Cette thèse traite de la navigation autonome en environnement encombré pour des véhicules à roues soumis à des contraintes cinématiques de type nonholonome. Les applications de ces travaux sont par exemple l'automatisation de véhicules ou l'assistance au parking. Afin de se déplacer de façon autonome, un robot doit mettre en oeuvre un certain nombre de fonctionnalités : planification d'une trajectoire sans collision, localisation, évitement réactif d'obstacles, suivi de trajectoire, etc. Nous montrons que les spécificités des applications envisagées et des systèmes auxquels nous nous intéressons requièrent des méthodes originales de résolution de ces fonctionnalités, qui tiennent explicitement compte de ces spécificités. Notre contribution porte sur le développement de méthodes permettant de réaliser certaines de ces fonctionnalités et sur l'intégration des différentes fonctionnalités de la navigation au sein d'une architecture générique. Nous présentons tout d'abord une méthode d'évitement réactif d'obstacles qui consiste à déformer en cours d'exécution une trajectoire initiale calculée dans un modèle de l'environnement, de façon à ce qu'elle s'éloigne des obstacles perçus et qu'elle respecte les contraintes cinématiques du système. Puis nous proposons une méthode de parking référencé sur des amers pour systèmes nonholonomes. Le principe est de définir la position de parking désirée relativement à des éléments de l'environnement, et de déformer la trajectoire pour rejoindre cette position. Ensuite nous présentons une architecture générique pour l'intégration des fonctionnalités de localisation, d'évitement d'obstacles et de suivi de trajectoire. Enfin nous illustrons l'ensemble de ces travaux par des résultats expérimentaux obtenus avec plusieurs robots.

Les travaux de recherche concernant l'ordonnancement mobilisent un nombre important de chercheurs. Cette forte émulation est principalement due au large panorama des problématiques d'ordonnancement. Parmi elles, le problème d'atelier à cheminement multiple, communément appelé " Job-Shop ", tient une place particulièrement prépondérante tant ce problème est rencontré dans le milieu industriel. De nombreux sujets de recherche, en France et à l'étranger, sont issus de cette problématique. Les problèmes de Job-Shop peuvent souvent être simplifiés en les considérant comme des problèmes cycliques. L'ordonnancement des tâches devient ainsi cyclique et son objectif est d'organiser les activités de production en répétant un cycle de base que l'on a optimisé. De nombreux paramètres entrent en jeu dans l'optimisation du cycle de base tels que la période du cycle choisie, l'ordre des opérations élémentaires pour réaliser un travail, la durée de ces opérations, le nombre de produits à réaliser par cycle, etc. Plusieurs approches ont été utilisées pour résoudre ce problème. Parmi elles, nous pouvons citer l'approche par réseaux de Petri et plus particulièrement par graphes d'événements temporisés, l'approche par les graphes, l'approche par la programmation linéaire et l'approche par la théorie des tas. L'approche par les graphes permet une représentation graphique du problème sous forme d'un graphe où les noeuds représentent les différentes opérations et où les arcs illustrent les contraintes du problème d'ordonnancement cyclique, un tel problème admet une solution réalisable si, et seulement si, le graphe associé est consistant. Cette propriété de consistance d'un problème d'ordonnancement cyclique et de son graphe permet d'élaguer l'arbre de recherche de la procédure de séparation et d'évaluation proposée pour cette approche. Concernant l'approche par la théorie des tas, le sous-problème de l'évaluation d'une solution peut être résolu aisément avec l'aide de la théorie des tas. En effet, en traduisant le problème dans une structure mathématique adaptée, l'évaluation du taux de production du cycle revient au calcul d'une valeur propre d'un produit de matrices dans lequel chacune des matrices représente une opération élémentaire. Cette propriété s'avère particulièrement intéressante dans le cas de l'évaluation successive d'un grand nombre d'ordonnancement. En outre, la théorie des tas permet une représentation très intuitive d'un ordonnancement, puisque celui-ci s'illustre comme un empilement de plusieurs briques (en fait, un " tas " de briques) dont le contour supérieur correspond aux dates de fin des dernières opérations des machines.

Les travaux présentés dans ce mémoire apportent une contribution à la configuration des systèmes de production en contexte incertain. Les différents outils permettant d'appréhender l'incertain en optimisation sont d'abord présentés. Nous insistons plus particulièrement sur la notion de robustesse à travers l'approche utilisée dans le cadre de nos travaux. Nous présentons ensuite deux applications : la configuration d'un atelier de machines partiellement multifonctions soumis à des incertitudes sur la demande et la configuration d'un réseau de distribution d'électricité soumis à des incertitudes sur les caractéristiques de puissance. Pour chaque application, nous identifions les perturbations prises en compte ainsi que les performances attendues en présence de ces perturbations. Nous proposons ensuite un critère de robustesse en adéquation avec cette problématique. Enfin des méthodes de résolution sont proposées pour appréhender les différents problèmes mis en évidence par ce critère.

Ce manuscrit met en avant la capacité d'un robot humanoïde à effectuer une tâche difficilement réalisable par d'autres types de robots. On s'intéresse ici à la manipulation d'objets dits encombrants. De telles tâches de manipulation s'effectuent avec beaucoup de difficultés et font appel à plusieurs aptitudes, telles la prise en compte du mouvement du corps dans son ensemble (ou mouvement corps complet) et une parfaite synchronisation entre les différents membres, bras et jambes. Nous introduisons ici un planificateur de mouvements corps complet qui donne à un robot humanoïde la capacité de mettre en place, automatiquement, une stratégie de déplacement d'objets encombrants par pivotement, tout en prenant en compte un certain nombre de contraintes : évitement de collisions, coordination des membres, bras et jambes, et contrôle de la stabilité pendant tout le déplacement. Basé sur des résultats formels, définis en amont, prouvant la contrôlabilité en temps petit d'un système se déplaçant par pivotement. Le planificateur hérite aussi de la complétude probabiliste des méthodes d'échantillonnage aléatoire de planification sur lesquelles il est construit. Les capacités géométriques et cinématiques du planificateur proposé sont aussi démontrées à travers des simulations et des expérimentations réelles. Nous nous intéressons ensuite à résoudre des problèmes plus complexes, en offrant au robot la possibilité de lâcher et de reprendre l'objet à manipuler si celui-ci est bloqué dans un passage étroit.

Le chapitre 1 est pour l'essentiel une brève introduction générale qui donne le contexte générale de la planification et présente l'organisation du document dans son ensemble et quelques uns des points clés retenus : robot humanoïde, environnement non statique, perception par vision artificielle, et représentation de cet environnement par grilles d'occupation. Dans le chapitre 2, après une revue de littérature bien menée, l'auteur propose de considérer les points de repère de l'environnement dès la phase de planification de chemin afin de rendre plus robuste l'exécution des déplacements en cas d'évolution de l'environnement entre le moment où la planification est menée et celui où le robot se déplace ( évolution étant entendu comme liée à une amélioration de la connaissance par mise à jour, ou due à un changement de l'environnement lui-même). Le concept est décrit et une formalisation proposée. Le chapitre 3 s'intéresse en détail à la planification dans le cas d'environnements dynamiques. Les méthodes existantes, nombreuses, sont tout d'abord analysées et bien présentées. Le choix est fait ici de décrire l'environnement comme étant décomposé en cellules, regroupant elles-mêmes des voxels, éléments atomiques de la représentation. l'environnement étant changeant, l'auteur propose de réévaluer le plan préétabli à partir d'une bonne détection de la zone qui a pu se trouver modifiée dans l'environnement. L'approche est validée expérimentalement en utilisant une des plateformes robotiques du LAAS qui dispose de bonnes capacités de localisation : le manipulateur mobile Jido étant à ce jour plus performant sur ce plan que l'humanoïde HRP2, c'est lui qui a été utilisé. Ces expérimentations donnent des indications concordantes sur l'efficacité de l'approche retenue. Notons également que la planification s'appuie sur une boite englobante de l'humanoïde, et non pas sur une représentation plus riche (multi-degré-deliberté). En revanche, c'est bien de planification pour l'humanoï de considéré dans toute sa complexité qu'il s'agit au chapitre 4 : on s'intéresse ici à tous les degrés de liberté du robot. L'auteur propose des évolutions de méthodes existantes et en particulier sur la manière de tirer profit de la redondance cinématique. L'approche est bien décrite et permet d'inclure une phase d'optimisation de la posture globale du robot. Des exemples illustrent le propos et sont l'occasion de comparaison avec d'autres méthodes. Le chapitre 5 s'intéresse à la manière de modéliser l'environnement, sachant qu'on s'intéresse ici au cas d'une perception par vision artificielle, et précisément au cas de l'humanoïde, robot d'assurer lui-même cette perception au fur et à mesure de son avancée dans l'environnement. On est donc dans le cadre de la recherche de la meilleure vue suivante qui doit permettre d'enrichir au mieux la connaissance qu'a le robot de son environnement. L'approche retenue fait à nouveau appel à la boite englobante de l'humanoïde et non à sa représentation complète ; il sera intéressant de voir dans le futur ce que pourrait apporter la prise en compte des degrés de liberté de la tête ou du torse à la résolution de ce problème. Le chapitre 6 décrit la phase d'intégration de tous ces travaux sur la plateforme HRP2 du LAAS-CNRS, partie importante de tout travail de roboticien.

L'objet de cette thèse est le développement et l'étude des algorithmes de planification de mouvement pour les systèmes hautement dimensionnés que sont les robots humanoïdes et les acteurs virtuels. Plusieurs adaptations des méthodes génériques de planification de mouvement randomisées sont proposées et discutées. Une première contribution concerne l'utilisation de techniques de réduction de dimension linéaire pour accélérer les algorithmes d'échantillonnage. Cette méthode permet d'identifier en ligne quand un processus de planification passe par un passage étroit de l'espace des configurations et adapte l'exploration en fonction. Cet algorithme convient particulièrement bien aux problèmes difficiles de la planification de mouvement pour l'animation graphique. La deuxième contribution est le développement d'algorithmes randomisés de planification sous contraintes. Il s'agit d'une intégration d'outils de cinématique inverse hiérarchisée aux algorithmes de planification de mouvement randomisés. On illustre cette méthodes sur différents problèmes de manipulation pour robots humanoïdes. Cette contribution est généralisée à la planification de mouvements corps-complet nécessitant de la marche. La dernière contribution présentée dans cette thèse est l'utilisation des méthodes précédentes pour résoudre des tâches de manipulation complexes par un robot humanoïde. Nous présentons en particulier un formalisme destiné à représenter les informations propres à l'objet manipulé utilisables par un planificateur de mouvement. Ce formalisme est présenté sous le nom d'"objets documentés".

Cette thèse propose une nouvelle approche pour l'analyse des prises. En se basant sur la théorie de l'axe central du torseur des forces de contact, nous avons développé une nouvelle condition nécessaire et suffisante pour qu'une prise soit en fermeture de force (force-closure). Pour le cas des prises planes à n points de contact, nous avons proposé une nouvelle méthode géométrique pour le test de la force-closure. Cet algorithme graphique est basé sur des calculs géométriques simples qui permettent de réduire d'une manière significative le coût de calcul par rapport aux schémas linéaires. En outre, une nouvelle formulation linéaire est proposée pour le test et la caractérisation d'une prise à n points de contact. Cet algorithme présente l'avantage d'être très simple du point de vue implémentation et rapide du point de vue temps de calcul. Afin de valider l'approche proposée, nous l'avons comparée avec les algorithmes basés sur le calcul de l'enveloppe convexe des torseurs primitifs de contact. Des implémentations de cet algorithme sont effectuées dans le démonstrateur " Move3d " du LAAS ainsi que dans le simulateur " GraspIt ". Nous abordons ensuite la synthèse de prises qui définissent une force-closure. En premier lieu, nous avons proposé la formulation du problème de recherche de la configuration des points de contact assurant un maximum de stabilité de l'objet comme étant un problème d'optimisation sous contraintes. En second lieu, pour les prises robotisées, nous avons présenté une approche pour la recherche des prises stables d'objets 3D. Le planificateur de prises proposé permet de générer des prises faisables sans passer par le calcul de la cinématique inverse de la main mécanique. Cette approche exploite, sans aucune transformation géométrique, les modèles CAO des objets à saisir pour minimiser le temps de recherche des prises. Ce planificateur de prises utilise un algorithme de résolution basé sur la techniques d'optimisation stochastique du recuit simulé . Cette méthode nous a permis de synthétiser des prises de bonne qualité d'objets complexes même dans des environnements encombrés d'obstacles. Pour illustrer l'efficacité de la démarche proposée, nous avons présenté des implémentations dans l'environnement de simulation "GraspIt".

Les architectures logicielles de contrôles sont le centre névralgique des robots. Malheureusement les robots et leurs architectures souffrent de nombreuses imperfections qui perturbent et/ou compromettent la réalisation des missions qui leurs sont affectés. Nous proposons donc une méthodologie de conception d'architecture de contrôle adaptative pour la mise en oeuvre de la tolérance aux fautes. La première partie de ce manuscrit propose un état de l'art de la sureté de fonctionnement, d'abord générique avant d'être spécifié au contexte des architectures de contrôle. La seconde partie nous permet de détailler la méthodologie proposée permettant d'identifier les fautes potentielles d'un robot et d'y répondre à l'aide des moyens de tolérance aux fautes. La troisième partie présente le contexte expérimental et applicatif dans lequel la méthodologie proposée sera mise en oeuvre et qui constitue la quatrième partie de ce manuscrit. Une expérimentation spécifique mettant en lumière les aspects de la méthodologie est détaillée dans la dernière partie.

Les blessures médullaires induisent chez les sujets atteints des déficiences motrices qui se traduisent par une paralysie partielle ou totale. Face aux limites des méthodes thérapeutiques classiques telles que la chirurgie et les médicaments, la stimulation électrique fonctionnelle (FES) des muscles représente une solution alternative combinant à la fois des bénéfices thérapeutiques largement prouvés et la possibilité de contrôler les membres paralysés à des fins de suppléance fonctionnelle. Cependant, le contrôle artificiel par FES pose un certain nombre de problèmes liés à la nature redondante de l'actionnement musculaire. Par conséquent, le choix des séquences de stimulation électrique est souvent fait de manière empirique, basé sur la seule expérience des cliniciens. Ainsi, la compréhension et la caractérisation des systèmes musculosquelettiques sous FES s'avèrent nécessaire. Elles impliquent la modélisation des différents phénomènes biomécaniques et physiologiques ainsi que l'identification des paramètres du modèle. Les principales contributions de cette thèse sont 1) la mise en place d'un protocole d'identification non-invasif des paramètres du système musculosquelettique sous FES et son application dans le cadre de l'articulation du genou chez les blessés médullaires humains et 2) la synthèse des séquences de stimulation électrique en utilisant des techniques d'optimisation non-linéaire basées sur le modèle identifié.

Dans le cadre du diagnostic à base de Modèle, un ensemble de règles d'inférence est typiquement exploité pour calculer des diagnostics, ceci en utilisant une théorie scientifique et mathématique sur le système à diagnostiquer, ainsi qu'un ensemble d'observations. Contrairement aux hypothèses classiques, les Modèles sont souvent anormaux vis-à-vis d'un ensemble de propriétés requises. Naturellement, cela affecte la qualité des diagnostics [à Airbus]. Une théorie sur la réalité, l'information et la cognition est créé pour redéfinir, dans une perspective basée sur la théorie des modèles, le cadre classique de diagnostic à base de Modèle. Ceci rend possible la formalisation des anomalies et de leur relation avec des propriétés des diagnostics. Avec ce travail et avec l'idée qu'un système de diagnostic implémenté peut être vu comme un objet à diagnostiquer, une théorie de méta-diagnostic est développée, permettant la détection et isolation d'anomalies dans les Modèles des systèmes de diagnostic. Cette théorie est mise en pratique à travers d'un outil, MEDITO; et est testée avec succès à travers un ensemble de problèmes industriels, à Airbus. Comme des différents systèmes de diagnostic Airbus, souffrant d'anomalies variées, peuvent calculer des diagnostics différents, un ensemble de méthodes et outils et développé pour: 1) déterminer la cohérence entre diagnostics et 2) valider et comparer la performance de ces systèmes de diagnostic. Ce travail dépend d'un pont original entre le cadre de diagnostic Airbus et son équivalent académique. Finalement, la théorie de méta-diagnostic est généralisée pour prendre en compte des métasystèmes autres que des systèmes de diagnostic implémentés.