La voiture autonome pourrait réduire le nombre de morts et de blessés sur les routes tout en améliorant l'efficacité du trafic. Cependant, afin d'assurer leur déploiement en masse sur les routes ouvertes au public, leur sécurité doit être garantie en toutes circonstances. Cette thèse traite de l'architecture de planification et de contrôle pour la conduite automatisée et défend l'idée que l'intention du véhicule doit correspondre aux actions réalisées afin de garantir la sécurité à tout moment. Pour cela, la faisabilité cinématique et dynamique de la trajectoire de référence doit être assurée. Sinon, le contrôleur, aveugle aux obstacles, n'est pas capable de la suivre, entraînant un danger pour la voiture elle-même et les autres usagers de la route. L'architecture proposée repose sur la commande à modèle prédictif fondée sur un modèle bicyclette cinématique afin de planifier des trajectoires de référence sûres. La faisabilité de la trajectoire de référence est assurée en ajoutant une contrainte dynamique sur l'angle au volant, contrainte issue de ces travaux, afin d'assurer que le modèle bicyclette cinématique reste valide. Plusieurs contrôleurs à haute-fréquence sont ensuite comparés afin de souligner leurs avantages et inconvénients. Enfin, quelques résultats préliminaires sur les contrôleurs à base de commande sans modèle et leur application au contrôle automobile sont présentés. En particulier, une méthode efficace pour ajuster les paramètres est proposée et implémentée avec succès sur la voiture expérimentale de l'ENSIAME en partenariat avec le laboratoire LAMIH de Valenciennes. / Autonomous vehicles are believed to reduce the number of deaths and casualties on the roads while improving the traffic efficiency. However, before their mass deployment on open public roads, their safety must be guaranteed at all time.Therefore, this thesis deals with the motion planning and control architecture for autonomous vehicles and claims that the intention of the vehicle must match with its actual actions. For that purpose, the kinematic and dynamic feasibility of the reference trajectory should be ensured. Otherwise, the controller which is blind to obstacles is unable to track it, setting the ego-vehicle and other traffic participants in jeopardy. The proposed architecture uses Model Predictive Control based on a kinematic bicycle model for planning safe reference trajectories. Its feasibility is ensured by adding a dynamic constraint on the steering angle which has been derived in this work in order to ensure the validity of the kinematic bicycle model. Several high-frequency controllers are then compared and their assets and drawbacks are highlighted. Finally, some preliminary work on model-free controllers and their application to automotive control are presented. In particular, an efficient tuning method is proposed and implemented successfully on the experimental vehicle of ENSIAME in collaboration with the laboratory LAMIH of Valenciennes.

Cette thèse présente un nouvel instrument de musique, appelé Embodied Musical Instrument (EMI), qui a été conçu pour répondre à deux problèmes : comment pouvons-nous “capturer” et modéliser des gestes musicaux et comment utiliser ce modèle afin de contrôler des paramètres de synthèse sonore de manière expressive. L'EMI est articulé autour d'une stratégie de “mapping explicite” qui s'inspire de techniques du jeu pianistique, mais aussi du potentiel gestuel de certains objets. Le système que nous proposons utilise des caméras 3D et des algorithmes de vision par ordinateur afin de libérer le geste de dispositifs intrusifs, tout en facilitant le processus de capture et de performance. Nous utilisons différentes caméras 3D pour le suivi de geste et exploitons pleinement leur potentiel en ajoutant une plaque transparente. Cette plaque créer un seuil de détection pour les doigtés, mais fournit aussi une rétroaction haptique, simple mais nécessaire. Nous avons examiné les gestes des doigts par rapport à la surface de l’EMI et nous avons décomposé leurs trajectoires en phases élémentaires, ce qui nous a permis de modéliser et d'analyser des gestes de type pianistique. Une étude préliminaire sur les gestes musicaux a porté notre intérêt non seulement sur les gestes “effectifs” opérés par les doigts - dans le cas des instruments à claviers - mais aussi sur les gestes “d’accompagnements” et “figuratifs”, caractérisés principalement par les mouvements des bras et de la tête. Par conséquent, nous distinguons deux niveaux d'interactions, délimités par deux volumes d’interaction: un volume englobant dit “micro” inclut les micro-gestes opérés par les doigts, tandis qu’un volume englobant dit “macro” comprend des mouvements plus importants du haut du corps. À partir de cela, nous étendons notre modèle de jeu pianistique à un paradigme d'interaction 3D, où les paramètres musicaux de haut niveau, tels que les effets sonores (filtres, réverbération, spatialisation), peuvent être contrôlés en continu par des mouvements du haut du corps. Nous avons exploré un ensemble de scénarios réels pour cet instrument, à savoir la pratique, la composition et la performance. L'EMI introduit un cadre pour la capture et l'analyse de gestes musicaux spécifiques. Une analyse hors ligne des fonctionnalités gestuelles peut révéler des tendances, des défauts et des spécificités d'une interprétation musicale. Plusieurs œuvres musicales ont été créées pour l’EMI, réalisées en solo, accompagnées d'un quatuor à cordes, et d’autres ensembles musicaux. Un retour d'expérience montre que l'instrument peut être facilement enseigné - sinon de manière autodidacte - grâce aux paradigmes gestuels intuitifs tirés de gestes pianistiques et d'autres gestes métaphoriques. / This thesis presents a novel musical instrument, named the Embodied Musical Instrument (EMI), which has been designed to answer two problems : how can we capture and model musical gestures and how can we use this model to control sound synthesis parameters expressively. The EMI is articulated around an explicit mapping strategy, which draws inspiration from the piano-playing techniques and other objects’ affordances.  The system we propose makes use of 3D cameras and computer vision algorithms in order to free the gesture from intrusive devices and ease the process of capture and performance, while enabling precise and reactive tracking of the fingertips and upper-body. Having recourse to different 3D cameras tracking solutions, we fully exploit their potential by adding a transparent sheet, which serves as a detection threshold for fingerings as well as bringing a simple but essential haptic feedback. We examined finger movements while tapping on the surface of the EMI and decomposed their trajectories into essential phases, which enabled us to model and analyse piano-like gestures. A preliminary study of generic musical gestures directed our interest not only on the effective gestures operated by the fingers - in the case of keyboard instruments - but also on the accompanying and figurative gestures, which are mostly characterised by the arms and head movements. Consequently, we distinguish two level of interactions, delimited by two bounding volumes. The micro bounding volume includes the micro-gestures operated with the fingers, while the macro bounding volume includes larger movements with the upper-body. Building from this, we extend our piano-like model to a 3D interaction paradigm, where higher-level musical parameters, such as sound effects, can be controlled continuously by upper-body free movements. We explored a set of real-world scenarios for this instrument, namely practice, composition and performance. The EMI introduces a framework for capture and analysis, of specific musical gestures. An off-line analysis of gesture features can reveal trends, faults and musical specificities of an interpret. Several musical works have been created and performed live; either solo or accompanied by a string quartet, revealing the body gesture specificities through the sounds it synthesises. User experience feedback shows that the instrument can be easily taught - if not self-taught - thanks to the intuitive gesture paradigms drawn from piano-like gestures and other metaphorical gestures.

La prise de décision est un domaine très étudié en sciences, que ce soit en neurosciences pour comprendre les processus sous tendant la prise de décision chez les animaux, qu’en robotique pour modéliser des processus de prise de décision efficaces et rapides dans des tâches en environnement réel. En neurosciences, ce problème est résolu online avec des modèles de prises de décision séquentiels basés sur l’apprentissage par renforcement. En robotique, l’objectif premier est l’efficacité, dans le but d’être déployés en environnement réel. Cependant en robotique ce que l’on peut appeler le budget et qui concerne les limitations inhérentes au matériel, comme les temps de calculs, les actions limitées disponibles au robot ou la durée de vie de la batterie du robot, ne sont souvent pas prises en compte à l’heure actuelle. Nous nous proposons dans ce travail de thèse d’introduire la notion de budget comme contrainte explicite dans les processus d’apprentissage robotique appliqués à une tâche de localisation en mettant en place un modèle basé sur des travaux développés en apprentissage statistique qui traitent les données sous contrainte de budget, en limitant l’apport en données ou en posant une contrainte de temps plus explicite. Dans le but d’envisager un fonctionnement online de ce type d’algorithmes d’apprentissage budgétisé, nous discutons aussi certaines inspirations possibles qui pourraient être prises du côté des neurosciences computationnelles. Dans ce cadre, l’alternance entre recherche d’information pour la localisation et la décision de se déplacer pour un robot peuvent être indirectement liés à la notion de compromis exploration-exploitation. Nous présentons notre contribution à la modélisation de ce compromis chez l’animal dans une tâche non stationnaire impliquant différents niveaux d’incertitude, et faisons le lien avec les méthodes de bandits manchot. / Decision-making is a highly researched field in science, be it in neuroscience to understand the processes underlying animal decision-making, or in robotics to model efficient and rapid decision-making processes in real environments. In neuroscience, this problem is resolved online with sequential decision-making models based on reinforcement learning. In robotics, the primary objective is efficiency, in order to be deployed in real environments. However, in robotics what can be called the budget and which concerns the limitations inherent to the hardware, such as computation times, limited actions available to the robot or the lifetime of the robot battery, are often not taken into account at the present time. We propose in this thesis to introduce the notion of budget as an explicit constraint in the robotic learning processes applied to a localization task by implementing a model based on work developed in statistical learning that processes data under explicit constraints, limiting the input of data or imposing a more explicit time constraint. In order to discuss an online functioning of this type of budgeted learning algorithms, we also discuss some possible inspirations that could be taken on the side of computational neuroscience. In this context, the alternation between information retrieval for location and the decision to move for a robot may be indirectly linked to the notion of exploration-exploitation compromise. We present our contribution to the modeling of this compromise in animals in a non-stationary task involving different levels of uncertainty, and we make the link with the methods of multi-armed bandits.

La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d’une salle d’opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l’emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d’actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd’hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d’application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d’intégration. Nous étudions d’abord la possibilité d’intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l‘analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d’optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d’optimisation à base d’un algorithme de colonie de fourmis est employée. / Surgical robotics helps to increase the surgeon’s accuracy and limits the invasiveness of the surgery. The complexity of an operation room implies to design surgical devices that are as compact as possible and that can be easily sterilized. One interesting design approach is to combine compliant mechanisms, which have a monolithic structure, and piezoelectric actuators. Based on this approach, a robotic device for minimally invasive coronary artery bypass grafting has been proposed previously in our laboratory. This device successfully helps to increase the stabilization of the heart surface during the surgery but its compactness needs to be increased for an optimal integration in the operation room. Based on the need to reduce the compensation mechanism of this device, the problem of the design of compliant mechanisms with strong integration constrains is studied in this PhD thesis. First, the possibility to integrate the compensation mechanism directly in the shaft is considered. Then, the possibility to reduce the compensation mechanism at the end of the shaft by considering an assembly of planar manufactured structures is considered. Among the contributions, we propose an original design method based on the analysis of singularities of parallel manipulators in planar configuration. We also propose an original optimization method based on ant colony optimization in order to optimize the compliant architectures proposed in this work.

La création d'informations 3D denses à partir d'images endoscopiques intraopératoires, ainsi que le calcul de la position relative de la caméra endoscopique, sont des éléments fondamentaux pour un guidage de qualité durant la chirurgie guidée par l'image. Par exemple, cela permet de superposer modèle pré-opératoire via la réalité augmentée. Cette thèse présente une approche pour l'estimation de ces deux information basées sur une approche de localisation et cartographie simultanées (SLAM). Nous découplons la reconstruction dense de l'estimation de la trajectoire de la caméra, aboutissant à un système qui combine la précision du SLAM, et une reconstruction plus complète. Les solutions proposées dans cette thèse ont été validées sur de séquences porcines provenant de différents ensembles de données. Ces solutions n'ont pas besoin de matériel de suivi externe ni d'intervention. Les seules entrées nécessaires sont les trames vidéo d'un endoscope monoculaire. / Recovering dense 3D information from intra-operative endoscopic images together with the relative endoscope camera pose are fundamental blocks for accurate guidance and navigation in image-guided surgery. They have several important applications, e.g., augmented reality overlay of pre-operative models. This thesis provides a systematic approach for estimating these two pieces of information based on a pure vision Simultaneous Localization And Mapping (SLAM). We decouple the dense reconstruction from the camera trajectory estimation, resulting in a system that combines the accuracy and robustness of feature-based SLAM with the more complete reconstruction of direct SLAM methods. The proposed solutions in this thesis have been validated on real porcine sequences from different datasets and proved to be fast and do not need any external tracking hardware nor significant intervention from medical staff. The sole input is video frames of a standard monocular endoscope.

Dans le contexte médico-chirurgical, la robotique peut être d’un grand intérêt pour des procédures plus sûres et plus précises. Les contraintes d’encombrement sont cependant très fortes et des mobilités complexes peuvent être nécessaires. A ce jour, la conception de mécanismes non conventionnels dédiés est alors difficile à réaliser faute d’outils génériques permettant une évaluation rapide de leurs performances. Cette thèse associe la continuation de haut-degré et la différentiation automatique pour répondre à cette problématique en introduisant une méthode de modélisation et un formalisme génériques pour la conception de mécanismes. Nos contributions concernent en particulier le développement d’outils numériques pour l’évaluation de l’espace de travail, et de la localisation et la nature des singularités d’un mécanisme, et une analyse de sensibilité de haut-degré. Ceux-ci sont évalués sur des mécanismes de référence. / In the medical and surgical background, robotics can be of great interest for safer and more accurate procedures. Size constraints are however strong and complex movements may be necessary. To date, the design of dedicated non-conventional mechanisms is then a difficult task because of a lack of generic tools allowing a fast evaluation of their performances. This thesis combines higher-order continuation and automatic differentiation to adress this issue through the introduction of a generic modelling method and a generic formalism for mechanism design. Our contributions especially concern the development of numerical tools for the evaluation of the workspace, of the singularity localization and nature, and for a higher-order sensitivity analysis. These tools are evaluated on reference mechanisms.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR NEMRO, visant à étudier le lien entre déficience olfactive et maladies neurodégénératives. A cet effet, une biopsie optique de l’épithélium olfactif doit être réalisée. Son accès est cependant impossible, aujourd’hui, avec les outils conventionnels. Pour résoudre ce problème, nous proposons l’utilisation d’un robot à tubes concentriques (RTC). Sa synthèse est réalisée à partir d’images médicales. Elle prend en compte les critères de stabilité, la variabilité inter-sujet, et est associée à un déploiement ALFI (A La File Indienne). Le dispositif étant porté par le sujet, il doit être léger et compact. Une séquence de déploiement spécifique simplifie alors l’unité d’actionnement, et une implémentation est réalisée par fabrication additive multimatériaux. L’évaluation préliminaire d’un déploiement ALFI et des éléments de technologie clés a permis de valider l’approche retenue dans le projet NEMRO, ainsi que sa faisabilité. / This PhD thesis is part of the ANR NEMRO project, whose goal is to study the hypothetical correlation between olfactory deficiency and neurodegenerative diseases. For this purpose, an optical biopsy of the olfactory epithelium must be performed. However, this area is not accessible today with conventional tools. To go beyond this limitation, we propose to investigate the use a concentric tube robot (CTR). Its synthesis is performed from medical images. It takes into account the stability criteria, inter-subject variability, and is associated to a FTL (Follow-The-Leader) deployment. As the device is mounted on the subject, it has to be compact and lightweight. Thus, a specific deployment sequence simplifies the actuation unit, and an implementation is proposed using multimaterial additive manufacturing. Preliminary evaluations of the FTL deployment capabilities and the key components of the device allowed to validate the approach chosen for the NEMRO project, and its feasibility.

Qu'il tente de prévenir la chute d'une personne âgée, de traduire la langue des signes ou de contrôler un humain virtuel, l'analyse de gestes est un vaste domaine de recherche qui s'attelle à reconnaître, classifier, segmenter, indexer ou encore évaluer différents types de mouvements. Cependant, peu de travaux se concentrent sur cette dernière approche d'évaluation. Ce travail de thèse propose de mettre en place un outil d’évaluation automatique et générique d’un geste sportif, reposant sur l’utilisation d’une base de données de gestes experts acquis via un système de capture de mouvements. Afin d’extraire un mouvement de référence, l’algorithme de déformation temporelle dynamique (DTW) est considéré pour aligner puis moyenner les gestes. Les méthodes d’alignements et de moyennage de séries temporelles se confrontant aux conséquences néfastes de chemins de déformation du DTW pathologiques, des contraintes locales sont ajoutées et donnent lieu à un nouvel algorithme appelé CDBA. La qualité d’un geste est estimée spatialement et temporellement à chaque instant et pour chaque membre par comparaison avec le geste de référence et pondérée par la dispersion des données expertes autour de ce geste moyen. Le processus ainsi mis en place est validé à partir de gestes de karaté et de tennis annotés par des entraîneurs. Un premier prototype d’outil d’entraînement en ligne est finalement proposé et laisse entrevoir les potentialités d’usage qui pourraient être menées à la suite de ce travail. / Either to reduce falling risks in elderly people, to translate the sign language or to control a virtual human being, gesture analysis is thriving research field that aims at recognizing, classifying, segmenting, indexing and evaluating different types of motions. As few studies tackle the evaluation process, this PhD focuses on the design of an autonomous system for the generic evaluation of sport-related gestures. The tool is trained on the basis of experts’ motions recorded with a motion capture system. Dynamic Time Warping (DTW) is deployed to obtain a reference gesture thanks to data alignment and averaging. Nevertheless, this standard method suffers from pathological paths issues that reduce its effectiveness. For this reason, local constraints are added to the new DTW-based algorithm, called CDBA (Constrained DTW Barycenter Averaging). At each time step and for each limb, the quality of a gesture is spatially and temporally assessed. Each new motion is compared to the reference gesture and weighted in terms of data dispersion around the reference.The process is validated on annotated karate and tennis databases. A first online training prototype is given in order to prompt further research on this subject.

L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches pour le développement de systèmes robotiques capables de partager en toute sécurité leur espace de travail avec des opérateurs humains. Dans ce contexte, le travail présenté est axé principalement sur la problématique de commande. Les questions suivantes sont abordées:- pour des lois de contrôle réactives, c'est-à-dire des problèmes de commande où la tâche à exécuter n'est pas connue à l'avance mais découverte en temps réel, comment est-il possible de garantir à chaque pâs de temps l'existence d'une solution au problème de contrôle? Cette solution devrait permettre au robot d'accomplir au mieux sa tâche préscrite et en même temps de strictement respecter les contraintes existantes, parmi lesquelles, les contraintes liées aux limitations physiques des actionneurs de ses articulations.- Comment intégrer l'opérateur humain dans la boucle de contrôle du robot de manière à ce que le contact physique puisse être engagé et désengagé en toute sécurité? Concernant le premier point, notre travail se présente comme la continuité de résultats antérieurs développés par Sébastien Rubrecht lors de sa thèse de doctorat. Sébastien Rubrecht a introduit le concept d'incompatibilité des contraintes pour des robots contrôlés de manière réactive au niveau cinématique. Le problème de l'incompatibilité des contraintes apparaît par exemple lorsque la formulation de la contrainte sur une position articulaire d'un robot ne tient pas compte de la quantité de décélération produite par son actionneur. Dans ce cas, si la contrainte de position articulaire est activée tardivement, le système peut se retrouver dans une situation où il n'a pas suffisamment de temps pour faire face à la limite de position articulaire imposée considérant ses capacités dynamiques limités... / The intended goal of this thesis is to bring new insights for developing robotic systems capable of safely sharing their workspace with human-operators. Within this context, the presented work focuses on the control problem. The following questions are tackled:-for reactive control laws, i.e., control problems where the task to be performed is not known in advance but discovered on-line, how is it possible to guarantee for every time-step the existence of a solution to the control problem? This solution should allow the robot to accomplish at best its prescribed task and at the same time to strictly comply with existing constraints, among which, constraints related to the physical limitations of its actuators and joints.-How to integrate the human-operator in the control loop of the robot so that physical contact can safely be engaged and de-engaged? Regarding the first point, our work arises as the continuity of previous results developed by Sébastien Rubrecht during his PhD thesis. Sébastien Rubrecht introduced the concept of constraints incompatibility for robots reactively controlled at the kinematic-level. The problem of constraints incompatibility appears for example when the formulation of the constraint on an articular position of a robot does not account for the amount of deceleration producible by its actuator. In such case, if the articular position constraint is activated tardively, the system may not have sufficient time to cope with the imposed joint position limit considering its bounded dynamic capabilities.

Les systèmes de transports intelligents coopératifs (C-ITS) offrent des opportunités pour améliorer la sécurité routière et particulièrement la sécurité des usagers vulnérables (VRU), e.g., piétons et cyclistes. La principale source d'accidents provient de l'incapacité des usagers, véhicules et VRUs, à détecter le danger avant qu'une collision soit inévitable. Nous introduisons un système de perception qui s'appuie sur les données des capteurs laser et caméra pour estimer l'état des VRUs entourant le véhicule. Une technique de classification multi-classes des obstacles routiers à partir de données laser a été développée en utilisant une méthode d'apprentissage statistique et une estimation bayésienne. Nous proposons une architecture de communication véhicules-piétons (V2P) qui prend en compte les faibles ressources énergétiques des smartphones transportés par les piétons. Notre solution s'appuie sur les standards définis dans l'architecture de communication véhiculaire ETSI ITS et propose une dissémination géographique pour la communication V2P. Un système coopératif perception/communication a le potentiel de gérer des scénarios de plus en plus complexes en combinant la capacité de la perception à estimer l'état dynamique des obstacles détectés et la capacité de la communication à échanger un contenu riche entre des usagers éloignés. Nous introduisons une fusion multi-hypothèses entre les informations de perception et de communication et une application pour smartphone destinée à protéger les VRUs des dangers de la route. Les solutions proposées au cours de la thèse sont évaluées sur des données réelles. Nous avons mené des expérimentations sur le campus d'INRIA démontrant les atouts d'un système coopératif de protection des usagers vulnérables. / Cooperative intelligent transportation systems (C-ITS) have the opportunity to enhance road safety, especially the safety of vulnerable road users (VRU), e.g., pedestrians and cyclists. Road accidents are mainly due to vehicles' and VRUs' inability to detect the danger before a collision cannot be avoided.We introduce a perception system based on laser and camera sensors to estimate the state of VRUs located around the vehicle. A multi-class classification of road obstacles based on laser data has been developed using statistical machine learning and Bayesian estimation.We propose an architecture for vehicles-to-pedestrians (V2P) communication which considers the weak energy resources of the devices carried by pedestrians such as smartphones. Our solution is relying on the standards defined by ETSI ITS architecture for vehicular communication and proposes geographical dissemination for V2P communication.A cooperative perception/communication system can deal with scenarios which are becoming more and more complex by combining the ability of perception to estimate the dynamic state of detected obstacles and the ability of communication to exchange a rich content between distant users. We introduce a multi-hypotheses fusion between perception and communication information and a smartphone application dedicated to protect VRUs from road danger.The solutions proposed during this thesis are evaluated on real data. We carried out real experiments on INRIA campus demonstrating the assets of a cooperative system for the protection of vulnerable road users.