Les progrès en informatique permettent désormais d'effectuer des téléopérations via des réseaux informatiques. Par exemple, l'Internet a déjà été utilisé ces dernières années dans le cadre de téléopérations à longue distance. Il a l'énorme avantage d'être très répandu, accessible, fiable et économique. Le but de ce travail est de mettre en œuvre une plate-forme de téléopération à longue distance via des réseaux informatiques présentant les mêmes limitations que l'Internet : présence de retards, qui plus est variables dans le temps à petite (ms) et grande échelle de temps (mn), pertes de données, asymétrie des retards. Nous avons donc élaboré dans un premier temps un modèle mathématique d'une boucle de téléopération classique en partant d'expérimentations sur notre manipulateur mobile. Nous avons ainsi construit un simulateur qui nous a permis de nous attaquer à différents problèmes inhérents à une téléopération à longue distance. Enfin, nous développons un schéma de commande intégrant les diverses évolutions proposées applicable sur un bras manipulateur. Pour valider ce schéma expérimentalement, nous avons développé un ensemble logiciel de téléopération pour PC sous Microsoft Windows.

Ce mémoire présente une synthèse des travaux de recherche conduit par l'auteur depuis la fin de sa thèse de doctorat en 2000. Ces travaux se situent dans le cadre des sciences de l'ingénieur et s'intéressent plus particulièrement à la modélisation et à la commande des systèmes mécatroniques. En effet, les dispositifs techniques construits par l'homme étant de plus en plus complexes, leur conception requière de plus en plus de compétences et de connaissances pluridisciplinaires. De plus, le processus de conception de ces dispositifs nécessitent désormais d'importantes phases préliminaires de modélisation. Celles-ci permettent de prédire le comportement du système conçu et ainsi d'aider à sa conception, non seulement au niveau du dispositif lui même (partie matérielle) mais également au niveau de la commande qui permettra d'atteindre les performances désirées (partie logicielle). Les travaux abordés portent plus spécifiquement sur les dispositifs micro-mécatroniques, c'est-à-dire sur les systèmes de très petite taille ou de grande précision mettant en oeuvre simultanément des parties électriques, mécaniques, thermodynamiques et informatiques dans lesquelles les phénomènes de couplages multiphysiques sont prépondérants. La réduction d'échelle influe fortement sur la conception, la réalisation et le fonctionnement de ces dispositifs, c'est pourquoi elle doit être prise en compte comme une contrainte de conception à part entière. Le manuscrit s'organise autour de trois grandes problématiques scientifiques qui sont abordés successivement dans trois chapitres. Après avoir présenté quelques règles et contraintes de conception associées aux micro-systèmes, le premier chapitre présente les outils de modélisation développés pour la conception et la simulation de micro-systèmes robotiques réalisés en technologie « salle blanche ». Le deuxième chapitre s'intéresse à la modélisation et à la conception de dispositifs micro-robotiques pour des applications de micro-manipulation (fonctions de préhension, de perception et de positionnement). Enfin le troisième chapitre aborde la problématique de la miniaturisation des systèmes de positionnement à haute résolution et le remplacement des systèmes classiques par des actionneurs utilisant des matériaux actifs. Ces travaux abordent principalement les matériaux piézoélectriques et les alliages à mémoire de forme magnétique. Les différents travaux de modélisation présentés dans cette HDR ont permis de concevoir un certain nombre de dispositifs réels sur lesquels ont pu être expérimentées les stratégies de commande développées au cours de ces années de recherche. Les performances de ces dispositifs ont été évaluées et confrontées aux résultats théoriques issus de simulations sur les modèles développés et présentés dans le document.

La robotique de service est un domaine émergent où il est nécessaire de commander des robots en interaction forte avec leur environnement. Ce travail présente une méthode adaptative de commande combinant de l'apprentissage de modèles de la mécanique à de la commande dans l'espace opérationnel de robots redondants. L'apprentissage des modèles cinématiques est obtenu soit par dérivation de modèles géométriques appris, soit par apprentissage direct. Ces modèles cinématiques, également appelés matrices Jacobiennes, peuvent être utilisés dans le calcul de pseudo-inverses ou de projecteurs pour la commande de robots. Cette combinaison de méthodes permet d'obtenir un contrôleur qui s'adapte à la géométrie du robot command é. En utilisant les mêmes algorithmes d'apprentissage, il est possible d'apprendre un modèle dynamique inverse du robot contr^olé de manière à le commander en couple plutôt qu'en vitesse, l'avantage étant de pouvoir s'adapter aux modifications dynamiques qui s'appliquent sur le robot comme par exemple l'application d'une force extérieure ou l'ajout d'un poids. Des expériences en simulation menées dans le cadre de cette thèse montrent comment réaliser plusieurs tâches hiérarchiques ou comment s'adapter à des perturbations avec des modèles appris. Des expériences sur le robot iCub ont également été menées afin de rendre compte de la plausibilité de l'approche proposée sur un système réel.

Cette thèse traite du suivi automatique de personne à travers la mise en oeuvre d'un système de vision hybride alliant un capteur ayant un grand champ de vue et une résolution faible avec un dispositif Pan-Tilt-Zoom orientable garantissant le détail de l'information. Une première partie est consacrée à la proposition d'une solution originale de calibrage lorsque les centres optiques des deux capteurs sont pratiquement confondus. Dans une seconde partie, nous abordons la mise en relation des informations extraites de chaque capteur et leur enrichissement mutuel nécessaire à la relation du suivi de personne basée sur une approche de filtrage particulaire : l'étape de prédiction du filtre est guidée par la détection issue de la caméra statique et la mesure est donnée par une modélisation d'apparence de la cible extraite de la caméra dynamique. Enfin, les premiers résultats de suivi sont présentés et analysés.

Les Talking Heads sont une expérience de robotique développementale menée par Luc Steels et Frédéric Kaplan en 1995. Dans cette expérience, des agents apprennent un lexique de mots associés à des propriétés visuelles d'objets extraits de leurs perceptions. Cet apprentissage est réalisé par le biais de jeux de langage dans lesquels les agents s'échangent des symboles. L'interaction entre les agents est conçue de manière à ancrer ces symboles dans leur perception. Cette expérience apporte un début de réponse au problème de la sémantique des systèmes symboliques illustré par l'expérience de pensée de la chambre chinoise. Les Talking Heads sont capables de faire converger un lexique de mots partagés au seins d'une population de plusieurs milliers d'agents de manière non supervisée, réalisant ainsi un début de solution au problème de l'émergence du langage. Cette expérience a déjà été étendue dans plusieurs directions, par exemple en rajoutant une grammaire au lexique des agents et en étendant les perceptions des agents à des scènes montrant des objets en mouvement. Mais les restrictions que les expériences actuelles dérivant des Talking Heads posent sur l'environnement limitent certaines pistes de développement intéressantes. Cette thèse a pour objectif de reproduire les Talking Heads en utilisant des robots autonomes et en se plaçant dans un environnement visuel non contraint: le laboratoire. L'intérêt de cette démarche est de confirmer dans un premier temps que le modèle des Talking Heads reste valide face à une perception plus complexe, pour pouvoir par la suite tester des modèles cognitifs plus complexes, donnant plus d'autonomie aux robots et qui n'auraient de sens que dans cet environnement suffisamment riche. Nous nous intéressons dans un premier temps aux nouveaux problèmes introduits par la mobilité des robots : détection d'un autre robot, positionnement à ses côtés et pointage d'un élément de l'environnement. Puis nous proposons un premier modèle de perception très proche des Talking Heads, utilisant des algorithmes de segmentation d'images. Ce modèle ne permet pas d'aboutir à la convergence des lexiques des agents dans ce cadre. Nous analysons les raisons de son échec, et proposons un second modèle basé sur les récentes avancées dans le domaine de la reconnaissance d'objets, utilisant des algorithmes de détection de points caractéristiques. Ce modèle est tout d'abord testé sur une base de donnée d'images, pour vérifier sa capacité à catégoriser de manière supervisée, puis appliqué aux jeux de langage des Talking Heads. Les résultats montrent que les agents sont capables d'échanger des symboles représentant des zones de leur environnement, même si le taux de succès des jeux de langage reste encore faible.

La radiologie interventionnelle est une technique chirurgicale minimallement invasive qui permet d'atteindre des organes à traiter avec des aiguilles, guidées à partir d'images scanner. Bien que cette technique offre de nombreux avantages, l'exposition aux rayons X qu'elle occasionne est nocive pour le radiologue. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un système de téléopération avec retour d'efforts. Son cahier des charges a été établi à partir d'expériences in-vivo, qui ont notamment conduit à la modélisation des forces lors d'une insertion. Le système développé répond aux contraintes liées à l'utilisation des rayons X et aux besoins des praticiens. Une étude approfondies a permis de déterminer la commande bilatérale la mieux adaptée à l'application. Pour améliorer la perception des efforts, deux approches ont été étudiées. La première est une synthèse automatique de la commande en effort côté maître. La seconde vise à accroître la sensation de passage entre les tissus.

Dans ce travail, nous présentons les résultats théoriques obtenus pour la mise en oeuvre de stratégies de diagnostic dans les systèmes complexes, à savoir, les systèmes singuliers, les systèmes à paramètres et états inconnus, les systèmes bilinéaires.

Les robots légers utilisés pour la télé-échographie robotisée permettent, à l'expert médical, d'orienter à distance une sonde ultrasonore 2D. L'analyse en temps réel de l'image ultrasonore du patient, reçue via un lien de communication, permet à l'expert de définir un diagnostic. Les validations cliniques du concept de télé-échographie robotisée montrent qu'il est ainsi possible de pallier le manque d'experts en ultrasonographie sur des sites médicalement isolés. Le robot porte-sonde est positionné et maintenu sur le corps du patient par un assistant à partir des informations communiquées par le spécialiste via visioconférence. Cependant, la faible masse du robot, le fait qu'il soit maintenu par un assistant sur le corps du patient et les mouvements physiologiques du patient provoquent des perturbations dans la position de la sonde et engendrent ainsi des pertes des sections d'intérêt des organes étudiés. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une approche par asservissement visuel basé sur les moments d'image ultrasonore 2D. Le calcul des moments 2D étant basé sur les points du contour de la section d'intérêt, un algorithme de traitement d'images efficace est nécessaire pour détecter et suivre le contour d'intérêt en mouvement. Pour cela, une méthode de contour actif paramétrique basée sur les descripteurs de Fourier est présentée. Les lois de commandes correspondant à trois tâches autonomes autorisant la recherche et le maintien de visibilité d'un organe lors de l'acte médical télé-opéré sont implémentées et validées sur la plateforme robotique du projet ANR Prosit.

L’intelligence artificielle est un domaine de l’informatique étudiant la conception d’agents intelligents. Un agent est une entité acquérant de l’information sur son environnement par ses capteurs et agissant sur son environnement à travers ses actionneurs. Certains agents existent seulement dans le domaine logiciel, comme par exemple un agent intelligent pour un jeu vidéo, alors que d’autres existent dans le monde physique, tels les robots mobiles. Les domaines des jeux vidéo et de la robotique partagent certaines caractéristiques, dont la nécessité de prendre des décisions en temps réel dans un environnement dynamique ainsi qu’une vue incomplète sur cet environnement. Ce mémoire est divisé en deux chapitres. Le premier chapitre traite d’une approche de planification de trajectoires exploitant la géométrie d’une classe particulière de robots omnidirectionnels non-holonomes afin de calculer des chemins adéquats leur permettant d’atteindre une destination désirée. Les résultats obtenus avec cette approche tendent à démontrer qu’elle est plus efficace que les algorithmes traditionnels de planification de trajectoires grâce à l’information additionnelle prise en compte lors du calcul. Le second chapitre décrit l’architecture décisionnelle de l’agent intelligent SPAR qui est en mesure de jouer de façon autonome des parties de StarCraft : Brood War, un jeu de stratégie en temps réel. L’architecture de SPAR inclut entre autres des algorithmes de planification de trajectoires similaires à ceux du premier chapitre. Elle permet de faire face plus facilement et de façon plus rigoureuse, en comparaison avec les architectures existantes, aux nombreuses difficultés propres à ce type de jeu. Ces difficultés incluent un degré élevé de concurrence dans les actions et une multitude d’unités à contrôler dans un contexte temps réel. L’agent SPAR a participé aux volets 2011 et 2012 de la compétition AIIDE de StarCraft et à l’édition 2012 de la compétition SSCAI où il a obtenu à chaque fois des résultats honorables.

La problématique de cette thèse se tient à l'interface des domaines scientifiques de l'adéquation algorithme architecture, des systèmes de vision bio-inspirée en robotique mobile et du traitement d'images.Le but est de rendre un robot autonome dans son processus de perception visuelle, en intégrant au sein du robot cette tâche cognitive habituellement déportée sur un serveur de calcul distant.Pour atteindre cet objectif, l'approche de conception employée suit un processus d'adéquation algorithme architecture, où les différentes étapes de traitement d'images sont analysées minutieusement.Les traitements d'image sont modifiés et déployés sur une architecture embarquée de façon à respecter des contraintes d'exécution temps-réel imposées par le contexte robotique.La robotique mobile est un sujet de recherche académique qui s'appuie sur des approches bio-mimétiques.La vision artificielle étudiée dans notre contexte emploie une approche bio-inspirée multi-résolution, basée sur l'extraction et la mise en forme de zones caractéristiques de l'image.Du fait de la complexité de ces traitements et des nombreuses contraintes liées à l'autonomie du robot, le déploiement de ce système de vision nécessite une démarche rigoureuse et complète d'exploration architecturale logicielle et matérielle.Ce processus d'exploration de l'espace de conception est présenté dans cette thèse.Les résultats de cette exploration ont mené à la conception d'une architecture principalement composée d'accélérateurs matériels de traitements (IP) paramétrables et modulaires, qui sera déployée sur un circuit reconfigurable de type FPGA.Ces IP et le fonctionnement interne de chacun d'entre eux sont décrits dans le document.L'impact des paramètres architecturaux sur l'utilisation des ressources matérielles est étudié pour les traitements principaux.Le déploiement de la partie logicielle restante est présenté pour plusieurs plate-formes FPGA potentielles.Les performances obtenues pour cette solution architecturale sont enfin présentées.Ces résultats nous permettent aujourd'hui de conclure que la solution proposée permet d'embarquer le système de vision dans des robots mobiles en respectant les contraintes temps-réel imposées. / This Ph.D Thesis stands at the crossroads of three scientific domains : algorithm-architecture adequacy, bio-inspired vision systems in mobile robotics, and image processing.The goal is to make a robot autonomous in its visual perception, by the integration to the robot of this cognitive task, usually executed on remote processing servers.To achieve this goal, the design approach follows a path of algorithm architecture adequacy, where the different image processing steps of the vision system are minutely analysed.The image processing tasks are adapted and implemented on an embedded architecture in order to respect the real-time constraints imposed by the robotic context.Mobile robotics as an academic research topic based on bio-mimetism.The artificial vision system studied in our context uses a bio-inspired multi-resolution approach, based on the extraction and formatting of interest zones of the image.Because of the complexity of these tasks and the many constraints due to the autonomy of the robot, the implementation of this vision system requires a rigorous and complete procedure for the software and hardware architectural exploration.This processus of exploration of the design space is presented in this document.The results of this exploration have led to the design of an architecture primarly based on parametrable and scalable dedicated hardware processing units (IPs), which will be implemented on an FPGA reconfigurable circuit.These IPs and the inner workings of each of them are described in the document.The impact of their architectural parameters on the FPGA resources is studied for the main processing units.The implementation of the software part is presented for several potential FPGA platforms.The achieved performance for this architectural solution are finally presented.These results allow us to conclude that the proposed solution allows the vision system to be embedded in mobile robots within the imposed real-time constraints.