Manipulação robótica em ambientes não estruturados desafia intensamente a comunidade científica. Grandes esforços tem sido empregados em sistemas de visão computacional culminando em resultados notáveis. Entretanto, a informação obtida de sistemas de visão diversas vezes é incompleta, ruidosa e imprecisa devido a limitações técnicas dos sensores empregados ou devido a posição em que o sensor se encontra em relação ao ambiente. Além disso, pouca atenção tem sido destinada a utilização do tato como informação adicional para enriquecer a percepção do ambiente. Este trabalho apresenta um estudo experimental de exploração do ambiente através de contato estável utilizando controle de impedância aplicado a um manipulador robótico. Um framework de manipulação robótica é apresentado e o trabalho é posicionado neste framework na forma de sub-tarefas do mesmo. A descrição do sistema robótico utilizado assim como o detalhamento da implementação de comunicação e controle dos diversos sub-sistemas que o compõem são apresentadas. O trabalho descreve uma série de ensaios experimentais onde o manipulador executa o contato físico com o ambiente. Nestes ensaios é realizada a modificação dos parâmetros do controlador de impedância do manipulador com o objetivo de analisar a influência dos mesmos no resultado. A análise é feita com relação a estabilidade durante o contato e ao erro de acompanhamento de posição após a perda de contato. Em seguida, uma série de estratégias de alteração dos parâmetros do controlador de impedância durante a execução da tarefas é apresentada juntamente com os resultados experimentais e análises comparativas entre elas e os resultados anteriores. O objetivo destas estratégias é melhorar o desempenho e a estabilidade da tarefa garantindo uma medida precisa e estável da posição do objeto no ambiente. A análise dos resultados obtidos mostra que as estratégias efetivamente melhoram o desempenho do sistema em relação aos parâmetros de análise adotados. Finalmente são apresentados os resultados de um teste de repetibilidade da medição da posição de conjunto através da abordagem apresentada. Estes resultados são comparados com resultados de precisão de sistemas de visão computacional. Este teste suporta a conclusão que confirma a viabilidade do método explorado no trabalho. / Robotic manipulation in unstructured environments is a major challenge to the research community. Great efforts are being directed to computational vision systems development and incredible outcome has been achieved. However, the information retrieved from vision systems is often incomplete, noisy or inaccurate due to technical limitations linked to the sensors used in such systems or the positioning of the system in the environment. Furthermore, few attention is been delivered to the application of tactile information to increase the information quality about the environment. This work presents an experimental study about the environment exploration using stable contact and impedance controlled manipulators. A framework for robotic manipulation is presented and this work is positioned in such framework in a tasks and subtasks style. The detailed information about the manipulator system and the implementation is also outlined including all the control levels and communication layers is also outlined. The work describes a series of experimental tests where the manipulator performs physical contact to the environment. The impedance control parameters are than changed aiming to analyse and determine their influence into the observed results. The contact stability and the following error are used as performance indicators. Following such experimental series, four impedance control parameter change strategies are proposed, tested and analysed when performing a task of touching the environment. The results are also compared to the results obtained from the fix parameter tests. The strategies objective is improve the contact stability ensuring a accurate measurement of the environment position. The results show a real improvement of the environment position measurement towards the same measurement when using fixed impedance control parameters. Finally, results from a repeatability test for the results of environment position measurement using the best approach proposed where presented. Such results are compared from the results achieved from vision systems and show a greater performance for the tactile environment exploration approach.

Manipulação robótica em ambientes não estruturados desafia intensamente a comunidade científica. Grandes esforços tem sido empregados em sistemas de visão computacional culminando em resultados notáveis. Entretanto, a informação obtida de sistemas de visão diversas vezes é incompleta, ruidosa e imprecisa devido a limitações técnicas dos sensores empregados ou devido a posição em que o sensor se encontra em relação ao ambiente. Além disso, pouca atenção tem sido destinada a utilização do tato como informação adicional para enriquecer a percepção do ambiente. Este trabalho apresenta um estudo experimental de exploração do ambiente através de contato estável utilizando controle de impedância aplicado a um manipulador robótico. Um framework de manipulação robótica é apresentado e o trabalho é posicionado neste framework na forma de sub-tarefas do mesmo. A descrição do sistema robótico utilizado assim como o detalhamento da implementação de comunicação e controle dos diversos sub-sistemas que o compõem são apresentadas. O trabalho descreve uma série de ensaios experimentais onde o manipulador executa o contato físico com o ambiente. Nestes ensaios é realizada a modificação dos parâmetros do controlador de impedância do manipulador com o objetivo de analisar a influência dos mesmos no resultado. A análise é feita com relação a estabilidade durante o contato e ao erro de acompanhamento de posição após a perda de contato. Em seguida, uma série de estratégias de alteração dos parâmetros do controlador de impedância durante a execução da tarefas é apresentada juntamente com os resultados experimentais e análises comparativas entre elas e os resultados anteriores. O objetivo destas estratégias é melhorar o desempenho e a estabilidade da tarefa garantindo uma medida precisa e estável da posição do objeto no ambiente. A análise dos resultados obtidos mostra que as estratégias efetivamente melhoram o desempenho do sistema em relação aos parâmetros de análise adotados. Finalmente são apresentados os resultados de um teste de repetibilidade da medição da posição de conjunto através da abordagem apresentada. Estes resultados são comparados com resultados de precisão de sistemas de visão computacional. Este teste suporta a conclusão que confirma a viabilidade do método explorado no trabalho. / Robotic manipulation in unstructured environments is a major challenge to the research community. Great efforts are being directed to computational vision systems development and incredible outcome has been achieved. However, the information retrieved from vision systems is often incomplete, noisy or inaccurate due to technical limitations linked to the sensors used in such systems or the positioning of the system in the environment. Furthermore, few attention is been delivered to the application of tactile information to increase the information quality about the environment. This work presents an experimental study about the environment exploration using stable contact and impedance controlled manipulators. A framework for robotic manipulation is presented and this work is positioned in such framework in a tasks and subtasks style. The detailed information about the manipulator system and the implementation is also outlined including all the control levels and communication layers is also outlined. The work describes a series of experimental tests where the manipulator performs physical contact to the environment. The impedance control parameters are than changed aiming to analyse and determine their influence into the observed results. The contact stability and the following error are used as performance indicators. Following such experimental series, four impedance control parameter change strategies are proposed, tested and analysed when performing a task of touching the environment. The results are also compared to the results obtained from the fix parameter tests. The strategies objective is improve the contact stability ensuring a accurate measurement of the environment position. The results show a real improvement of the environment position measurement towards the same measurement when using fixed impedance control parameters. Finally, results from a repeatability test for the results of environment position measurement using the best approach proposed where presented. Such results are compared from the results achieved from vision systems and show a greater performance for the tactile environment exploration approach.

Les robots sous-marins peuvent aujourd'hui évoluer dans des environnements complexes difficilement accessibles à l'Homme pour des raisons de coût ou de sécurité. Ils peuvent donc intervenir dans une grande variété de missions en environnement aquatique. Or, la complexité de ces milieux impose de doter le vecteur robotique d'une autonomie opérationnelle suffisante afin qu'il puisse mener sa mission à bien tout en préservant son intégrité. Cela nécessite de développer des lois de commande répondant aux spécificités de l'application. Ces lois de commande se basent sur des connaissances provenant de différentes disciplines scientifiques ce qui souligne l'interdisciplinarité inhérente à la robotique. Une fois la loi de commande développée, il faut implémenter le contrôleur sur le robot sous forme de logiciel de contrôle basé sur une architecture logicielle temps-réel.Or la conception actuelle des lois de commande, sous forme de blocs "monolithiques", rend difficile l'évolution d'une loi de commande d'une application à l'autre, l'intégration de connaissances provenant d'autres disciplines scientifiques que ne maitrisent pas forcément les automaticiens et pénalisent son implémentation sur des architectures logicielles qui nécessitent la modularité. Pour résoudre ces problèmes nous cherchons à proprement séparer les différentes connaissances afin que chacune soit aisément manipulable, son rôle clair et que les relations établies entre les différentes connaissances soient explicites. Cela permettra en outre une projection plus efficace sur l'architecture logicielle. Nous proposons donc un nouveau formalisme de description des lois de commande selon une composition modulaire d'entités de base appelées Atomes et qui encapsulent les différents éléments de connaissance. Nous nous intéressons également à l'établissement d'une meilleure synergie entre les aspects automatique et génie logiciel qui se construit autour de préoccupations communes telles que les contraintes temporelles et la stabilité. Pour cela, nous enrichissons nos Atomes de contraintes chargées de véhiculer les informations relatives à ces aspects temporels. Nous proposons également une méthodologie basée sur notre formalisme afin de guider l'implémentation de nos stratégies de commande sur un Middleware temps-réel, dans notre cas le Middleware ContrACT développé au LIRMM.Nous illustrons notre approche par diverses fonctionnalités devant être mises en oeuvre lors de missions d'exploration de l'environnement aquatique et notamment pour l'évitement de parois lors de l'exploration d'un aquifère karstique. / Underwater robots can nowadays operate in complex environments in a broad scope of missions where the use of human divers is difficult for cost or safety reasons. However the complexity of aquatic environments requires to give the robotic vector an autonomy sufficient to perform its mission while preserving its integrity. This requires to design control laws according to application requirements. They are built on knowledge from several scientific fields, underlining the interdisciplinarity inherent to robotics. Once the control law designed, it must be implemented as a control Software working on a real-time Software architecture.Nonetheless the current conception of control laws, as "monolithic" blocks, makes difficult the adaptation of a control from an application to another and the integration of knowledge from various scientific fields which are often not fully understood by control engineers. It also penalizes the implementation of control on Software architectures, at least its modularity and evolution. To solve those problems we seek a proper separation of knowledge so that each knowledge item can be easily used, its role precisely defined and we want to reify the interactions between them. Moreover this will allow us a more efficient projection on the Software architecture. We thus propose a new formalism for control laws description as a modular composition of basic entities named Atoms used to encapsulate the knowledge items.We also aim at building a better synergy between control and software engineering based on shared concerns such as temporal constraints and stability. Hence we extend the definition of our Atoms with constraints carrying information related to their temporal behaviour. We propose as well a methodology relying on our formalism to guide the implementation of control on a real-time Middleware. We will focus on the ContrACT Middleware developed at LIRMM.Finally we illustrate our approach on several robotic functionalities that can be used during aquatic environments exploration and especially for wall avoidance during the exploration of a karst aquifer.