Le processus de réalisation des pièces de formes complexes par usinage est un processus essentiel dans les domaines de l'aéronautique, de l'automobile, des moules et des matrices. Alors que l'usinage 5 axes grande vitesse est maintenant répandu dans les grands groupes industriels, il reste plusieurs problématiques à traiter. L'évitement de collisions le long de la trajectoire outil programmée en alors traité, notamment au niveau des interférences globales représentant une collision entre l'outil et son environnement. Classiquement, l'évitement de collisions dans le domaine de l'usinage 5 axes grande vitesse peut être programmé à l'aide d'une analyse géométrique de la situation. Si une collision est détecté, alors une phase de correction et d'optimisation peuvent être utilisée afin d'obtenir une nouvelle trajectoire hors collision. Le but des travaux est alors d'utiliser une modélisation physique afin d'obtenir une trajectoire corrigée hors collision le plus lisse possible. Pour ce faire le mouvement de l'outil est alors étudié d'un point de vue dynamique afin d'éviter les réorientation brutal post correction. De plus, les éléments constituants les obstacles émettent une action répulsive à distance. Cela permet, au cours de la programmation, d'anticiper l'approche d'un obstacle et ainsi d'entamer les corrections d'orientation outil en prévision d'une possible collision. Cette démarche de modélisation du mouvement étudiée permet alors de réaliser des simulations sur des pièces classiquement usinées dans les domaines énoncés précédemment. Dans le but de généraliser la programmation réalisée, il est alors important de comprendre comment les éléments obstacles sont représentés ainsi que la modélisation retenu pour l'outil utilisé au cours de la simulation. Enfin, la résolution de la dernière problématique mise en avant au cours de cette thèse concerne les temps de calcul obtenus. Il a été montré, après de multiples simulations, que ces derniers peuvent exploser d'un point de vue combinatoire pour des utilisateurs exigeants (modélisation fine de l'outil et de l'environnement). Une méthode de pré calcul est alors présentée utilisant la voxelisation permettant de diminuer les temps de calcul de manière très importante sans pour autant perdre de manière importante sur la solution obtenue. Le dernier objectif présenté est de proposer une approximation permettant de diminuer nettement les temps de calcul tout en conservant une assurance de non-collision. Cette méthode notée voxelisation consiste en utilisant une interpolation à diminuer le temps de calcul. L’important est alors de comprendre quels inconvénients se rattachent à la voxelisation et à partir de quand cette dernière apporte un résultat acceptable / Although 5-axis free form surfaces machining is commonly proposed in CAD/CAM software, several issues still need to be addressed and especially collision avoidance between the tool and the part. Indeed, advanced user skills are often required to define smooth tool axis orientations along the tool path in high speed machining. In the literature, the problem of collision avoidance is mainly treated as an iterative process based on local and geometrical collision tests. In this paper, an innovative method based on potential fields is used to generate 5-axis collision-free smooth tool paths. In the proposed approach, The ball-end tool is considered as a rigid body moving in 3D space on which repulsive force, deriving from a scalar potential field attached to the check surfaces, and attractive forces are acting. The resolution of the differential equations of the tool motion ensure smooth variations of the tool axis orientation. The proposed algorithm is applied on open pocket parts such as an impeller and a pocket corner to emphasize the effectiveness of this method to avoid collision. After that, it is possible to see that de calculation time can be very importante for a delicate mesh. It is for that, a voxelisation method is developed to decrease these.

La synthèse de lois de commande efficaces apparaît comme un enjeu important dans la réalisation autonome de tâches de navigation robotiques. Ce problème peut être abordé par différentes approches. L'une d'entre elles, la commande référencée capteur, permet de définir les boucles de commande directement à partir des mesures sensorielles au lieu de les exprimer en fonction de l'état du robot. Dans ce contexte, du fait de la richesse du signal vidéo, la vision apparaît comme un capteur privilégié pour la réalisation de tâches très variées de manière précise. Cependant, la commande référencée vision reposant sur la seule régulation des indices visuels dans l'image s'avère mal adaptée pour réaliser des tâches de navigation complexes dans des environnements encombrés d'obstacles. En effet, dans ce cas, il est nécessaire de garantir d'une part la sécurité du robot, et d'autre part la disponibilité permanente des indices visuels dans l'image. Ce sont précisément ces problèmes que nous avons voulu étudier dans le cadre de cette thèse. Notre contribution a consisté à définir des stratégies de commande référencées multi-capteurs pour un robot mobile réalisant une tâche référencée vision dans un environnement encombré d'obstacles susceptibles d'occulter le motif visuel. Nous avons tout d'abord proposé des lois de commandes permettant d'éviter à la fois les occultations et les collisions. Toutefois, les résultats obtenus ont montré que chercher à éviter simultanément ces deux phénomènes surcontraignait le mouvement du robot, limitant la gamme des missions réalisables. Nous avons alors développé une seconde approche consistant à tolérer temporairement la perte du signal visuel. Celle-ci repose sur l'exploitation de la réversibilité du lien vision/mouvement exprimé par le torseur d'interaction. Nous avons ainsi proposé dans un cadre général plusieurs méthodes (analytiques et numériques) de reconstruction du signal visuel lorsqu'il devient indisponible. Nous avons ensuite validé ch acune de ces méthodes dans le cas de la réalisation d'une tâche de navigation référencée vision dans un milieu encombré d'obstacles. Nous avons également montré l'intérêt de nos approches lorsque la caméra présente un défaut de fonctionnement pendant l'exécution d'une mission.

Le but de la thèse est d’améliorer les simulations de foule dans des situations complexes. Notamment, de comprendre comment les êtres humains naviguent en évitant les collisions avec plusieurs personnes. Pour cela, des expériences furent menées avec l’aide de la réalité virtuelle avec des participants qui devaient naviguer dans un environnement peuplé de plusieurs individus. Les données récoltées durant ces expériences ont été analysées, notamment les trajectoires et les adaptations effectuées par les participants pour éviter des collisions. Le regard des participants a aussi été étudié pour comprendre comment un être humain choisie avec qui interagir. Ces analyses ont permis de mieux comprendre comment les êtres humains réagissent face à des situations complexes. Enfin, avec l’aide de ces analyses, des algorithmes ont été créés pour reproduire la navigation des êtres humains et simulé des foules avec de nombreux humains virtuelles se comportant comme des vrais êtres humains. / The goal of this thesis has been to improve crowd simulation for complex situations. Especially, we tried to understand how humans combine many interactions, during the avoidance of multiple targets for example, and to model this combination process. Some experiments have been performed using Virtual Reality with participants navigating through a heavy populated environment. Data have been recorded and analyzed, especially the trajectories and adaptations made by participants to avoid collisions. The gaze of the participants has also been studied to better understand how humans select the target to interact with. These analyses have helped us better understand how human interact during complex situations. Using these results, algorithms have been designed to reproduced human like navigation and simulate crowd with many virtual human acting like real one.

La marche est un mécanisme complexe impliquant l’élaboration de trajectoires dans des milieux divers et variés et la réalisation des mouvements segmentaires qui permettent de les parcourir. Elle est alors dépendante de l’environnement, des obstacles et autres individus qui le peuplent mais également des capacités physiques du corps humain. De part cette complexité, l’étude de la marche est généralement compartimentée en deux niveaux : la génération de trajectoires locomotrices d’une part et les mouvements des membres d’autre part. Ce travail vise à proposer un processus complet d’analyse de la marche, en s’intéressant au lien unissant les trajectoires locomotrices aux mouvements segmentaires. Dans un premier temps nous nous intéressons à la génération de trajectoires. Plus particulièrement, nous nous focalisons sur une situation de croisement entre deux piétons et sur les stratégies mises en place pour éviter la collision. Puis, nous portons notre attention sur la manière dont les endroits de pose de pieds sont influencés par la trajectoire. Cette analyse nous conduit à proposer un modèle de génération d’empreintes de pas. Enfin, nous nous intéressons à la générations des trajectoires articulaires menant au mouvement de marche. Par l’utilisation de la méthode de linéarisation locale nous proposons une nouvelle méthodologie pour la simulation de la marche à partir d’une entrée unique : la prochaine empreinte pas / Walking is a complex mecanism involving trajectories generation in various environments and motion generation in order to follow the path. Then, it is dependent on environment, obstacles and peoples moving around but also on body capabilities. This complexity lead scientits to split walking analysis in two levels : trajectory generation in one hand, and motion generation in the othe hand. This work aim to provide a global walking analysis processus by linking trajectorires and motion generation. First, we explore walking trajectories throw a particular situation : pedestrians crossing. Here we take interest in trajectories and speed adaptations. Then, we sink for the link between trajectory and heelstrike. It lead us to develop a model for heelstrike generation based on trajectory. Finally, we take interest in walking motion simulation. By the use of local linearization, we provide a new methodology for joints joints angles generation

Durant ses activités quotidiennes, un marcheur interagit avec son environnement et en particulier avec les autres marcheurs, notamment en évitant toute collision. La nature de l'information visuelle utilisée pour une interaction sans collision est une question encore très ouverte à ce jour. Dans ce cadre, cette thèse vise à répondre aux questions suivantes : quels sont les indices visuels qu'un individu perçoit à partir du mouvement des autres ? Quels sont les mécanismes d'interprétation possibles et les modèles utilisés pour déterminer les possibles risques de collision ? Afin de répondre à ces questions, nous avons mis en place des expérimentations impliquant des évitements de collision entre deux marcheurs en utilisant la réalité virtuelle, permettant un contrôle détaillé de l'environnement visuel et des informations visuelles disponibles. La première étude s'est concentrée sur la nature de l'information visuelle fournie par un autre marcheur, en particulier, si ces informations sont extraites d’une perception locale considérant les segments corporels, ou d’une perception globale du mouvement du corps. La deuxième étude s'est concentrée sur l’influence de la trajectoire de l’autre marcheur (en ligne droite ou en courbe) sur la capacité à estimer de façon précise un possible risque de collision. Enfin, la troisième étude s'est concentrée sur l’effet du contact visuel sur l'interaction entre les deux marcheurs. Nous avons présenté ici le couplage entre les possibilités d'action perçues et les possibilités offertes par la nature de l'information visuelle et démontré que les marcheurs peuvent détecter les collisions futures prévues lorsqu'un autre marcheur suit une trajectoire avec des accélérations constantes. / During daily activities, a walker interacts with their environment, especially the other walkers, avoiding any collision with them. The nature of visual information that is used for a collision-free interaction requires further understanding. Specifically, the thesis aims to answer the following questions: what are the visual cues an individual perceives from the movement of others? What are the possible interpretation mechanisms and models used for determining future predicted crossing distances? To answer these questions, we designed experiments considering collision avoidance interactions between two walkers in virtual reality, allowing detailed control of the visual environment and the available visual information. The first study of the thesis focused on the nature of visual information provided from another walker, investigating whether these visual cues are extracted from local body parts or from global perception of the body motion. The second study investigated the influence of the walker's path (straight or curved), which the participant is interacting with for the accurate estimation of future risk of collision. Finally, the third study investigated whether eye contact influences the interaction. Here we have demonstrated the coupling of perceived actionopportunities affordances from the nature of visual information and evidenced that walkers can detect future predicted collisions when another walker follows a path with constant acceleration.

Cette thèse porte sur des techniques de commande à base d’optimisation dans le cadre des systèmes dynamiques Multi-Agents sous contraintes, plus particulièrement liées à l’évitement des collisions. Dans un contexte ensembliste, l’évitement des collisions au sein de la formation se traduit par des conditions de non intersection des régions de sécurité caractéristiques à chaque agent/obstacle. Grace à sa capacité à gérer les contraintes, la commande prédictive a été choisie parmi les méthodes de synthèse fondées sur des techniques d’optimisation. Tout d’abord, une structure de type leader-suiveur est considérée comme une architecture décentralisée élémentaire. La zone de fonctionnement de chaque suiveur est décidée par le leader et puis une loi de commande locale est calculée afin de garantir que les suiveurs restent à l’intérieur de la zone autorisée, permettant d’éviter les collisions. Ensuite, un déploiement des agents fondé sur l’approche de commande prédictive décentralisée, utilisant des partitions dynamiques de Voronoi, est proposé, permettant de ramener chaque agent vers l’intérieur de sa cellule Voronoi. Une des contributions a été de considérer le centre de Chebyshev comme cible à l’intérieur de chaque cellule. D’autres solutions proposent l’utilisation du centre de masse ou du centre obtenu par l’interpolation des sommets. Finalement, des méthodes ensemblistes sont utilisées pour construire un niveau supplémentaire de détection de défauts dans le cadre du système Multi-Agents. Cela permet l’exclusion des agents défectueux ainsi que l’intégration des agents extérieurs certifiés sans défauts dans la formation en utilisant des techniques de commande prédictive centralisée. / This thesis presents optimizationbased control techniques for dynamical Multi-Agent systems (MAS) subject to collision avoidance constraints. From the set-theoretic point of view, collision avoidance objective can be translated into non-overlapping conditions for the safety regions characterizing each agent/obstacle while maintaining the convergence towards a specified formation. Among the successful optimizationbased control methods, Model Predictive Control (MPC) is used for constraints handling. First, a leader-follower structure is considered as a basic decentralized architecture. The followers functioning zone assignment is decided by the leader and then the local linear feedback control is computed such that the follower operates strictly inside its authorized zone, offering anti-collision guarantees. Second, a dynamic Voronoi partition based deployment of the agents using an inner target driver is developed. The main novelty is to consider the Chebyshev center as the inner target for each agent, leading to an optimization-based decentralized predictive control design. In the same topic, other inner targets are considered such as the center of mass or vertex interpolated center. Third, set-theoretic tools are used to design a centralized FDI layer for dynamical MAS, leading to the exclusion of a faulty agent from the MAS formation and the integration of an external healthy/recovered agent in the current formation. The set-based FDI allows detecting and isolating these faulty agents to protect the current formation using centralized predictive control techniques.

Parmi les nombreuses recherches en matière de planification et de contrôle des mouvements pour des applications robotiques, l'humanité n'a jamais atteint un point où les robots seraient parfaitement fonctionnels et autonomes dans des environnements dynamiques. Bien qu'il soit controversé de discuter de la nécessité de ces robots, il est très important d'aborder les problèmes qui nous empêchent de réaliser un tel niveau d'autonomie. Ce travail de recherche tente de résoudre ces problèmes qui séparent ces deux modes de fonctionnement avec un accent particulier sur les incertitudes. Les impossibilités pratiques de capacités de détection précises entraînent une variété d'incertitudes dans les scénarios où le robot est mobile ou l'environnement est dynamique. Ce travail se concentre sur le développement de stratégies intelligentes pour améliorer la capacité de gérer les incertitudes de manière robuste dans les robots humanoïdes et industriels. Premièrement, nous nous concentrerons sur un cadre dynamique d'évitement d'obstacles proposé pour les robots industriels équipés de capteurs de peau pour la réactivité. La planification des chemins et le contrôle des mouvements sont généralement formalisés en tant que problèmes distincts de la robotique, bien qu'ils traitent fondamentalement du même problème. Les espaces de configuration à grande dimension, l'environnement changeant et les incertitudes ne permettent pas la planification en temps réel de mouvement exécutable. L'incapacité fondamentale d'unifier ces deux problèmes nous a amené à gérer la trajectoire planifiée en présence de perturbations et d'obstacles imprévus à l'aide de différents mécanismes d'exécution et de déformation de trajectoire. Le cadre proposé utilise «Stack of Tasks», un contrôleur hiérarchique utilisant des informations de proximité, grâce à un planificateur de chemin réactif utilisant un nuage de points pour éviter les obstacles. Les expériences sont effectuées avec les robots PR2 et UR5 pour vérifier la validité du procédé à la fois en simulation et in-situ. Deuxièmement, nous nous concentrons sur une stratégie pour modéliser les incertitudes des paramètres inertiels d'un robot humanoïde dans des scénarios de tâches d'équilibre. Le contrôle basé modèles est devenu de plus en plus populaire dans la communauté des robots à jambes au cours des dix dernières années. L'idée clé est d'exploiter un modèle du système pour calculer les commandes précises du moteur qui entraînent le mouvement désiré. Cela permet d'améliorer la qualité du suivi du mouvement, tout en utilisant des gains de rétroaction plus faibles, ce qui conduit à une conformité plus élevée. Cependant, le principal défaut de cette approche est généralement le manque de robustesse aux erreurs de modélisation. Dans ce manuscrit, nous nous concentrons sur la robustesse du contrôle de la dynamique inverse à des paramètres inertiels erronés. Nous supposons que ces paramètres sont connus, mais seulement avec une certaine précision. Nous proposons ensuite un contrôleur basé optimisation, rapide d'exécution, qui assure l'équilibre du robot malgré ces incertitudes. Nous avons utilisé ce contrôleur en simulation pour effectuer différentes tâches d'atteinte avec le robot humanoïde HRP-2, en présence de diverses erreurs de modélisation. Les comparaisons avec un contrôleur de dynamique inverse classique à travers des centaines de simulations montrent la supériorité du contrôleur proposé pour assurer l'équilibre du robot. / Amidst a lot of research in motion planning and control in concern with robotic applications, the mankind has never reached a point yet, where the robots are perfectly functional and autonomous in dynamic settings. Though it is controversial to discuss about the necessity of such robots, it is very important to address the issues that stop us from achieving such a level of autonomy. Industrial robots have evolved to be very reliable and highly productive with more than 1.5 million operational robots in a variety of industries. These robots work in static settings and they literally do what they are programmed for specific usecases, though the robots are flexible enough to be programmed for a variety of tasks. This research work makes an attempt to address these issues that separate both these settings in a profound way with special focus on uncertainties. Practical impossibilities of precise sensing abilities lead to a variety of uncertainties in scenarios where the robot is mobile or the environment is dynamic. This work focuses on developing smart strategies to improve the ability to handle uncertainties robustly in humanoid and industrial robots. First, we focus on a dynamical obstacle avoidance framework proposed for industrial robots equipped with skin sensors for reactivity. Path planning and motion control are usually formalized as separate problems in robotics. High dimensional configuration spaces, changing environment and uncertainties do not allow to plan real-time motion ahead of time requiring a controller to execute the planned trajectory. The fundamental inability to unify both these problems has led to handle the planned trajectory amidst perturbations and unforeseen obstacles using various trajectory execution and deformation mechanisms. The proposed framework uses ’Stack of Tasks’, a hierarchical controller using proximity information to avoid obstacles. Experiments are performed on a UR5 robot to check the validity of the framework and its potential use for collaborative robot applications. Second, we focus on a strategy to model inertial parameters uncertainties in a balance controller for legged robots. Model-based control has become more and more popular in the legged robots community in the last ten years. The key idea is to exploit a model of the system to compute precise motor commands that result in the desired motion. This allows to improve the quality of the motion tracking, while using lower feedback gains, leading so to higher compliance. However, the main flaw of this approach is typically its lack of robustness to modeling errors. In this paper we focus on the robustness of inverse-dynamics control to errors in the inertial parameters of the robot. We assume these parameters to be known, but only with a certain accuracy. We then propose a computationally-efficient optimization-based controller that ensures the balance of the robot despite these uncertainties. We used the proposed controller in simulation to perform different reaching tasks with the HRP-2 humanoid robot, in the presence of various modeling errors. Comparisons against a standard inverse-dynamics controller through hundreds of simulations show the superiority of the proposed controller in ensuring the robot balance.

Cette thèse traite de l'évitement de collision entre un engin spatial opérationnel, appelé objet primaire, et un débris orbital, dit secondaire. Ces travaux concernent aussi bien la question de l'estimation du risque pour une paire d'objets sphériques que celle du calcul d'un plan de manoeuvres d'évitement pour le primaire. Pour ce qui est du premier point, sous certaines hypothèses, la probabilité de collision s'exprime comme l'intégrale d'une fonction gaussienne sur une boule euclidienne, en dimension deux ou trois. On en propose ici une nouvelle méthode de calcul, basée sur les théories de la transformée de Laplace et des fonctions holonomes. En ce qui concerne le calcul de manoeuvres de propulsion, différentes méthodes sont développées en fonction du modèle considéré. En toute généralité, le problème peut être formulé dans le cadre de l'optimisation sous contrainte probabiliste et s'avère difficile à résoudre. Dans le cas d'un mouvement considéré comme relatif rectiligne, l'approche par scénarios se prête bien au problème et permet d'obtenir des solutions admissibles. Concernant les rapprochements lents, une linéarisation de la dynamique des objets et un recouvrement polyédral de l'objet combiné sont à la base de la construction d'un problème de substitution. Deux approches sont proposées pour sa résolution : une première directe et une seconde par sélection du risque. Enfin, la question du calcul de manoeuvres de proximité en consommation optimale et temps fixé, sans contrainte d'évitement, est abordée. Par l'intermédiaire de la théorie du vecteur efficacité, la solution analytique est obtenue pour la partie hors-plan de la dynamique képlérienne linéarisée. / This thesis is about collision avoidance for a pair of spherical orbiting objects. The primary object - the operational satellite - is active in the sense that it can use its thrusters to change its trajectory, while the secondary object is a space debris that cannot be controlled in any way. Onground radars or other means allow to foresee a conjunction involving an operational space craft,leading in the production of a collision alert. The latter contains statistical data on the position and velocity of the two objects, enabling for the construction of a probabilistic collision model.The work is divided in two parts : the computation of collision probabilities and the design of maneuvers to lower the collision risk. In the first part, two kinds of probabilities - that can be written as integrals of a Gaussian distribution over an Euclidean ball in 2 and 3 dimensions -are expanded in convergent power series with positive terms. It is done using the theories of Laplace transform and Definite functions. In the second part, the question of collision avoidance is formulated as a chance-constrained optimization problem. Depending on the collision model, namely short or long-term encounters, it is respectively tackled via the scenario approach or relaxed using polyhedral collision sets. For the latter, two methods are proposed. The first one directly tackles the joint chance constraints while the second uses another relaxation called risk selection to obtain a mixed-integer program. Additionaly, the solution to the problem of fixed-time fuel minimizing out-of-plane proximity maneuvers is derived. This optimal control problem is solved via the primer vector theory.