle de son propre bras, le robot contrôle le bras de l'humain par le biais de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) dans le cadre d'applications d'interaction robot / personne handicapée.Grâce à cette approche générique développée tout au long de cette thèse, les outils théoriques qui en résultent sont compacts et capables de décrire et de contrôler un large éventail de tâches de manipulations robotiques complexes
This thesis is devoted to the study of robotic two-arm coordination/manipulation from a unified perspective, and conceptually different bimanual tasks are thus described within the same formalism. In order to provide a consistent and compact theory, the techniques presented herein use dual quaternions to represent every single aspect of robot kinematic modeling and control.A novel representation for two-arm manipulation is proposed—the cooperative dual task-space—which exploits the dual quaternion algebra to unify the various approaches found in the literature. The method is further extended to take into account any serially coupled kinematic chain, and a case study is performed using a simulated mobile manipulator. An original application of the cooperative dual task-space is proposed to intuitively represent general human-robot collaboration (HRC) tasks, and several experiments were performed to validate the proposed techniques. Furthermore, the thesis proposes a novel class of HRC taskswherein the robot controls all the coordination aspects; that is, in addition to controlling its own arm, the robot controls the human arm by means of functional electrical stimulation (FES).Thanks to the holistic approach developed throughout the thesis, the resultant theory is compact, uses a small set of mathematical tools, and is capable of describing and controlling a broad range of robot manipulation tasks

L'apparition de robots de service de plus en plus complexes ouvre de nouvelles perspectives quant aux tâches de manipulation d'objets. Malgré les progrès récents des techniques de plani fication de mouvement, peu d'entre elles s'intéressent directement à des systèmes multi-bras comme les torses humanoïdes. Notre contribution à travers cette thèse porte sur trois aspects. Nous proposons une technique de planification de mouvement performante basée sur la coordination des mouvements du système multi-bras. Elle exploite au mieux la structure du système en la divisant en parties élémentaires dont les mouvements sont planifiés indépendamment du reste du système. La fusion des différents réseaux élémentaires générés est ensuite réalisée dans le but d'obtenir un graphe prenant en compte le robot tout entier. Une seconde contribution porte sur l'extension des méthodes de planification pour des robots présentant des chaînes cinématiques fermées. Ces boucles cinématiques apparaissent dans le système lorsque, par exemple, le torse humanoïde saisit un objet avec plusieurs bras. Cette méthode traite explicitement les configurations singulières des manipulateurs, offrant ainsi une meilleure maniabilité de l'objet. Finalement, nous proposons deux approches pour la planification de tâches de manipulation d'objets par un torse humanoïde. La première concerne la résolution d'une tâche de prise et pose d'objets par un torse humanoïde à deux bras dans le cas où les contraintes imposées par la tâche nécessitent le passage par une double prise afin de transférer l'objet d'une main à l'autre. La seconde porte sur la résolution du même type de tâche par un manipulateur mobile. La thèse, effectuée dans le cadre du projet européen Phriends, présente les résultats d'expérimentations réalisées sur le robot Justin, démonstrateur du projet.

Les robots sont de plus en plus amenés à interagir avec des humains ou des environnements anthropiques en vue de collaboration. La connaissance des propriétés visco-élastiques cartésiennes humaines durant des interactions physiques avec des environnements procure un éclairage au champ des sciences du mouvement humain, et aussi à la robotique collaborative pour la conception de commandes innovantes bio-inspirées. Dans cette thèse, la focalisation est placée sur une modélisation linéaire très simple en impédance mécanique du membre supérieur, qui fait entrer en jeu les paramètres cartésiens apparents en raideur, amortissement et masse. Cette modélisation permet d'approcher des comportements en rejet de perturbations qui interviennent notamment lors d'interactions physiques.Une expérience a été mise en œuvre avec un robot articulé piloté en admittance cartésienne, pour permettre des estimations d'impédance mécanique du bras de participants pendant une tâche de référence permettant de générer des mouvements rythmiques, avec des retours haptiques. Une méthode permettant l'estimation des paramètres du modèle en impédance, basée sur l'approximation des trajectoires virtuelles en position et force lors de faibles perturbations ne gênant pas la réalisation de la tâche, est proposée. Les trajectoires virtuelles sont approchées par des interpolations de splines ou des optimisations de sinusoïdes.Une trentaine de participants ont pris part aux expériences proposées pour permettre des estimations significatives de variations des paramètres visco-élastiques apparents et mieux comprendre leurs implications dans la réalisation d'une tâche en interaction avec un robot. Le compromis stabilité-transparence du couplage du robot avec un environnement en impédance a finalement été analysé pour proposer une amélioration des réglages du contrôle en admittance cartésienne
Robots are more inclined to interact with humans or their environment for collaborative purposes. Knowledge on the human endpoint vis-coelastic properties during physical interactions provides insights for the field of human movement science and also for the design of innovative bio-inspired collaborative robotic control strategies. In this work, the focus is placed on a simplistic linear mechanical model of the human arm, with endpoint apparent parameters like stiffness, damping and mass. Perturbation rejection behaviours occuring remarkably during physical interactions can be met using this modelling.In order to estimate those properties for the human arm, an experimental test-bed was designed using an endpoint admittance controled polyarticulated robot. A benchmark task was used so that rhythmic movements emerged, while haptic feedback were introduced by the robot. A methodology to identify the linear parameters of the chosen impedance model was designed, tackling the issue of the estimation of virtual trajectories of the arm during dynamic movements. The estimations of the arm's virtual trajectories both in position and force relied on spline interpolations and sine optimisations, for small deviations that did not alter the performances of the task.A cohort of participants took part in experiments proposed to observe significant variations of the viscoelastic apparent parameters, and improve the understanding of the implications of such variations during a physical interaction with a robot. The famous trade-off between stability and transparency while the robot is coupled with an environment was then study thanks to the obtained estimations, to enhance the tuning of the endpoint admittance control empirically designed

La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété de d'offrir, dans le cadre applicatif de l'automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d'un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d'une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d'autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l'onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d'annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d'accroître les performances de l'ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d'une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique
For an automotive application, a six leg-VSI connected to a three-phase open-end winding machine has the ability to offer a dual-function. In this case, an additional zero-sequence component, usually absent when a star-coupling is used, needs to be controlled. Firstly, a study, modeling and control of a multi-leg inverter are proposed. Secondly, control structures capable of handling the presence of zero-sequence components are investigated. The conventional control algorithms applied to the inverter are analyzed and an original vector control strategy, called Z-SVM, capable to cancel the high frequency zero-sequence current is developed. Finally, it is shown how the management of the zero-sequence components enhances the performance of the drive at low as well as at high-speed, corresponding on the areas of the torque-speed characteristics before and after flux weakening. The proposed solutions are validated on an experimental test bench consisting of a machine prototype especially developed for automotive application and powered by a six-leg inverter controlled by an FPGA-based device. The proposed strategies are compared in terms of performance and computational complexity

L'apparition au début des années 2010 des robots collaboratifs en parallèle du développement de l'industrie 4.0 a incité les industriels à repenser la robotique. L’intégration de robots au contact des humains permet de cumuler leurs points forts en terme de flexibilité et d’adaptabilité à des tâches complexes. Cependant de nombreux défis sont posés à la communauté robotique par ces nouvelles pratiques et notamment : comment sécuriser l'interaction entre l'Homme et le Robot. Nous proposons de traiter cette problématique en proposant un pipeline complet permettant de déplacer en autonomie le robot dans l'espace partagé avec l'humain tout en garantissant sa sécurité. Pour cela nous construisons une représentation de l'espace de travail du robot sous forme d'une grille d'occupation 3D sémantique à partir de la perception du robot de son environnement. Nous projetons alors en temps réel les obstacles et humains présents dans la zone de travail du robot vers l'espace des configurations, une représentation adaptée aux bras robotiques. En utilisant l’axe médian dans l’espace des configurations, la trajectoire du robot vers l’objectif est calculée au plus loin des obstacles. Nous adaptons cette trajectoire au changement dynamique de l'environnement et modulons sa vitesse en fonction de la distance séparant l’humain et le robot. L’intérêt de cette méthode a été démontré en simulation et avec des expérimentations réelles sur des robots collaboratifs en contexte industriel
The appearance in the early 2010s of collaborative robots in parallel with the development of industry 4.0 prompted manufacturers to rethink robotics. Theintegration of robots in contact with humans makes it possible to combine their strengths in terms of flexibility and adaptability to complex tasks. However, many challenges are posed to the robotics community by these new practices and in particular: howto secure the interaction between Human and Robot. We propose to address this problem by proposing a complete pipeline allowing the robot to move autonomously in the space shared with humans while guaranteeing its safety. For this we build a representation of the robot's workspace in the form of a 3D semantic occupation grid from the robot's perception of its environment. We then project in real time the obstacles and humans present in the robot's work area to the configurationsspace, a representation adapted to robotic arms. Using the medialaxis in the configurationsspace, the robot's trajectory towards the objective is calculated as far as possible from obstacles. We adapt this trajectory to the dynamic change of the environment and modulate its speed according to the distance separating the human and the robot. The interest of this method has been demonstrated in simulation and with real experiments on collaborative robots in an industrial context

Les robots sont des agents artificiels qui peuvent agir dans le monde des humains grâce aux capacités de perception. Dans un contexte d’interaction homme-robot, les humains et les robots partagent le même espace de communication. En effet, les robots compagnons sont censés communiquer avec les humains d’une manière naturelle et intuitive: l’une des façons les plus naturelles est basée sur les gestes et les mouvements réactifs du corps. Pour rendre cette interaction la plus conviviale possible, un robot compagnon doit, donc, être doté d’une ou plusieurs capacités lui permettant de percevoir, de reconnaître et de réagir aux gestes humains. Cette thèse a été focalisée sur la conception et le développement d’un système de reconnaissance gestuelle dans un contexte d’interaction homme-robot. Ce système comprend un algorithme de suivi permettant de connaître la position du corps lors des mouvements et un module de niveau supérieur qui reconnaît les gestes effectués par des utilisateurs humains. De nouvelles contributions ont été apportées dans les deux sujets. Tout d’abord, une nouvelle approche est proposée pour le suivi visuel des membres du haut du corps. L’analyse du mouvement du corps humain est difficile, en raison du nombre important de degrés de liberté de l’objet articulé qui modélise la partie supérieure du corps. Pour contourner la complexité de calcul, chaque membre est suivi avec un filtre particulaire à recuit simulé et les différents filtres interagissent grâce à la propagation de croyance. Le corps humain en 3D est ainsi qualifié comme un modèle graphique dans lequel les relations entre les parties du corps sont représentées par des distributions de probabilité conditionnelles. Le problème d’estimation de la pose est donc formulé comme une inférence probabiliste sur un modèle graphique, où les variables aléatoires correspondent aux paramètres des membres individuels (position et orientation) et les messages de propagation de croyance assurent la cohérence entre les membres. Deuxièmement, nous proposons un cadre permettant la détection et la reconnais- sance des gestes emblématiques. La question la plus difficile dans la reconnaissance des gestes est de trouver de bonnes caractéristiques avec un pouvoir discriminant (faire la distinction entre différents gestes) et une bonne robustesse à la variabilité intrinsèque des gestes (le contexte dans lequel les gestes sont exprimés, la morpholo- gie de la personne, le point de vue, etc). Dans ce travail, nous proposons un nouveau modèle de normalisation de la cinématique du bras reflétant à la fois l’activité mus- culaire et l’apparence du bras quand un geste est effectué. Les signaux obtenus sont d’abord segmentés et ensuite analysés par deux techniques d’apprentissage : les chaînes de Markov cachées et les Support Vector Machine. Les deux méthodes sont comparées dans une tâche de reconnaissance de 5 classes de gestes emblématiques. Les deux systèmes présentent de bonnes performances avec une base de données de formation minimaliste quels que soient l’anthropométrie, le sexe, l’âge ou la pose de l’acteur par rapport au système de détection. Le travail présenté ici a été réalisé dans le cadre d’une thèse de doctorat en co-tutelle entre l’Université “Pierre et Marie Curie” (ISIR laboratoire, Paris) et l’Université de Gênes (IIT - Tera département) et a été labelisée par l’Université Franco-Italienne
Robots are artificial agents that can act in humans’ world thanks to perception, action and reasoning capacities. In particular, robots companion are designed to share with humans the same physical and communication spaces in performing daily life collaborative tasks and aids. In such a context, interactions between humans and robots are expected to be as natural and as intuitive as possible. One of the most natural ways is based on gestures and reactive body motions. To make this friendly interaction possible, a robot companion has to be endowed with one or more capabilities allowing him to perceive, to recognize and to react to human gestures. This PhD thesis has been focused on the design and the development of a gesture recognition system that can be exploited in a human-robot interaction context. This system includes (1) a limbs-tracking algorithm that determines human body position during movements and (2) a higher-level module that recognizes gestures performed by human users. New contributions were made in both topics. First, a new approach is proposed for visual tracking of upper-body limbs. Analysing human body motion is challenging, due to the important number of degrees of freedom of the articulated object modelling the upper body. To circumvent the computational complexity, each limb is tracked with an Annealed Particle Filter and the different filters interact through Belief Propagation. 3D human body is described as a graphical model in which the relationships between the body parts are represented by conditional probability distributions. Pose estimation problem is thus formulated as a probabilistic inference over a graphical model, where the random variables correspond to the individual limb parameters (position and orientation) and Belief Propagation messages ensure coherence between limbs. Secondly, we propose a framework allowing emblematic gestures detection and recognition. The most challenging issue in gesture recognition is to find good features with a discriminant power (to distinguish between different gestures) and a good robustness to intrinsic gestures variability (the context in which gestures are expressed, the morphology of the person, the point of view, etc. ). In this work, we propose a new arm's kinematics normalization scheme reflecting both the muscular activity and arm's appearance when a gesture is performed. The obtained signals are first segmented and then analysed by two machine learning techniques: Hidden Markov Models and Support Vector Machines. The two methods are compared in a 5 classes emblematic gestures recognition task. Both systems show good performances with a minimalistic training database regardless to performer's anthropometry, gender, age or pose with regard to the sensing system. The work presented here has been done within the framework of a PhD thesis in joint supervision between the “Pierre et Marie Curie” University (ISIR laboratory, Paris) and the University of Genova (IIT--Tera department) and was labelled by the French-Italian University

Cette thèse présente la conception et la commande d’une main robotique légère et peu onéreuse pour un robot compagnon humanoïde. La main est conçue pour exprimer des émotions à travers des gestes et pour saisir de petits objets légers. Sa géométrie est définie à l’aide de données anthropométriques. Sa cinématique est simplifiée par rapport à la main humaine pour réduire le nombre d’actionneurs tout en respectant ses exigences fonctionnelles. La main préserve son anthropomorphisme grâce aux nombres et au placement de la base des doigts et à une bonne opposabilité du pouce. La mécatronique de la main repose sur un compromis entre des phalanges couplés, qui permettent de bien connaître la posture des doigts pendant les gestes, et des phalanges capable de s’adapter à la forme des objets pendant la saisie, réunis en une conception hybride unique. Ce compromis est rendu possible grâce à deux systèmes d’actionnement distincts placés en parallèle. Leur coexistence est garantie par une transmission compliante basée sur des barres en élastomère. La solution proposée réduit significativement le poids et la taille de la main en utilisant sept actionneurs de faible puissance pour les gestes et un seul moteur puissant pour la saisie. Le système est conçue pour être embarqué sur Romeo, un robot humanoïde de1.4 [m] produit par Aldebaran. Les systèmes d’actionnements sont dimensionnés pour ouvrir et fermer les doigts en moins de 1 [s] et pour saisir une canette pleine de soda. La main est réalisée et contrôlée pour garantir une interaction sûre avec l’homme mais aussi pour protéger l’intégrité de la mécanique. Un prototype (ALPHA) est réalisé pour valider la conception et ses capacités fonctionnelles
This thesis presents the design and control of a low-cost and lightweight robotic hand for a social humanoid robot. The hand is designed to perform expressive hand gestures and to grasp small and light objects. Its geometry follows anthropometric data. Its kinematics simplifies the human hand structure to reduce the number of actuators while ensuring functional requirements. The hand preserves anthropomorphism by properly placing five fingers on the palm and by ensuring an equilibrated thumb opposability. Its mechanical system results from the compromise between fully-coupled phalanges and self-adaptable fingers in a unique hybrid design. This answers the need for known finger postures while gesturing and for finger adaptation to different object shapes while grasping. The design is based on two distinct actuation systems embodied in parallel within the palm and the fingers. Their coexistence is ensured by a compliant transmission based on elastomer bars. The proposed solution significantly reduces the weightand the size of the hand by using seven low-power actuators for gesturing and a single high-power motor for grasping. The overall system is conceived to be embedded on Romeo, a humanoid robot 1.4 [m] tall produced by Aldebaran. Actuation systems are dimensioned to open and close the fingers in less than1 [s] and to grasp a full soda can. The hand is realized and controlled to ensure safe human-robot interaction and to preserve mechanical integrity. A prototype(ALPHA) is realized to validate the design feasibility and its functional capabilities

In order to fulfill increasing production rates, new automated production technologies are required for manufacturing carbon fiber reinforced plastic components for the aerospace industry. Currently, large, double curved composite components have to be manufactured manually, which leads to high process times and poor scalability. As a consequence, a team of cooperating robots with passively adjustable end-effectors was developed, that is capable of handling dry carbon textiles and can be used for layups in double curved molds. This thesis deals with the implementation of a robot program, that performs an automated adjustment of each end-effector to the surface geometry of the manufactured part. The functional principle and the accuracy of the process are evaluated. Further, the automatically adjusted end-effectors are utilized to cooperatively layup carbon plies. The results show, that the accuracy of the automated adjusting process is sufficient to drape carbon fabrics during pick-up and automated layup is possible with this approach. In conclusion, the developed process can be integrated into a fully automated process for future experiments, but hardware inaccuracies should be improved, in order to further enhance the accuracy of the system.

Dans les entrepôts logistiques, les moyens robotiques sont de plus en plus fréquemment utilisés pour réduire les temps non productifs, déplacer des charges lourdes, limiter les risques d'erreurs pendant les opérations de préparation de commandes (picking, de/palettisation,...), faire des inventaires (drones,...) et améliorer les conditions de travail des opérateurs humains. Bien que l'homme reste incontournable pour les tâches de préparation de commande à cause de son adresse et de son aptitude à s'adapter à des tâches toujours différentes, l'augmentation de la productivité est souvent synonyme d'augmentation de la pénibilité au travail (troubles musculo-squelettiques,...). Les travaux de recherche présentés dans cette thèse sont une contribution à la robotisation des opérations de dé/palettisation pour des colis de taille variable qui exigent une grande polyvalence du système de préhension. La solution innovante que nous proposons consiste à utiliser un torse humanoïde équipé de deux bras manipulateurs munis de préhenseurs adaptés à la saisie d'objets de taille et de masse différentes. La principale contribution porte sur la conception d'une loi de commande hybride Force/Position-Position avec commutations, estimation du glissement de l'objet, prise en compte de la compliance et correction de la force de serrage pendant la manipulation. Cette solution suppose d'assurer la collaboration entre les deux bras manipulateurs et de s'adapter à l'environnement matériel et humain (cobotique)
In logistics warehouses, automation in the sense of robotization is frequently being employed to cut down production times by efficiently managing the processes of picking heavy loads, place, pack and palletize, while reducing the risks and errors to improve the working conditions of human operators along the way. The flexibility of human is fundamental for order preparation owing to adaptive skills for task variation, but at the same time increasing productivity is complemented with fatigue (musculoskeletal disorders). In this context the research presented in this thesis is a contribution in the robotization of palletization operations requiring exceptional versatility of manipulation and gripping. We have proposed an innovative solution of utilizing a humanoid torso equipped with two manipulator arms with adaptive grippers to grasp and hold the objects of variable size and mass. The main contribution of research is the development of a hybrid Force / Position-Position control law with commutation and estimation of the object surface slip, while taking into account the compliance and correction of the clamping force during handling. The execution of the control involves the collaboration of the two arms for coordinated manipulation and adaptation to the material and the human environment (cobotics)

La fabrication additive de composants de grandes dimensions à partir de matériaux polymères thermoplastiques fondus connaît depuis les années 2010 un essor important, l’arrivée de matériaux innovants ayant permis de réaliser un bond en avant en termes de propriétés mécaniques intrinsèques. La réalisation de démonstrateurs de grandes dimensions, développés au sein de la littérature scientifique, a mis en lumière la pertinence de ce procédé pour la réalisation d’applications structurelles(équipements sportifs, ponts pédestres) et non structurelles (moules et outillages de grandes dimensions). En effet, lesavantages de ce procédé sont nombreux, comme par exemple la fabrication de composants personnalisés ou la réduction des coûts et des délais d’obtention. Cependant, ressortent de l’analyse de l’état de l’art des verrous scientifiques relatifs à la fabrication de ces démonstrateurs de grandes dimensions :- la façon de procéder, de type « essais - erreurs – corrections », est coûteuse en temps, en ressources et en argent. Il n’existe pas de consensus concernant une méthode générique qui permette de réaliser des composants de grandes dimensions ;- des problématiques concernant la génération des trajectoires de fabrication en vue de respecter un cahier des charges et le choix d’un moyen de fabrication adapté doivent être résolues.Dans le cadre de ce manuscrit est développée une méthodologie de préparation à la fabrication de composants de grandes dimensions réalisés à partir de matériaux polymères thermoplastiques fondus. Elle propose une préparation à la fabrication générique, basée sur un ensemble de règles métier intégrant la prise en compte des problématiques précédemment mentionnées. Les étapes de la méthodologie sont traitées de manière chronologique au sein des chapitres dans lesquels les problématiques spécifiques et les solutions mises en place pour les résoudre sont explicitées. Un axe de recherche consacré au renforcement des composants à partir de matériaux renforcés de fibres continues afin de pallier la problématique d’anisotropie des propriétés mécaniques inhérente aux procédés additifs basés sur l’extrusion de polymères fondus, est notamment développé. Pour finir, la réalisation de démonstrateurs de grandes dimensions permet de mettre en lumière la pertinence des éléments présentés au sein de la méthodologie mais aussi les perspectives pouvant lui être apportées
Large-sized additively manufactured components made of thermoplastic polymer materials has experienced significant growth since the 2010s, the arrival of innovative materials having made possible to achieve a leap forward in terms of intrinsic mechanical properties. Large-scale demonstrators manufacturing, developed within the scientific literature, has highlighted therelevance of this process for the realization of structural (sports equipments, pedestrian bridges) and non-structural (large-dimension molds and tools) applications. Indeed, the advantages of this process are numerous, such as for example personalized components manufacturing or costs and lead times reduction. However, large-scale demonstrators manufacturing scientific obstacles resulting from state-of-the-art analysis emerges:- “trial - error - correction” procedure is costly in time, resources and money. There is no consensus on a generic method that allows large components manufacturing preparation;- issues concerning toolpaths generation in order to comply with specifications and the choice of a suitable manufacturing means must be resolved. Within the framework of this manuscript is developed a preparation methodology for large-sized components manufacturing made from fused thermoplastic polymer materials. It offers preparation for generic manufacturing, based on a set of process specific rules integrating the consideration of the previously mentioned issues. The steps of the methodology are processed chronologically in each chapter of the manuscript in which the specific issues and the solutions put in place to resolve them are explained. A research axis dedicated to components reinforcement from continuous fibers reinforced materials in order to overcome mechanical properties anisotropy, inherent in additive processes based on fused thermoplastic polymer materials is notably developed. Finally, large-scale demonstrators manufacturing makes it possible to highlight the methodology relevance but also the perspectives that can be brought to it

Apres avoir presente une revue des divers capteurs de champ magnetique a semiconducteur integrables, nous rappelons le principe de l'effet magnetodiode et en verifions experimentalement les lois theoriques relatives aux caracteristiques courant-tension, aux dimensions des dispositifs et a leurs sensibilites au champ magnetique pour des micromagnetodiodes a grille en silicium sur saphir (sos). Nous etudions ensuite l'influence de la grille; nous donnons une interpretation qualitative des resultats, et comparons les performances obtenues pour differentes micromagnetodiodes sur sos, mais aussi pour les premieres magnetodiodes sur simox. Nous effectuons une modelisation de l'influence de la grille a partir d'une simulation a une dimension qui permet de comprendre et de decrire correctement le fonctionnement des macromagnetodiodes a grille; nous presentons aussi differents modeles (l'un analytique et l'autre numerique) de la sensibilite magnetique de nos dispositifs. Enfin des mesures de bruit permettent de completer la caracterisation de ces capteurs, de confirmer l'origine volumique du bruit en 1/f dans les magnetodiodes et d'obtenir les lois reliant le niveau de bruit aux polarisations

Le nombre d'adultes porteurs de cardiopathies congénitales, de plus en plus sévères est constante progression. A moyen voire long terme certain d’entre eux posent des problèmes d’insuffisance cardiaque et de troubles du rythme parfois létaux. La physiologie de ces complications est multi factorielle et s’écarte souvent des schémas habituels. L’asynchronisme ventriculaire présentent chez un nombre important d’entre eux est connu pour favoriser un remodelage ventriculaire conduisant à l’insuffisance cardiaque sur cœur sain.Dans ce travail en couplant données expérimentales animales et études cliniques, nous avons étudié : 1) l’impact aigu puis chronique de la resynchronisation biventriculaire sur un modèle animal d’insuffisance cardiaque droite mimant la tétralogie de Fallot et sur une population de patients ; 2) le rôle et la conséquence d’une stimulation conventionnelle sur une physiologie de ventricule droit systémique ; 3) l’effet délétère de la stimulation VD prolongée sur un modèle de cœur animal en cours de développement.Nous avons appris que 1) la resynchronisation biventriculaire permet un bénéfice hémodynamique significatif chez l’animal mais aussi sur une population de Fallot implantées ; 2) que l’asynchronisme généré par la stimulation conventionnelle est délétère pour la fonction du ventricule systémique mais aussi pour le cœur de l’enfant en cours développement. La resynchronisation est un traitement prometteur pour traiter l’insuffisance cardiaque mais pourrait aussi l’être pour en prévenir sa survenue. De nouvelles techniques d’implantation nous permettent aujourd’hui d’implanter des patients qui présentent beaucoup d’obstacles anatomiques et d’éviter nombre de complications grave de la stimulation
The number of adults with severe congenital heart disease is constantly growing. At medium to long-term follow up, these patients may present with heart failure or conduction disorders, which may lead to death. The pathophysiology and clinical course of these complications is multi-factorial and may be different from that in patients without congenital heart disease. In normal hearts, electromechanical dyssynchrony is known to induce ventricular remodeling and heart failure. Ventricular asynchrony is also present in a substantial number of adults with congenital heart disease. In this study, we combined animal experiments and clinical studies to investigate: 1) the acute and chronic effect of biventricular resynchronization therapy on cardiac function in an animal model mimicking right ventricular heart failure in Tetralogy of Fallot, as well as in patients with Tetralogy of Fallot; 2) the consequences of conventional ventricular pacing in patients with ‘systemic right ventricle physiology’; 3) the effects of chronic right ventricular pacing in an animal model of the developing heart.We found that: 1) biventricular resynchronization induces significant hemodynamic benefit in the animal model of Tetralogy of Fallot as well as in Fallot patients; 2) ventricular asynchrony induced by conventional ventricular pacing is deleterious to the function of the systemic right ventricle; 3) chronic right ventricular pacing is harmful to the developing (pediatric) heart with normal biventricular anatomy. Cardiac resynchronization therapy is promising as a treatment for heart failure, but may also prevent heart failure. Nowadays, new implantation techniques allow us to implant pacing devices in patients with limited anatomical access due to prior surgery and help to avoid numerous severe complications of conventional pacing therapy

Les robots dits à fort élancement, utilisés pour des opérations d'inspection et de maintenance en environnement hostile à l'homme, encombré, et accessible uniquement par des orifices de très faible diamètre, sont caractérisés par leur très grand ratio longueur sur diamètre. Aujourd'hui, malgré l'emploi de composants et de matériaux sophistiqués, ces robots ont atteint leur limite de performances. Franchir significativement cette limite nécessite un changement de paradigme. La TRIZ (théorie de résolution des problèmes inventifs), qui construit un processus systématique de résolution de problème technique, conduit naturellement à identifier l'origine de la contradiction : le poids propre des robots, et par conséquent leur masse en présence de gravité. Elle propose notamment de postuler l'existence d'un robot sans masse. L'analyse des propriétés d'un tel robot conduit à l'élaboration du concept breveté de robot ultraléger gonflé, ayant un volume constant unique et des articulations préservant le diamètre de la section. Ce nouvel objet aurait de nombreux autres avantages tels que la facilité de mise en œuvre, l'innocuité par rapport à l'environnement et donc des contacts sans dommages avec celui-ci. Son grand son rayon d'action et son coût prévisionnel très réduit peuvent lui donner accès à de nombreuses applications nouvelles. L'objet de ce travail de thèse est donc l'élaboration des concepts techniques et des méthodes de dimensionnement adaptés à ce robot ultraléger gonflé. Ainsi, les performances du robot gonflable en termes de capacité de charge et de portée sont validées analytiquement. Des expérimentations et une modélisation par éléments finis permettent d'effectuer un pré-dimensionnement des articulations. Différents modes de réalisation ont été prototypé en partenariat avec une entreprise spécialiste du textile technique. Ces articulations font aussi l'objet d'un modèle simplifié de type masse-ressort pour la simulation rapide des déformations d'un robot à degrés de liberté. Les actionneurs et capteurs font l'objet d'une préconception et une transmission originale à base de câble et adaptée à la cinématique particulière des articulations est développée. Enfin des modèles géométriques et cinématiques sont définis et le problème de la commande d'un tel robot est posé en vue des travaux à venir.

碩士
正修科技大學
電機工程研究所
106
In this paper presents a novel design of double arm rescue robot, nowadays there are more natural disaster problems happens in our life, and rescue worker needed to rescue people in the golden window and every second is important, this robot is design for assist rescue workers in the dangerous environment, rescue worker using remote control panel to remote control rescue robot go into the dangerous environment and proceed rescue mission, this robot has two arm and each arm using Hydraulic system to help it remove obstacle during the rescue mission, according to the system function architecture, it is divided into five major projects: mechanical structure design, control system, signal transmission system, hydraulic system and image transmission system, in order to reduce weight of robot we using the hollow design to make the robot lighter, we using Ozone for it control system and 900MHz Wireless Hi Power Radio Modem for transmission system, and this rescue robot is dustproof and waterproof, the detail of rescue robot system design will be discussed in the paper.

We want to build tiny gnat-sized robots, a millimeter or two in diameter. They will be cheap, disposable, totally self-contained autonomous agents able to do useful things in the world. This paper consists of two parts. The first describes why we want to build them. The second is a technical outline of how to go about it. Gnat robots are going to change the world.

碩士
國立高雄第一科技大學
電機工程研究所碩士班
105
In this thesis, via simulation and calculation a robot arm mechanism of high degree of freedom, high ration of torque and weight, and high precision is designed. By Computer Auxiliary Design (CAD), all mechanical components of designed robot arm are analyzed. Based on the actual size of all mechanical components, the motor torque and joint payload are calculated to simulate the stress force on components so that the weak parts of robot arm can be revealed for improving and then for better mechanical design. In addition, the robot arm components of stronger stress force are cut to reduce weight for light payload. Safety coefficient planning is engaged to define the strength of all robot arm components for bearing larger payload. The reason to choose motors and gears is also included. In this research, the theoretical performance of designed robot arm is studied.

碩士
國立成功大學
電機工程學系碩博士班
98
The goal of this thesis is to achieve a technical challenge of double passing soccer game for humanoid soccer robots in RoboCup competition. There are many topics involved in order to finish the entire procedure, such as image processing algorithms, motion control, localization, and a proper scheme of strategy system. The development of vision and strategy system is mainly concerned in this thesis. The image information is captured by a CMOS sensor and then the image data are processed by an embedded CPU board Pico-820. Vision system works on the tasks of object recognition, which includes the goal, landmark poles and the interval of two black poles. A fast object segmentation method in the image with the need of only one execution loop is used to make the recognition more efficient. After recognitions, a simple mean shift algorithm is adopted to further improve the efficiency and performance of vision system. The computational time is reduced greatly by the algorithm and that time can be utilized to do the localization or control strategies. The strategies of double passing of each robot player are illustrated in flowcharts and the communication between them is via wireless network. The strategies of some more detailed situation are also discussed. All the strategies are also processed in Pico-820. Overall functions of vision and strategy system are programmed in C++. Finally, the experiment results demonstrate that the proposed vision and control strategy system can successfully perform the double passing soccer game.

碩士
國立勤益科技大學
機械工程系
101
The main purpose of the research is to build a prototype platform of robot arms with Natural Interaction (NI). In a quick and robust way, a Microsoft Kinect sensor was used to integrate with two 4-axis robot arms. The idea was from the handling of hazardous materials, disaster relief management, deep-sea mining, and other dangerous tasks. Instead of using the analog stick or keypad to control the robot arm, if the operators can use their bodies as a controller to remote control the robot arm in a natural way, then the learning curve for the operation can be reduced dramatically. And, operators can control two robot arms in the same time. NI emphasizes that human is the controller. The main benefit is that operators use their own bodies or voice and need not to carry any extra facility to manipulate the system. To achieve this concept and validate its feasibility, a Kinect depth sensor combined with two ROBOTIS 4-DOF robot arms was used to set up a NI platform. This research tested the efficiency between the Kinect and two ROBOTIS 4-DOF robot arms. Through a series of experiments, the NI’s concepts and its merits have been verified in this research.

碩士
國立高雄應用科技大學
機械與精密工程研究所
101
This thesis is about a development that laboratory required which named “A Double-Loops Integrated Navigation System Design for the Controls of an Autonomous Mobile Robot”. In recent years, because from the application of Autonomous Mobile Robot is extensively, the development of its navigation system also became the point of research. From Automated Guided Vehicle to Service Robot, in the beginning only at Autonomous Mobile Robot fitted with sensors, and now is uses image technology. It can let the Autonomous Mobile Robot know all around environment accurately the condition, no matter machine vision or outside set video surveillance. But because of this kind with the phantom knowing all around environment method, usually can use the computation which the massive computer vision and the image processing. Therefore this thesis wants to use the double-loops integrated navigation system to accelerate the hardware processing speed, simultaneously guarantees when the image was unable obtained the Autonomous Mobile Robot still to be possible the normal navigation. In the double-loops integrated navigation system, one is installs the encoder and the electronic compass in the Autonomous Mobile Robot, these two kind of sensors can help it to know at present walks is away from and the angle, with the material which obtains judges whether makes the revision to the present posture. Another one is erects outside sets video surveillance, will want to walk the environment photography also the transmission to the computer, and after planed walk the way, coordinates and swinging angle because of the image processing knowing Autonomous Mobile Robot, Again uses the wireless communication mold train to it issuing control command. Achieved the Autonomous Mobile Robot walks in the expectation way and can arrive in the target location. These two loops can simultaneously exist in this navigation system, when computer makes the receive and the image processing, Autonomous Mobile Robot may voluntarily make the revision to the present posture. Therefore in the navigation process the CCD lens are camouflaged, the Autonomous Mobile Robot still could continue using the sensory element to make the navigation the movement. In the experiments, plans the way after the computer, start to navigation control, at first, we will closed the image navigation system, only used computer to recode walking-path, then we will open the image navigation system to do this experiments again. And check both the experiments results. Examined the double-loops integrated navigation system used in the Autonomous Mobile Robot whether achieves hoped of this thesis.

La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété de d'offrir, dans le cadre applicatif de l'automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d'un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d'une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d'autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l'onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d'annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d'accroître les performances de l'ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d'une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique.

This thesis aims to explain how the concepts of functional modeling are implemented in the development and validation of real-world hybrid dynamic systems. I also discuss how control theory is integrated with the design process in order to understand the significance of periodic orbits on a simple dynamic system. Two hybrid system applications with different levels of complexity will be considered in this thesis – an anthropomorphic Bipedal walking robot and a Double Pendulum with a mechanical stop. The primary objectives of this project are to demonstrate the phenomena of Zeno and zeno periodic orbits in hybrid dynamic systems involving impacts. Initially, I describe the salient features of the product design procedure and then explain the significance of functional modeling as a part of this process. We then discuss hybrid dynamic systems and the occurrence of Zeno behavior in their mathematical form. Also, the necessary conditions for existence of Zeno and zeno equilibrium points are provided. Then the theory of completed Lagrangian hybrid systems is explained in detail. We then examine the two hybrid dynamic systems being considered for this project. Prior research undertaken on bipedal walking is explored to understand their design and achievement of stable walking gaits with appropriate actuation mechanisms. Based on this insight, a suitable design procedure is employed to develop the bipedal robot model. The desired actuation mechanisms for all the configurations considered for this model as well as the challenges faced in employing optimal actuation will be discussed. However, due to the high level of complexity of the bipedal robot model, a simpler hybrid dynamic system is considered to simplify fabrication and control of the model. This is the motivation behind designing and building the Double Pendulum model with a mechanical stop in an attempt to observe zeno behavior in this system. We begin by formally demonstrating that the “constrained” double pendulum model displays Zeno behavior and complete this Zeno hybrid system to allow for solutions to be carried past the Zeno point. The end result is periods of unconstrained and constrained motions in the pendulum, with transitions to the constrained motion occurring at the Zeno point. We then consider the development of a real physical pendulum with a mechanical stop and introduce non-plastic impacts. Later, we verify through experimentation that Zeno behavior provides an accurate description of the behavior of the physical system. This provides evidence to substantiate the claim that Zeno behavior, while it does not technically occur in reality, provides an accurate method for predicting the behavior of systems undergoing impacts and that the theory developed to understand Zeno behavior can be applied to better understand these systems.