Thèse Méthodologie de Conception Frugale Intégrée pour Robots Collaboratifs Application à la Rééducation Motrice H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
Direction de la thèse : Maud RIO ORCID 0000000230234866
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-18T23:59:59

Cette thèse s'inscrit en génie industriel et vise à développer une méthodologie de conception de robots collaboratifs éco-conçus dans une logique de soutenabilité (contraintes environnementales, écologiques et sociales fortes) aidant à l'interaction physique humain-robot dans le cas de rééducation fonctionnelle ou d'application médicale. Les travaux cherchent à identifier, avec les utilisateurs, les besoins réels et les critères socio-écologiques permettant de définir les capacités minimales nécessaires d'un robot, afin d'éviter la surperformance technologique et la surconsommation de ressources. Le travail s'appuie sur un cas d'étude en rééducation motrice, et combine l'analyse d'usage expérimental avec un robot à niveau de performances variable, dans une démarche de frugalité. Les résultats attendus sont une méthode d'aide à la décision en conception et d'usage de robot dans un but de rééducation intégrant modélisation robotique (analyse au juste besoin technologiques et matériel), évaluation environnementale multicritère et enjeux de frugalité pour les réseaux d'acteurs impliqués dans la conception, l'usage et la fin de vie du dispositif.

Sept des neuf limites planétaires globales, identifiées comme critiques pour la stabilité de la Terre, ont déjà été dépassées [1]. Le modèle linéaire et extractiviste de nos sociétés industrielles menace les conditions d'habitabilité de la planète, malgré les avantages portés par les technologies (ex. : en médecine). Aujourd'hui, la recherche doit maximiser son rôle moteur pour produire et mettre en valeur des savoirs permettant d'élaborer des solutions face aux bouleversements environnementaux en cours [2]. Indépendamment, au cours de l'année 2021, 0.1 million de robots de service et 0.5 million de robots industriels furent introduits dans la société. Ainsi, la communauté de recherche s'interroge : les robots peuvent-ils contribuer à résoudre les bouleversements écologiques et les inégalités sociales en cours [3-4] ? Bien que la place de la robotique puisse prêter à débat dans certains contextes, celle-ci peut avoir un rôle important à jouer pour seconder l'humain, que ce soit pour intervenir dans des environnements dangereux ou inaccessibles pour l'humain, ou encore pour assister des personnes en situation de handicap. Cependant, alors que leurs usages devraient être repensés et qu'une utilisation raisonnée et frugale de ces dispositifs technologiques devrait être mise en avant en particulier en France où les déchets d'équipements électriques et électroniques sont en majorité exportés, la tendance est à l'escalade des technologies nécessaires à la construction et au fonctionnement des robots, qui sont conçus pour être de plus en plus génériques et décontextualisés de leurs usages et traitements de fin de vie. Leurs capacités (précision, répétabilité, force, dextérité, etc.) ne cessent de monter en performance alors qu'un grand nombre d'applications nécessite une performance technique moindre, voire des solutions non robotisées. Lorsque les capacités techniques sont insuffisantes, elles sont compensées par des stratégies logicielles ou matérielles [5] ; à l'inverse, lorsque ces capacités dépassent les besoins, cette surperformance est rarement prise en compte. La question se pose particulièrement dans nombre de contextes impliquant la collaboration ou l'interaction physique humain-robot (cobotique en milieu industriel, exosquelette, bras robotiques d'assistance sur fauteuils roulants, réhabilitation motrice...) [6-7], où la précision et la répétabilité n'ont pas besoin d'être millimétriques.
Dans ce contexte, nous nous intéressons à comprendre comment aider à définir les besoins des acteurs impliqués dans les cycles de vie circulaires de dispositifs technologiques appliqués à la rééducation physique pour concevoir (et faire circuler) des dispositifs adaptés. La méthode d'ingénierie associée nécessiterait à la fois (i) de déterminer les caractéristiques minimales technologiques (potentiel du robot, sa précision, dextérité, force, sécurité) avec ou pas interaction physique humain-machine (IHM), dans un souci de frugalité et fondée sur des pratiques de conception pour la soutenabilité (éco-conception) et (ii) pour répondre aux besoins socio-écologiques contextualisés.

L'objectif principal de cette thèse est de comprendre comment rendre possible la conception soutenable, au juste besoin, de dispositif technologique circulaire de rééducation physique adaptés aux acteurs locaux impliqués dans un processus de rééducation physique sur un territoire délimité.
La piste envisagée est de développer une méthode d'aide à la décision pour le concepteur, permettant de spécifier avec les acteurs du cycle de vie impliqués (réseaux de praticiens, patients, réparateurs de dispositifs de rééducation, éco-organismes en charge du réemploi et du traitement des déchets d'équipements électriques et électroniques) le juste besoin socio-écologique contextualisé du cahier des charges technologique pour la conception d'un dispositif de rééducation physique (manuelle, mécanique, électronique, robotique). La méthode d'évaluation reposera sur des critères socio-écologiques et technocritiques afin de garantir l'engagement du réseau d'acteurs dans une démarche d'éco-conception frugale et circulaire (au juste besoin, réutilisation locale, réparation, remise à neuf, modularité, démontabilité, recyclage facilité et local, etc.).

La méthode adoptée consistera à clarifier le contexte (état de l'art), question de recherche, et hypothèse, puis d'alterner des étapes de description et de proposition amenant à mesurer l'apport de la proposition sur la situation initiale (Design Research Methodology [8]). Les propositions seront confrontées au réel, tout d'abord par une analyse de terrain avec les utilisateurs (concepteur, roboticiens, patients, praticiens, réparateur en robotique, acteur de fin de vie ...), afin de cartographier le système dans lequel le dispositif s'inscrit (système de valeur, réseau d'acteurs). Puis, il s'agira d'identifier les principaux manques actuels dans ce système pour répondre aux besoins des usagers et du réseau d'acteurs associés (patients et praticiens), à la fois liés à la rééducation elle-même (mouvements à effectuer, mode d'assistance, gestion de la douleur ou de la spasticité, évolution des capacités motrices...) et nécessaires à une bonne intégration du robot de rééducation par les usagers, de son suivi, de sa recirculation avec des stratégies d'économie circulaire potentielle (parcours de soin, réseaux kiné, etc.). L'identification de ces besoins « contextualisés » combinera différentes méthodes : une revue de la littérature, des méthodes d'analyse systémique de type Value Mapping Tool [9], Matrice des Technologies Conviviales [10], l'organisation de focus groups regroupant des rééducateurs et des patients et une étude mixte, conduite également auprès de rééducateurs et de patients. La combinaison de ces outils permettra de définir les besoins de rééducation, de cartographier les facteurs de désirabilité et d'identifier les exigences perçues comme incontournables pour un usage sécurisé et approprié, mais également d'établir une analyse de risques associés, et de techno-critique.
À ce stade une proposition d'outil d'aide à la décision pourra s'élaborer en combinant un état de l'art sur les méthodes adaptées en Design for Sustainability et en conception de systèmes robotiques. L'application de la méthode prévoit des réalisations pratiques sur le cas d'étude d'un robot collaboratif pour la rééducation motrice du membre supérieur.
Le cas d'étude sera l'occasion de confronter les besoins identifiés en amont par les acteurs et les solutions techniques possibles (déterminer les capacités minimales (nombre de degrés de liberté, répétabilité, manipulabilité ...) du robot collaboratif). Une étude approfondie sur un bras robot KUKA LBR Med, disponible au GIPSA-Lab pourra être menée. Les capacités techniques de ce robot peuvent être réduites de façon systématique via une limitation logicielle afin d'étudier l'impact de cette réduction sur la performance du robot et sur la réponse aux besoins des usagers, en évaluant par exemple la stabilité du contrôle, la performance liée à la tâche assistée (temps d'exécution, taux de succès, etc.) et les trajectoires articulaires de l'humain [11-12]. Il s'agira ainsi de définir les capacités minimales du robot qui fourniraient une réponse juste aux besoins des usagers.
La partie « développement d'ingénierie » de solution de conception combinera des outils de modélisation robotique [13-14] et des méthodes d'éco-conception pour la soutenabilité, de conception collaborative et de conception centrée humain pour déterminer l'architecture du dispositif robotique, le nombre et le type de capteurs ou d'actionneurs, ainsi que les matériaux possibles. Typiquement, les méthodes d'éco-conception nécessitent des analyses du cycle de vie (ACV) paramétrique dans une logique de frugalité (limitation, seuils d'impacts, normalisation à définir), combinant analyse quantitative et qualitative.
La méthode d'aide à la décision adressée au concepteur de tels dispositifs de rééducation visera à accompagner le processus de développement du système à concevoir, des phases amont, aux phases de prototypage, tout en engageant différentes expertises impliquées dans les différentes phases du cycle de vie (et des cycles de réutilisation) du système.

Titulaire en octobre 2025 d'un diplôme d'ingénieur ou d'un Master 2 (ou un autre diplôme étranger équivalent dans l'enseignement supérieur français) en conception, mécanique, mécatronique ou dans un domaine similaire + Master orienté recherche, mineur ou spécialisation (stage, projet) sur les enjeux environnementaux (éco-conception, économie circulaire, enjeux de l'anthropocène, évaluation environnementale, approche low-tech, théorie du Donut, etc.).
Des compétences en contrôle et en modélisation robotique et des compétences en conception collaborative et centrée humain sont requises, des capacités analytiques (modélisation et intégration informatiques) sont fortement recommandées. La créativité, le goût pour le travail expérimental, pour l'analyse de terrain, et pour l'exercice de l'interdisciplinaire sont nécessaires. L'engagement du ou de la candidat.e sur les enjeux socio-écologiques est fortement conseillé.