La découverte de contingences sensorimotrices et leur structuration en compétences sont des enjeux importants en robotique. En particulier, on souhaite pouvoir apprendre ainsi des compétences qui soient à la fois riches sémantiquement et aussi générales que possible.Cette thèse s’est intéressée à la question du regroupement de compétences robotiques en compétences plus générales. Après avoir posé formellement les notions que l’on peut trouver dans la littérature de compétence et de compétence paramétrée, nous avons relié les compétences paramétrées aux modèles inverses et nous nous sommes inspirés du dualisme entre modèles directs et inverses pour proposer un formalisme dual, les compétences paramétrées directes.Nous avons ensuite entrepris de déterminer quand il était ou non pertinent de réunir des compétences au sein d’une même compétence paramétrée directe.Le problème est alors ramené à un problème de régression, et des algorithmes s’inspirant du principe du rasoir d’Ockham sont proposés pour y chercher une solution sous la forme d’un mélange d’experts de complexité minimale. Ces algorithmes sont ensuite appliqués à des données de manipulation d’objets en simulation / The discovery of sensorimotor contingencies and their structurationinto skills are both important topics in the field of robotics. In particular,robots need the ability to learn skills which are both semantically rich and as general as possible. During this thesis, we studied the question of merging robotic skills into more general skills. After formally defining the notions that can be found in the litterature of skills and parameterized skills, we established a link between paramaterized skills and inverse models, then mirrored the dualism between forward and inverse models to propose a dual type of parameterized skills:forward-parameterized skills. We went on to determine when merging skills into a forward-parameterized skill is relevant and when it’s not. The problem is then formulated as a regression problem, and algorithms inspired by the Occam Razor principle are proposed to find a mixture of experts that solves it with minimal complexity. Those algorithms are then applied to simulated object-manipulation data.

Introduction : Rapporter le développement et les expérimentations d'un nouveau système robotisé destiné à la curiethérapie prostatique possédant un système de suivi de la prostate et une possibilité de fusion écho-IRM. Matériel et méthodes : Un robot d'implantation d'aiguilles transpérinéales guidé par échographie transrectale avec suivi peropératoire des mouvements et de la déformation de la prostate a été crée. Les expériences ont été conduites sur 90 cibles réalisées dans 9 fantômes conçus pour être mobiles et déformables. Les expériences ont été ensuite conduites chez 2 cadavres. Le robot a cherché à déposer des billes de verre simulant des grains de curiethérapie aussi près que possible des cibles dans des fantômes évaluables par différentes modalités d'imagerie dont le scanner et dans des prostates de cadavre. Les résultats étaient mesurés en segmentant les cibles et les billes de verre sur des volumes tomodensitométriques des fantômes et des cadavres. Résultats : Le robot était capable d'atteindre les cibles choisies dans les fantômes avec une précision médiane de 2.73 mm, avec un déplacement médian de la prostate de 5.46 mm. La précision était meilleure à la base qu'à l'apex (2.28 mm vs 3.83 mm, p<0.01) et n'était pas significativement différente pour les implantations horizontales et obliques (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Les tests sur cadavre ont montré la faisabilité et l'ergonomie du robot en salle d'opération mais des expérimentations plus poussées sont nécessaires. Conclusion : Ce robot destiné à la curiethérapie prostatique est le premier système utilisant le suivi de la prostate intra-opératoire pour guider des aiguilles dans la prostate. Les expériences préliminaires montrent sa capacité à atteindre des cibles malgré les mouvements de la prostate. Les applications pourraient être élargies à la thérapie focale et aux biopsies guidées compte-tenu de sa possibilité à fusionner l'imagerie IRM et l'échographie. / Purpose: To report on the development and the initial experience with a new 3D ultrasound robotic system for prostate brachytherapy assistance and focal therapy. MRI-TRUS fusion as well as its ability to track prostate motion intra-operatively allows it to manage motions and guide needles to MRI enhanced tumor foci. Materials and methods: A robotic system for TRUS-guided needle implantation combined with intraoperative prostate tracking was created. Experiments were conducted on 90 targets embedded in 9 mobile and deformable synthetic prostate phantoms. A preliminary feasibility study on 2 cadavers was also carried out. The experiments involved trying to insert glass beads as close as possible to targets in multimodal imaging phantoms and in cadaver prostates. The results were measured by segmenting the inserted beads in CT scan volumes of the phantoms and of the cadaver's radical prostatectomy specimens. Results: The robot was able to reach the chosen targets in phantoms with a median accuracy of 2.73 mm, with a median prostate motion of 5.46 mm. Accuracy was better in apex than in base (2.28 vs 3.83 mm, p<0.001) and was similar for horizontal and angled needle inclinations (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Cadaver tests showed the feasibility of the robot's ergonomics in the operating room but further in vivo assessments are needed. Conclusion: This robot for prostate focal therapy and brachytherapy is the first system using intraoperative prostate motion tracking to guide needles into the prostate. The preliminary experiments described show its ability to reach targets in spite of the motion of the prostate.

La curiethérapie constitue 25% à 30% des opérations de traitement utilisées sur les 40.000 cas de cancer de prostate par an en France. Elle consiste à mettre manuellement une trentaine d'aiguilles creuses dans la prostate, à travers le périnée, en utilisant des images échographiques pour localiser la prostate et les aiguilles. Au moyen de ces aiguilles, des grains radioactifs sont insérés dans la prostate à des endroits précis pré-planifiés grâce à l'imagerie. Le succès de l'opération est étroitement lié à la répartition et l'homogénéité de la dose radioactive répartie dans la prostate, donc à la précision avec laquelle les grains y sont placés. Cette précision est affectée par plusieurs facteurs. Premièrement, la prostate bouge et se déforme pendant l'insertion des aiguilles et lors des déplacements de la sonde échographique pour les acquisitions d'images. Deuxièmement, la taille de la prostate est susceptible d'augmenter pendant l'opération à cause des saignements occasionnés. Enfin, les aiguilles sont très minces et susceptibles de se courber pendant leur insertion.Le laboratoire TIMC-IMAG (équipe GMCAO) a mis au point un système robotisé d'insertion d'aiguilles transpérinéale, guidé par échographie 3D avec le but d'améliorer la précision, la fiabilité et l'efficacité de la pose des grains. Ces travaux ont montré une première faisabilité globale de l'approche avec un premier prototype de laboratoire. Cependant l'approche actuelle permet de corriger seulement en partie les bougés et déformations de la prostate en cours de geste grâce au couplage avec des méthodes d'imagerie 3D. La correction ne tire pas parti des informations très riches issues de l'imagerie : seule la profondeur d'insertion est modifiée pendant le geste. Le LIRMM (équipe DEXTER) a développé récemment une approche de planification adaptative pour le guidage d'aiguille flexible lors de leur insertion dans des procédures percutanées. La technique proposée permet la mise à jour du chemin suivi par l'aiguille en intégrant des informations obtenues en ligne par un retour visuel. Cette stratégie de planification et de contrôle est définie dans une architecture en boucle fermée et permet ainsi de compenser les incertitudes du système et les perturbations (déformations des organes, inhomogénéité des tissus, etc) auxquelles il est soumis.Le but de ces travaux de thèse est donc de coupler les savoir-faire de chacun des deux laboratoires afin d’apporter une solution de guidage d’aiguilles flexibles pour la curiethérapie de prostate. La réalisation de cet objectif passe, dans un premier temps, par l’élaboration d’un algorithme de suivi d’aiguille sous échographie 3D. Cet algorithme est confronté à la faible visibilité des aiguilles offerte par cette modalité d’imagerie, associée à diverses sources de bruit. Ces conditions rendent très difficile la détection de l’aiguille. Dans le but d’améliorer la robustesse de cet algorithme, la zone de recherche de l’aiguille dans le volume est déterminée par un modèle prédictif, qui constitue une première contribution de ce manuscrit. Le contrôle de l’aiguille par planification en boucle fermée a été adapté aux spécificités de l’imagerie échographique 3D ainsi qu’à celles du robot développé précédemment. Ce contrôle est couplé au retour visuel de l’aiguille donné par l’algorithme de détection. Ce dispositif a, par la suite, été testé sur fantômes puis sur pièce anatomique afin de déterminer la viabilité et la pertinence du système proposé.Ce travail constitue donc une première étape vers une future application clinique du guidage d’aiguilles flexibles. Si voir un système robotique insérer seul une aiguille flexible en clinique est encore un rêve lointain, l’idée d’un système d’assistance à l’insertion d’aiguille, où le clinicien et le robot travaillent de pairs, est une solution envisageable dès maintenant. / In France, 25% to 30% of the 40,000 prostate cancer cases per year are treated with brachytherapy. During this procedure, about thirty needles are manually inserted into the prostate through the perineum using ultrasound images to locate the prostate and needles. Radioactive seeds are then inserted into the prostate specific pre-planned locations using needle cannula. The success of the operation is closely related to the distribution and homogeneity of the radioactive dose distribution in the prostate, therefore the precision with which the seeds are positioned. This accuracy is affected by many factors. Firstly, the prostate moves and deforms due to the insertion of the needles and to the movements of the ultrasonic probe. Secondly, the size of the prostate increases due to tissue inflammation and bleeding. Finally, the needles are very thin and could bend during insertion.The TIMC-IMAG laboratory (CAMI team) has developed a robotic system for transperineal needle insertion. This system is guided by 3D ultrasound to improve the precision, reliability and efficiency of the radioactive source positioning. These works showed a first proof of concept using a laboratory prototype. However the current approach can only partially correct prostate movements and deformations using 3D imaging methods. The correction does not take advantage of the rich information of this imaging modality: only the insertion depth is changed during the gesture. LIRMM (DEXTER team) recently developed an adaptive planning approach to guide a flexible needle during its insertion in percutaneous procedures. The proposed technique allows to update the path followed by the needle using online information from the visual feedback. This planning and control approach forms a closed-loop architecture and allows to compensate system disturbances (organ deformities, tissue inhomogeneity, etc.).The purpose of this thesis is to combine the expertise of the two laboratories to provide a flexible needle steering system for prostate brachytherapy purposes. This objective is achieved first by developing a needle tracking algorithm in 3D ultrasound. This algorithm deals with low visibility of the needles offered by this imaging modality, combined with various noises. These conditions complicate the detection of the needle. In order to improve the robustness of our algorithm, a search area is defined to detect the needle in the volume. This area is then determined by a predictive model, which is a first contribution of this manuscript. Control of the closed-loop planning needle is adapted to the specifications of the 3D ultrasound imaging system as well as those of the previously developed robot. This control is coupled to the needle visual feedback given by the detection algorithm. This device is tested on phantoms then on anatomical specimen to assess the viability and relevance of the proposed system.This work is therefore a first step towards a future clinical application of flexible needle steering. The entirely automatic insertion of flexible needle in clinic is a distant dream. However, the idea of an assistance system for needle insertion, where the clinician and the robot work together, is reachable from now.

Le problème de planification de trajectoire des bras manipulateurs redondants est largement étudié dans la littérature. Sa résolution nécessite la prise en compte d'un certain nombre de contraintes, qui sont : • le calcul des différentes configurations par lesquelles le robot doit passer ; • l'obtention de courbes lisses (vitesses, accélérations, jerks).La prise en compte de ces deux contraintes dans la démarche de résolution peut se faire de deux manières différentes. La première consiste à supposer au préalable que les différentes courbes suivent des trajectoires lisses (utilisation de fonctions polynomiales ou trigonométriques). La résolution aura pour objectif de calculer les paramètres de chacune des courbes. La deuxième technique consiste à traiter les deux contraintes séparément. Ainsi, on calcule les différentes configurations, puis on procède à une interpolation. Outre ces deux contraintes, on doit aussi résoudre le problème de redondance du robot et la manière de l'exploiter. La première partie de cette thèse est ainsi consacrée à l'étude de cette problématique. La démarche de résolution proposée repose entièrement sur des algorithmes d'optimisation. Les deux contraintes citées précédemment étant traitées séparément, il devient aisé de prendre en compte davantage de critères dans le problème d'optimisation. Ainsi, de nouvelles formulations sont proposées. Ces dernières font appel aux techniques d'optimisation hiérarchique, afin de faciliter le traitement de la redondance, qui est exploitée pour l'évitement d'obstacles et les singularités du robot. Vu la complexité de ces formulations, nous avons préconisé une démarche de résolution approchée, qui fait appel aux métaheuristiques d'optimisation, en particulier les algorithmes génétiques. La validation de la démarche proposée est faite sur le modèle du robot Neuromate. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à une application avec le robot Neuromate. Plus particulièrement, nous nous sommes intéressés à l'opération de craniotomie avec le robot Neuromate. L'objectif est de réaliser une petite ouverture au niveau du crâne humain afin que le chirurgien puisse glisser des instruments pour traiter des maladies affectant le cerveau. Réalisée par le chirurgien lui-même, sans assistance robotique, cette opération est très délicate, du fait du manque de précision et de l'allongement du temps d'intervention. Les risques d'aggravation sont particulièrement élevés si la zone d'intervention est proche des veines ou située dans des régions qui ont une fonction importante (région motrice ou région de langage, par exemple). La démarche classique de la craniotomie assistée fait appel à la co-manipulation, qui contraint le chirurgien à participer à l'action, et donc à fournir des efforts. Dans ce travail, une autre démarche est proposée, basée sur l'intégration au robot Neuromate d'un système d'usinage à grande vitesse. Des tests ont été réalisés sur des plaques en polyamide dont les caractéristiques mécaniques sont proches de celles du crâne / The problem of trajectory planning is largely studied in the literature. In order to solve this problem, we need to take into account two important constraints, which are : • the computation of the different configurations in which the robot must pass ; • the smoothness of the resulting curves (velocities, accelerations, jerks).Taking both constraints into consideration can be done in two different ways. The first one is to suppose that all the curves are smooth (using polynomial or trigonometric functions) and then, the aim of the resolution is to find the coefficient of each of them. The second way is to deal the constraints separately. Thus, we compute in first the different configurations in which the robot must pass. After that, we compute the whole curve by interpolation. Adding to the constraints mentioned before, we have to solve the problem of the redundancy of the robot. The first part of this thesis is then devoted to the study of this problem. The proposed solving technique is entirely based on optimization algorithms. The two constraints cited above are treated separately, which allows to take more criteria into account. Thus, new formulations are proposed. They are based on the hierarchical optimization problem, which facilitates handling of the redundancy which is used for the obstacle and the singularities avoidance. Because of the high complexity of the proposed formulations, we chose to use metaheuristics to resolve them, especially the genetic algorithms. We validated the proposed technique on the model of the Neuromate robot. The second part of this thesis is devoted to an application achieved with the Neuromate robot. The procedure of craniotomy is used to perform a very small hole in the human skull in order to allow the surgeon to introduce medical instruments, to take care of some illness that affects brain. Achieved by the surgeon himself, without any robotics aid, this operation is very delicate, because of its lack of precision and increase of processing time. The risks are particularly high if the area of intervention is near the veins. The classical solving technique is based on the co-manipulation principle, which means that the surgeon participates in the action and then, provides an effort. In this work, another solving technique is proposed. It is based on the integration of a machining system with the Neuromate robot. The tests are achieved on plates made of polyamide of which the mechanical characteristics are near to those of the human skull

L’assistance à la mobilité est un enjeu majeur, compte tenu de son importance dans l’augmentation de l’autonomie des personnes. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons au moyen d’assistance le plus commun qu’est la canne. Nous avons, dans un premier temps, analysé l’apport des cannes conventionnelles dans l’assistance à des marches perturbées.Cette analyse repose sur des caractérisations expérimentales ainsi que sur la modéli- sation et la simulation de la marche assistée. Nous avons ainsi mis en évidence l’aide au support du poids, au freinage et à la propulsion permises par le point d’appui supplé- mentaire fourni par la canne.Nous avons ensuite introduit le développement d’une canne robotique. Contrairement aux cannes robotiques existantes, notre prototype ne repose pas sur une base mobile statiquement stable. Pour plus de compacité et pour garder les attributs d’une canne conventionnelle, elle est composée d’un axe télescopique et d’une roue à son extrémité, tous deux motorisés. La commande de ce prototype est ensuite décrite. Elle permet de synchroniser les mouvements de la canne robotique avec le cycle de la marche. La canne suit ainsi activement le mouvement de la jambe “invalide” durant la phase de balancement et offre un point d’appui stable pendant la phase d’appui. / Mobility assistance is major challenge since its importance in people autonomy enhancement.In this thesis, we focus on one of the most used assisting device which is the cane.Firstly, we have analyzed the supply provided by conventional canes during impaired gaits.This analyse is based on cane-assisted gait experimental characterizations and simulation.We have highlighted the weight-bearing, braking and propulsion assistance allowed by the additional contact point represented by the cane.Then, the development of a robotized cane is introduced. Unlike existing robotized canes, our prototype does not remain on a stable mobile platform.In order to reduce its volume and keep the shape of a conventional cane, the cane is composed of a telescopic shaft and a wheel at its tip, both motorized.The control of this cane is described. It allows to synchronize the cane motion with its user’s gait. The active cane follows the weakest leg during its swinging phase and offers a stable contact point during the stance phase.

La navigation autonome est l'un des plus grands challenges pour un robot autonome. Elle nécessite la capacité à localiser sa position ou celle de l'objectif et à trouver le meilleur chemin connectant les deux en évitant les obstacles. Pour cela, les robots utilisent une carte de l'environnement modélisant sa géométrie ou sa topologie. Cependant la construction d'une telle carte dans des environnements de grande dimension est ardue du fait de la quantité de données à traiter et le problème de la localisation peut devenir insoluble. De plus, un environnement changeant peut conduire à l'obsolescence rapide du modèle. Comme démontré dans cette thèse, l'ajout d'information de nature sémantique dans ces cartes améliore significativement les performances de navigation des robots dans des environnements réels. La labélisation d'image permet de construire des modèles extrêmement compacts qui sont utilisés pour la localisation rapide en utilisant une approche basée comparaison de graphes. Ils sont des outils puissants pour comprendre l'environnement et permettent d'étendre la carte au-delà des limites perceptuelles du robot. L'analyse statistique de ces modèles est utilisée pour construire un embryon de sens commun qui est ensuite utilisé pour détecter des erreurs de labélisation et pour mettre à jour la carte en utilisant des algorithmes conçus pour maintenir une représentation stable en dépits des occlusions créées par les objets dynamiques. Finalement, la sémantique est utilisées pour sélectionner le meilleur chemin vers une position cible en fonction de critères de haut niveau plutôt que métriques, autorisant une navigation intelligente. / Utonomous navigation is one of the most challenging tasks for mobile robots. It requires the ability to localize itself or a target and to find the best path linking both positions avoiding obstacles. Towards this goal, robots build a map of the environment that models its geometry or topology. However building such a map in large scale environments is challenging due to the large amount of data to manage and localization could become intractable. Additionally, an ever changing environment leads to fast obsolescence of the map that becomes useless. As shown in this thesis, introducing semantics in those maps dramatically improves navigation performances of robots in realistic environments. Scene parsing allows to build extremely compact semantic models of the scene that are used for fast relocalization using a graph-matching approach. They are powerful tools to understand scene and they are used to extend the map beyond perceptual limits of the robot through reasoning. Statistical analysis of those models is used to build an embryo of common sens which allows to detect labeling errors and to update the map using algorithms designed to maintain a stable model of the world despite occlusions due to dynamic objects. Finally semantics is used to select the best route to a target position according to high level criteria instead of metrical constraints, allowing intelligent navigation.

La manipulation intelligente des objets non-rigides - cordes, tissus, éponges, caoutchoucs, organes et autres matériaux dont la forme change durant la manipulation - par un système robotique est un critère important pour l'automatisation de plusieurs tâches délicates allant de l'assemblage industriel à la chirurgie, en passant par l'industrie alimentaire et les travaux domestiques. Bien que la manipulation d'objets linéaires (cordes) et plans (tissus) ait beaucoup progressé au cours des dernières années, la manipulation dextre d'objets tridimensionnels reste un sujet relativement peu exploré. En particulier, la sélection d'une prise optimale et le contrôle de la forme d'un objet sont des habiletés importantes, mais qui demandent généralement une connaissance complète des propriétés de l'objet ainsi qu'une puissance de calcul significative. L'objectif principal de cette thèse est le développement d'un système de planification et de contrôle pour déformer de façon contrôlée le contour d'un objet tridimensionnel dont les caractéristiques sont initialement inconnues, permettant par exemple de l'insérer dans un cadre rigide d'une forme prédéfinie. Ainsi, la tâche centrale est le développement d'une stratégie pour la sélection des points de contact entre les doigts de la main et l'objet à manipuler. D'abord, l'application du principe de diminution de la rigidité permet d'effectuer une présélection des points de contact qui optimiseront la déformation de l'objet. Ensuite, les prises potentielles sont générées de manière à assurer la stabilité de la manipulation ainsi que le respect des contraintes imposées par le manipulateur robotique. Une fois que la prise qui équilibre au mieux ces différents critères est sélectionnée, le contrôle de la forme est effectué tout en maintenant le suivi en temps réel du contour de l'objet pendant la manipulation. Ceci vise à permettre d'ajuster dynamiquement le modèle de déformation ainsi que les forces appliquées, de manière à caractériser la rigidité de l'objet et à optimiser sa déformation. L'algorithme de sélection de prise développé représente la contribution principale de cette thèse, combinant l'effcacité d'un algorithme heuristique à l'exhaustivité d'un planificateur par échantillonnage pour rapidement identifier les prises qui faciliteront la tâche de déformation en respectant les contraintes de la main robotique et les critères de stabilité. Les contributions secondaires incluent des améliorations au suivi de contour par fast level-set en coordonnées log-polaires et l'adaptation du contrôle par diminution de la rigidité à la manipulation du contour d'un objet tridimensionnel avec l'ajustement automatique du paramètre de rigidité.

Les robots sériels de grandes dimensions apportent dextérité, répétabilité et flexibilité dans les chaînes de production. Sur ces chaînes, des opérations telles que la mesure de pièces peuvent exploiter ces avantages très attractifs. Il est cependant impératif de mieux maîtriser le positionnement de l’effecteur de ces robots, pour répondre aux exigences de la mesure 3D. Dans ce contexte, une cellule de numérisation robotisée a été développée, exploitant un robot sériel 6 axes comme support d’un capteur laser plan (KZ25 Kreon), et utilisant un système de stéréovision externe pour le suivi de l’opération et la calibration de la cellule (C-Track Creaform). La calibration que nous proposons pour cette cellule permet de maîtriser la qualité et d’optimiser la vitesse de numérisation, et se veut à la fois rapide et pratique (peu de contraintes et de matériel) pour répondre à un contexte industriel.Cette calibration passe par l’identification des paramètres d’un modèle géométrique pour le robot, à l’aide d’une nouvelle méthode que nous proposons, généralisant le concept d’étude d’arc de cercle proposé dans la méthode CPA (Circle Point Analysis). Une étude comparative démontre les avantages de cette nouvelle méthode par rapport aux méthodes classiquement utilisées. Une méthode de sélection que nous avons développée permet ensuite de compléter le modèle du robot avec des paramètres non-géométriques pertinents (flexibilités, jeux). Au cours de la calibration, nous étudions également les capacités du robot en vitesse et en qualité de positionnement au travers d’indices de performance originaux. Enfin nous avons élaboré et validé une méthode de calibration en position et orientation du KZ25 sur son support (le robot) ce qui permet une numérisation à 6 DDL.En perspective, un générateur de trajectoires, à donner en consigne au robot, devra utiliser cette calibration de la cellule entière pour maîtriser la qualité de la numérisation et optimiser sa durée. / Serial robots are designed for repetitive tasks in wide workspaces, and provide good dexterity and flexibility to production lines. Restrictive applications such as parts digitizing can make use of those attractive benefits. However, digitizing needs on accuracy require to work carefully on the quality of the robot end-effector positioning. In this context, a digitizing cell using a 6 axis robot as displacement system for a laser plane sensor (KZ25) was developed. In this cell all calibrations are ensured by an external measurement system (C-Track Creaform) following the end-effector. The goal is to master the digitizing quality and to optimize the operating speed thanks to quick and convenient calibrations (few equipment, installation and constraints).First, the parameters of the robot geometric model are identified with a quick and convenient method we developed, based on the existing circle point analysis method (CPA). A comparative study shows the advantages of our identification method over classic methods. Then a selective method we proposed allows us to complete this geometric model with relevant non-geometric parameters such as flexibilities or backlashes. Robot performances in terms of speed and posing quality are also studied through new performance indexes. Finally, we had to create and validate a calibration method for the position and orientation of the KZ25 sensor in order to exploit the unrestricted orientation provided by the robot end- effector.In our work prospects, a path generation strategy will use those calibrations to create paths for the robot, with mastered digitizing quality and optimized speed.

Des méthodes efficaces s'appuyant sur des outils statistiques pour réaliser dela reconnaissance de mouvement ont été développé. Ces méthodes reposent surl'apprentissage de primitives situé dans des espaces approprié, par exemplel'espace latent de l'espace articulaire et/ou d'espace de tâches adéquat. Lesprimitives apprises sont souvent séquentielle: un mouvement est segmenté selonl'axe des temps. Dans le cas d'un robot humanoïde, le mouvement peut êtredécomposé en plusieurs sous-tâches simultanées. Par exemple dans un scénario deserveur, le robot doit placer une assiette sur la table avec une main tout enmaintenant son plateau horizontal avec son autre main. La reconnaissance nepeut donc pas se limiter à une seule et unique tâche par segment de tempsconsécutif. La méthode présenté dans ces travaux utilise la connaissance destâches que le robot est capable d'accomplir, ainsi que des contrôleurs quigénèreront les mouvements pour réaliser une rétro ingénierie sur un mouvementobservé. Cette analyse est destinée à reconnaître des tâches qui ont été exécutéde manière simultanées. La méthode repose sur la fonction de tâche et lesprojections dans l'espace nul des tâches afin de découpler les contrôleurs.L'approche a été appliqué avec succès sur un vrai robot pour distinguer desmouvements visuellement très proches, mais sémantiquement différents / Efficient methods to perform motion recognition have been developed usingstatistical tools. Those methods rely on primitives learning in a suitablespace, for example the latent space of the joint angle and/or adequate taskspaces. The learned primitives are often sequential : a motion is segmentedaccording to the time axis. When working with a humanoid robot, a motion can bedecomposed into simultaneous sub-tasks. For example in a waiter scenario, therobot has to keep some plates horizontal with one of his arms, while placing aplate on the table with its free hand. Recognition can thus not be limited toone task per consecutive segment of time. The method presented in this worktakes advantage of the knowledge of what tasks the robot is able to do and howthe motion is generated from this set of known controllers to perform a reverseengineering of an observed motion. This analysis is intended to recognizesimultaneous tasks that have been used to generate a motion. The method relieson the task-function formalism and the projection operation into the null spaceof a task to decouple the controllers. The approach is successfully applied ona real robot to disambiguate motion in different scenarios where two motionslook similar but have different purposes

Afin que les robots humanoïdes puissent travailler avec les humains et être en mesure de résoudre des tâches répétitives, nous devons leur permettre de planifier leurs mouvements de façon autonome. La planification de mouvement est un problème de longue date en robotique, et tandis que sa fondation algorithmique a été étudiée en profondeur, la planification de mouvement est encore un problème NP-difficile et qui manque de solutions efficaces. Nous souhaitons ouvrir une nouvelle perspective sur le problème en mettant en évidence sa structure: le comportement du robot, le système mécanique du robot et l’environnement du robot. Nous allons nous intéresser à l’hypothèse que chaque composante structurelle peut être exploitée pour créer des algorithmes de planification de mouvement plus efficaces. Nous présentons trois algorithmes exploitant la structure, basés sur des arguments géométriques et topologiques: d’abord, nous exploitons le comportement d’un robot de marche en étudiant la faisabilité des transitions des traces de pas. L’algorithme qui en résulte est capable de planifier des traces de pas tout en évitant jusqu’à 60 objets situés sur une surface plane 6 mètres carrés. Deuxièmement, nous exploitons le système mécanique d’un robot humanoïde en étudiant les structures des liaisons linéaires de ses bras et de ses jambes. Nous introduisons le concept d’une trajectoire irréductible, qui est une technique de réduction de dimension préservant la complétude. L’algorithme résultant est capable de trouver des mouvements dans des environnements étroits, où les méthodes d’échantillonnage ne pouvaient pas être appliquées. Troisièmement, nous exploitons l’environnement en raisonnant sur la structure topologique des transitions de contact. Nous montrons que l’analyse de l’environnement est une méthode efficace pour pré-calculer les informations pertinentes pour une planification de mouvement efficace. En s’appuyant sur ces résultats, nous arrivons à la conclusion que l’exploitation de la structure est une composante essentielle de la planification de mouvement efficace. Il en résulte que tout robot humanoïde, qui veut agir efficacement dans le monde réel, doit être capable de comprendre et d’exploiter la structure. / If humanoid robots should work along with humans and should be able to solve repetitive tasks, we need to enable them with a skill to autonomously plan motions. Motion planning is a longstanding core problem in robotics, and while its algorithmic foundation has been studied in depth, motion planning is still an NP-hard problem lacking efficient solutions. We want to open up a new perspective on the problem by highlighting its structure: the behavior of the robot, the mechanical system of the robot, and the environment of the robot. We will investigate the hypothesis that each structural component can be exploited to create more efficient motion planning algorithms. We present three algorithms exploiting structure, based on geometrical and topological arguments: first, we exploit the behavior of a walking robot by studying the feasibility of footstep transitions. The resulting algorithm is able to plan footsteps avoiding up to 60 objects on a 6 square meters planar surface. Second, we exploit the mechanical system of a humanoid robot by studying the linear linkage structures of its arms and legs. We introduce the concept of an irreducible motion, which is a completeness-preserving dimensionality reduction technique. The resulting algorithm is able to find motions in narrow environments, where previous sampling-based methods could not be applied. Third, we exploit the environment by reasoning about the topological structure of contact transitions. We show that analyzing the environment is an efficient method to precompute relevant information for efficient motion planning. Based on those results, we come to the conclusion that exploiting structure is an essential component of efficient motion planning. It follows that any humanoid robot, who wants to act efficiently in the real world, needs to be able to understand and to exploit structure.