Variable Stiffness Actuators (VSA) have been proposed as an alternative actuation system for manipulators that are utilized for safe physical Human-Robot Interaction (pHRI). However, in the incidents of collision, the need of a fast response in stiffness tuning would rise to ensure safety. In this paper, we present a novel Discrete Variable Stiffness Actuator (DVSA) to be used in a compliant robotic manipulator for safe physical Human-Robot Interaction (pHRI). The novelty of this actuator lies in its design topology which allows the stiffness level to change swiftly among predefined levels without the need of complex stiffness tuning mechanism. Through this topology, three springs in parallel are connected serially between the motor and the link via gear train. The stiffness of the actuator is altered by adding/subtracting the number of involved springs, which can be realized through engagement/disengagement electromagnetic clutches on two of these spring’s shafts. The working principle, and the detailed design of the actuator are illustrated. Moreover, the stiffness model and the dynamic model are presented and discussed thoroughly. In order to validate these mathematical models and achieve optimal control, system identification for the dynamic parameters was performed experimentally on the physical model. Furthermore, the system’s ability of tracking desired trajectory was achieved through the implementation of different control techniques including PID (Proportional-Integral-Derivative), LQR (Linear Quadratic Regulator) and pole placement. The results show the high potential of utilizing the actuator in compliant manipulators. Moreover, DVSA is also characterized for safety in pHRI through Head-Injury Criterion (HIC). Finally, an application of DVSA in human augmentation task (Weight Bearing Task) is presented.

This paper presents a simple mathematical and Simulink model of a two-phase hybrid stepper motor, where ignoring the permeance space harmonics of the hybrid stepper motor is regarded as the main physical assumption in this article. Moreover, the dq transformation method is adopted as the main mathematical approach for the derivation of the proposed model, where simple voltages, currents, and torque equations are obtained and used to build the proposed Simulink and circuit model of the stepper motor. The validity and the effectiveness of the proposed model are examined by comparing its results with the results collected from the Simulink model in the library of Matlab. The obtained simulation results showed that the proposed model achieved a high simplicity and high accuracy when compared with conventional models.

Commande de convertisseurs multicellulaires destinés aux microgrids et aux systèmes d'énergies renouvelables: Les convertisseurs multicellulaires DC-DC sont utilisés dans de nombreuses applications et de nombreux systèmes électriques. Ils présentent un intérêt particulier pour des applications spécifiques liées aux énergies renouvelables et aux Microgrids. Leur principal avantage provient de leur capacité intrinsèque à réduire les ondulations liées au découpage des grandeurs électriques en entrée et en sortie du système de conversion. Cette propriété intéressante au niveau système peut être étendue au fonctionnement interne du convertisseur en adjoignant à ce dernier un élément de filtrage par inductances couplées magnétiquement. Ce composant permet d’étendre les propriétés externes de réduction des ondulations au fonctionnement de chaque cellule du convertisseur. Il permet également d’augmenter la dynamique propre du système de conversion. Ces propriétés permettent de réduire significativement le niveau et le volume de filtrage en entrée et sortie du convertisseur et donc d’augmenter de manière importante sa compacité et son rendement énergétique. Cependant, l’ajout de ce dispositif magnétique induit, de par le couplage des équations du système qu’il provoque, une complexification du contrôle de la structure associée également à la nécessité d’augmenter le nombre de capteurs.Ce travail de thèse a pour objectif d’établir et d’évaluer différents modes de contrôle pour les convertisseurs multicellulaires DC-DC. Le point commun aux méthodes proposées est de permettre la gestion aussi bien des grandeurs externes au convertisseur que des grandeurs internes constituées par les courants de circulation entre cellules connectées en parallèle. Ces composantes de courant sont également nommées « courants différentiels ». Trois types de contrôle sont étudiés : Pour le premier, des correcteurs linéaires classiques sont utilisés conjointement avec des techniques de découplage des équations du système. La robustesse de ces méthodes de contrôle vis-à-vis des incertitudes sur la connaissance des paramètres du système fait l’objet d’un focus particulier dans cette partie du travail. Pour le second, une version modifiée de la technique de commande connue sous le nom Model Predictive Control est proposée. Celle-ci permet d’assurer le contrôle de la fréquence de commutation et l’entrelacement des commandes PWM des cellules. Pour le troisième mode, nous étudions une méthode basée sur le contrôle vectoriel direct des courants différentiels.Une implantation sur un système numérique équipé d’un micro-processeur et d’un FPGA est proposée et permet de valider les résultats de l’étude théorique.