The main goal of this thesis is to simulate the response of a humanoid robot using a specified control algorithm which can achieve a sustainable biped locomotion with 4 basic locomotion phases. Basic parts for the body of the humanoid robot model are shaped according to the specified basic physical parameters and assumed kinematic model. The kinematic model, which does not change according to locomotion phases and consists of 27 segments including 14 virtual segments, provides a humanoid robot model with 26 degrees of freedom (DOF). Corresponding kinematic relations for the robot model are obtained by recursive formulations. Derivation of dynamic equations is carried out by the Newton-Euler formulation. A trajectory definition algorithm which defines positions, orientations, translational and angular velocities for the hip and its mass center, toe part of the foot and its toe point is created. A control strategy based on predictive optimum command acceleration calculations and computed torque control method is implemented. The simulation is executed in Simulink and the visualization of the simulation is established in a virtual environment by Virtual Reality Toolbox of MATLAB. The simulation results and the user defined reference input are displayed simultaneously in the virtual environment. In this study, a simulation environment for the biped locomotion of humanoid robots is created. By the help of this thesis, the user can test various control strategies by modifying the modular structure of the simulation and acquire necessary information for the preliminary design study of a humanoid robot construction.

Human-robot interaction (HRI) is the study of how we as humans interact and communicate with robots and one of its subfields is working on how we can improve the collaboration between humans and robots. We need robots that are more user friendly and easier to understand and a key aspect of this is human-like movements and behavior. This project targets a specific set of motions called locomotion and tests them on the humanoid NAO robot. A human-like crawling gait was developed for the NAO robot and compared to the built-in walking gait through three kinds of experiments. The first one to compare the speed of the two gaits, the second one to estimate their sta- bility, and the third to examine how long they can operate by measuring the power consumption and temperatures in the joints. The results showed the robot was significantly slower when crawling compared to walking, and when still the robot was more stable while standing than on all-fours. The power consumption remained essentially the same, but the crawling gait ended up having a shorter operational time due to higher temperature increase in the joints. While the crawling gait has benefits of having a lower profile then the walking gait and could therefore more easily pass under low hanging obsta- cles, it does have major issues that needs to be addressed to become a viable solution. Therefore these are important factors to consider when developing gaits and designing robots, and motives further research to try and solve these problems.

Nous proposons une approche de planification unifiée pour robots humanoïdes réalisant des tâches de locomotion et de manipulation nécessitant une dextérité propre aux systèmes anthropomorphes. Ces tâches sont basées sur des transitions de contacts ; contacts entre les extrémités des membres locomoteurs et l'environnement dans le cas du problème de locomotion par exemple, ou entre les extrémités de l'organe préhensible effecteur et l'objet manipulé dans le cas du problème de manipulation. Nous planifions ces transitions de contacts pour des systèmes abstraits constitués d'autant de robots, d'objets, et de supports dans l'environnement que désiré/nécessaire pour la modélisation du problème. Cette approche permet de s'affranchir de la distinction de nature entre tâches de locomotion et de manipulation et s'étend à une variété d'autres problèmes tels que la coopération entre plusieurs agents. Nous introduisons notre paradigme de planification non-découplée de locomotion et de manipulation en exhibant la stratification induite dans l'espace des configurations de systèmes simplifiés pour lesquels nous résolvons analytiquement le problème en comparant des méthodes de planification géométrique, non-holonome, et dynamique. Nous présentons ensuite l'algorithme de planification de contacts basé sur une recherche best-first. Cet algorithme fait appel à un solveur de cinématique inverse qui prend en compte des configurations de contacts générales dans l'espace pouvant être établis entre robots, objets, et environnement dans toutes les combinaisons possibles, le tout sous contraintes d'équilibre statique et de respect des limitations mécaniques des robots. La génération de mouvement respectant l'équation de dynamique Lagrangienne est obtenue par une formulation en programme quadratique. Enfin nous envisageons une extension à des supports de contact déformables en considérant des comportements linéaires-élastiques résolus par éléments finis. / We propose a unified planning approach for autonomous humanoid robots that perform dexterous locomotion and manipulation tasks. These tasks are based on contact transitions; for instance between the locomotion limbs of the robot and the environment, or between the manipulation end-effector of the robot and the manipulated object. We plan these contact transitions for general abstract systems made of arbitrary numbers of robots, manipulated objects, and environment supports. This approach allows us to erase distinction between the locomotion and manipulation nature of the tasks and to extend the method to various other planning problems such as collaborative manipulation and locomotion between multiple agents. We introduce our non-decoupled locomotion-and-manipulation planning paradigm by exhibiting the induced stratification of the configuration space of example simplified systems for which we analytically solve the problem comparing geometric path planning, kinematic non-holonomic planning, and dynamic trajectory planning methods. We then present the contact planning algorithm based on best-first search. The algorithm relies on an inverse kinematics solver that handles general robot-robot, robot-object, robot-environment, object-environment, non-horizontal, non-coplanar, friction-based, multi-contact configurations, under static equilibrium and physical limitation constraints. The continuous dynamics-consistent motion is generated in the locomotion case using a quadratic programming formulation. We finally envision the extension to deformable environment contact support by considering linear elasticity behaviours solved using the finite element method.

Cette thèse traite du problème de la locomotion des robots humanoïdes dans le contexte du projet européen KoroiBot. En s'inspirant de l'être humain, l'objectif de ce projet est l'amélioration des capacités des robots humanoïdes à se mouvoir de façon dynamique et polyvalente. Le coeur de l'approche scientifique repose sur l'utilisation du controle optimal, à la fois pour l'identification des couts optimisés par l'être humain et pour leur mise en oeuvre sur les robots des partenaires roboticiens. Cette thèse s'illustre donc par une collaboration à la fois avec des mathématiciens du contrôle et des spécialistes de la modélisation des primitives motrices. Les contributions majeures de cette thèse reposent donc sur la conception de nouveaux algorithmes temps-réel de contrôle pour la locomotion des robots humanoïdes avec nos collégues de l'université d'Heidelberg et leur intégration sur le robot HRP-2. Deux contrôleurs seront présentés, le premier permettant la locomotion multi-contacts avec une connaissance a priori des futures positions des contacts. Le deuxième étant une extension d'un travail réalisé sur de la marche sur sol plat améliorant les performances et ajoutant des fonctionnalitées au précédent algorithme. En collaborant avec des spécialistes du mouvement humain nous avons implementé un contrôleur innovant permettant de suivre des trajectoires cycliques du centre de masse. Nous présenterons aussi un contrôleur corps-complet utilisant, pour le haut du corps, des primitives de mouvements extraites du mouvement humain et pour le bas du corps, un générateur de marche. Les résultats de cette thèse ont été intégrés dans la suite logicielle "Stack-of-Tasks" du LAAS-CNRS. / This thesis covers the topic of humanoid robot locomotion in the frame of the European project KoroiBot. The goal of this project is to enhance the ability of humanoid robots to walk in a dynamic and versatile fashion as humans do. Research and innovation studies in KoroiBot rely on optimal control methods both for the identification of cost functions used by human being and for their implementations on robots owned by roboticist partners. Hence, this thesis includes fruitful collaborations with both control mathematicians and experts in motion primitive modeling. The main contributions of this PhD thesis lies in the design of new real time controllers for humanoid robot locomotion with our partners from the University of Heidelberg and their integration on the HRP-2 robot. Two controllers will be shown, one allowing multi-contact locomotion with a prior knowledge of the future contacts. And the second is an extension of a previous work improving performance and providing additional functionalities. In a collaboration with experts in human motion we designed an innovating controller for tracking cyclic trajectories of the center of mass. We also show a whole body controller using upper body movement primitives extracted from human behavior and lower body movement computed by a walking pattern generator. The results of this thesis have been integrated into the LAAS-CNRS "Stack-of-Tasks" software suit.

Le nombre de robot humanoïde s’est accru ces dernières années pour pouvoir collaborer avec l’homme ou le remplacer dans des tâches fastidieuses. L’objectif de cette thèse est de transférer aux robots humanoïdes, des habilités ou compétences humaines, en particulier pour des mouvements impliquant une coordination entre les deux bras. Dans la première partie de la thèse, un processus de conversion d’un mouvement humain vers un mouvement de robot, dans un objectif d’imitation est proposé. Comme les humains possèdent beaucoup plus de degrés de liberté qu’un robot humanoïde, les mouvements identiques ne peuvent pas être produits, les caractéristiques(longueurs des corps) peuvent aussi être différentes. Notre processus de conversion prend en compte l’enregistrement des localisations de marqueurs attachés aux corps de l’humain et des articulations pour améliorer les processus d’imitation. La deuxième partie de la thèse vise à analyser les stratégies de génération du mouvement utilisées par l’homme. Les mouvements humains sont supposés optimaux et notre objectif est de trouver un critère à minimiser pendant les manipulations. Nous faisons l’hypothèse que ce critère est une combinaison de critères classiquement utilisés en robotique et nous recherchons les poids de chaque critère qui représente au mieux le mouvement humain. De cette façon, une approche de commande cinématique optimale peut ensuite être utilisée pour générer des mouvements du robot humanoïde. / The number of humanoid robots has increased in recent years to be able to collaborate with humans or replace them in tedious tasks. The objective of this thesis is to transfer to humanoid robots, skills or human competences, in particular for movements involving coordination between the two arms. In the first part of the thesis, a process of conversion from a human movement to a robot movement, with the aim of imitation is proposed. Since humans have much more freedom than a humanoid robot, identical movements cannot be produced, the characteristics (body lengths) canal so be different. Our conversion process takes into account the recording of marker locations attached to human bodies and joints to improve the imitation processes. The second part of the thesis aims at analyzing the strategies used by humans to generate movement. Human movements are assumed to be optimal and our goal is to find criteria minimized during manipulations. We hypothesize that this criterion is a combination of classical criteria used in robotics and we look for the weights of each criterion that best represents human movement. In this way, an optimal kinematic control approach can then be used to generate movements of the humanoid robot.

Quelle sont les points communs entre un robot humanoïde et un quadrimoteur ? Et bien, pas grand-chose… Cette thèse est donc dédiée au développement d’algorithmes permettant de contrôler un robot de manière dynamique tout en restant générique par rapport au model du robot et à la tâche que l’on cherche à résoudre. Le contrôle optimal numérique est pour cela un bon candidat. Cependant il souffre de plusieurs difficultés comme un nombre important de paramètres à ajuster et des temps de calcul relativement élevés. Ce document présente alors plusieurs améliorations permettant d’atténuer ces difficultés. D’un côté, l’ordonnancement des différentes tâches sous la forme d’une hiérarchie et sa résolution avec un algorithme adapté permet de réduire le nombre de paramètres à ajuster. D’un autre côté, l’utilisation de l’apprentissage automatique afin d’initialiser l’algorithme d’optimisation ou de générer un modèle simplifié du robot permet de fortement diminuer les temps de calcul. / What are the common characteristics of humanoid robots and quadrotors? Well, not many… Therefore, this thesis focuses on the development of algorithms allowing to dynamically control a robot while staying generic with respect to the model of the robot and the task that needs to be solved. Numerical optimal control is good candidate to achieve such objective. However, it suffers from several difficulties such as a high number of parameters to tune and a relatively important computation time. This document presents several ameliorations allowing to reduce these problems. On one hand, the tasks can be ordered according to a hierarchy and solved with an appropriate algorithm to lower the number of parameters to tune. On the other hand, machine learning can be used to initialize the optimization solver or to generate a simplified model of the robot, and therefore can be used to decrease the computation time.

Les robots intégrés aux chaînes de production sont généralement isolés des ouvriers et ne prévoient pas d'interaction physique avec les humains. Dans le futur, le robot humanoïde deviendra un partenaire pour vivre ou travailler avec les êtres humains. Cette coexistence prévoit l'interaction physique et sociale entre le robot et l'être humain. En robotique humanoïde les futurs progrès dépendront donc des connaissances dans les mécanismes cognitifs présents dans les interactions interpersonnelles afin que les robots interagissent avec les humains physiquement et socialement. Un bon exemple d'interaction interpersonnelle est l'acte de la poignée de la main qui possède un rôle social très important. La particularité de cette interaction est aussi qu'elle est basée sur un couplage physique et social qui induit une synchronisation des mouvements et des efforts. L'intérêt d'étudier la poignée de main pour les robots consiste donc à élargir leurs propriétés comportementales pour qu'ils interagissent avec les humains de manière plus habituelle.Cette thèse présente dans un premier chapitre un état de l'art sur les travaux dans les domaines des sciences humaines, de la médecine et de la robotique humanoïde qui sont liés au phénomène de la poignée de main. Le second chapitre, est consacré à la nature physique du phénomène de poignée de main chez l'être humain par des mesures quantitatives des mouvements. Pour cela un système de mesures a été construit à l'Université Nationale Technique de Donetsk (Ukraine). Il est composé d'un gant instrumenté par un réseau de capteurs portés qui permet l'enregistrement des vitesses et accélérations du poignet et les forces aux points de contact des paumes, lors de l'interaction. Des campagnes de mesures ont permis de montrer la présence d'un phénomène de synchronie mutuelle précédé d'une phase de contact physique qui initie cette synchronie. En tenant compte de cette nature rythmique, un contrôleur à base de neurones rythmiques de Rowat-Selverston, intégrant un mécanisme d'apprentissage de la fréquence d'interaction, est proposé et etudié dans le troisième chapitre pour commander un bras robotique. Le chapitre quatre est consacré aux expériences d'interaction physique homme/robot. Des expériences avec un bras robotique Katana montrent qu'il est possible d'apprendre à synchroniser la rythmicité du robot avec celle imposée par une per-sonne lors d'une poignée de main grâce à ce modèle de contrôleur bio-inspiré. Une conclusion générale dresse le bilan des travaux menés et propose des perspectives. / Automated production lines integrate robots which are isolated from workers, so there is no physical interaction between a human and robot. In the near future, a humanoid robot will become a part of the human environment as a companion to help or work with humans. The aspects of coexistence always presuppose physical and social interaction between a robot and a human. In humanoid robotics, further progress depends on knowledge of cognitive mechanisms of interpersonal interaction as robots physically and socially interact with humans. An illustrative example of interpersonal interaction is an act of a handshake that plays a substantial social role. The particularity of this form of interpersonal interaction is that it is based on physical and social couplings which lead to synchronization of motion and efforts. Studying a handshake for robots is interesting as it can expand their behavioral properties for interaction with a human being in more natural way. The first chapter of this thesis presents the state of the art in the fields of social sciences, medicine and humanoid robotics that study the phenomenon of a handshake. The second chapter is dedicated to the physical nature of the phenomenon between humans via quantitative measurements. A new wearable system to measure a handshake was built in Donetsk National Technical University (Ukraine). It consists of a set of several sensors attached to the glove for recording angular velocities and gravitational acceleration of the hand and forces in certain points of hand contact during interaction. The measurement campaigns have shown that there is a phenomenon of mutual synchrony that is preceded by the phase of physical contact which initiates this synchrony. Considering the rhythmic nature of this phenomenon, the controller based on the models of rhythmic neuron of Rowat-Selverston, with learning the frequency during interaction was proposed and studied in the third chapter. Chapter four deals with the experiences of physical human-robot interaction. The experimentations with robot arm Katana show that it is possible for a robot to learn to synchronize its rhythm with rhythms imposed by a human during handshake with the proposed model of a bio-inspired controller. A general conclusion and perspectives summarize and finish this work.

How do robots learn to perform motor tasks in a specific condition and apply what they have learned in a new condition? This paper proposes a framework for motor coordination acquisition of a robot drawing straight lines within a part of the workspace. Then, it addresses transferring the acquired coordination into another area of the workspace while performing the same task. Motor patterns are generated by a Central Pattern Generator (CPG) model. The motor coordination for a given task is acquired by using a multi-objective optimization method that adjusts the CPGs' parameters involved in the coordination. To transfer the acquired motor coordination to the whole workspace we employed (1) a Self-Organizing Map that represents the end-effector coordination in the Cartesian space, and (2) an estimation method based on Inverse Distance Weighting that estimates the motor program parameters for each SOM neuron. After learning, the robot generalizes the acquired motor program along the SOM network. It is able therefore to draw lines from any point in the 2D workspace and with different orientations. Aside from the obvious distinctiveness of the proposed framework from those based on inverse kinematics typically leading to a point-to-point drawing, our approach also permits of transferring the motor program throughout the workspace.

Le corps humain a toujours été une source d’inspiration pour les ingénieurs et les scientifiques de tous les domaines dans le monde entier. L’un des sujets les plus intéressants de la dernière décennie a été les robots humanoïdes. Les robots humanoïdes représentent les systèmes robotiques les plus complexes. Ils offrent une plus grande mobilité dans les terrains accidentés et non structurés que les véhicules à roues normaux. À l’avenir, les robots humanoïdes devraient être employés pour une variété de tâches dangereuses dans des domaines tels que les opérations de sauvetage, l’assistance aux personnes âgées, l’éducation et le déminage humanitaire. Le travail réalisé dans cette thèse est réalisé sur le robot hydraulique humanoïde HYDROïD, un humanoïde à commande hydraulique avec 52 degrés de liberté actifs, conçu pour exécuter des tâches très dynamiques comme la marche, la course et le saut. robot puisque les actionneurs hydrauliques ont un excellent rapport poids/puissance et absorbent naturellement les pics de force d’impact lors des différentes activités. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement des mécanismes robotiques de la cheville et du genou avec une dynamique élevée. Un nouveau mécanisme de cheville est développé afin de pallier les inconvénients des performances réalisées avec l’ancien mécanisme de cheville d'origine. Des taux de fuite et de frottement plus faibles sont obtenus en plus d’une optimisation de pression pour les articulations de la cheville. De plus, une nouvelle solution pour optimiser le poids des actionneurs hydrauliques est appliquée sur le mécanisme du genou du robot.Une telle solution comprend l’utilisation de la technologie des matériaux composites légers pour atteindre un poids et une performance optimisés pour le joint. Afin d’appliquer des méthodologies de contrôle sur les mécanismes de la cheville et du genou, un modèle géométrique inverse pour les deux mécanismes est présenté. Le contrôle de position est utilisé pour contrôler les angles des articulations de la cheville et les mécanismes du genou. Enfin, les conclusions et les perspectives d’avenir sont présentées dans le dernier chapitre. / Human body has always been an inspiration for engineers and scientists from all fields all over the world. One of the most interesting topics in the last decade was humanoid robots. Humanoid robots represent the most complex robotic systems. They provide greater mobility in rough and unstructured terrain than the normal wheeled vehicles. In the future, humanoid robots are expected to be employed for a variety of dangerous tasks in fields like rescue operations, assisting elderly people, education and humanitarian demining. The work achieved in this dissertation is performed on the humanoid hydraulic robot HYDROïD. It is hydraulically actuated humanoid featuring 52 active degrees of freedom and is designed to perform highly dynamic tasks like walking, running and jumping. Hydraulic power was chosen for this robot since hydraulic actuators have an excellent power to weight ratio and naturally absorb impact force peaks during different activities. The objective of this dissertation is to contribute toward the development of ahighly dynamic robotic ankle and knee mechanisms. A new ankle mechanism islooked for in order to tackle the drawbacks raised by the performances achievedwith the original old ankle mechanism. Lower leakage and friction rates areachieved in addition to a pressure optimization for the ankle joints. Moreover, anew solution for optimizing the weight of hydraulic actuators is applied on theknee mechanism of the robot. Such solution includes the usage of light compositematerial technology to achieve optimized weight and performance for the joint.In order to apply control methodologies on the ankle and knee mechanisms,inverse geometrical model for the both mechanism are presented. Position controlis used to control the joints angles of the ankle and the knee mechanisms. Finally,the conclusions and the future perspectives are presented in the last chapter.

<p>У тези су анализиране карактеристичне компензационе стратегије, за<br />које је уочено да их човек често примењује. На основу анализе су<br />дефинисане предности и мане сваке од стратегија. Након тога је<br />приказан систем за приоритетизацију задатака, ради истраживања<br />могућности симултане реализације више задатака. Да би се омогућило<br />укључивање различитих задатака и ограничења развијен је формални<br />начин њиховог записивања. Посебна пажња је дата ограничењима која<br />настају као последица контакта са околином. Развијена је методологија<br />којом се утврђује да ли неки од постојећих контаката може бити<br />раскинут а да жељени покрет буде изводив, као и да ли је ради<br />реализације намераваног покрета потребно успоставити нови контакт.<br />Укључивањем ограничења у систем за приоритетизацију је добијена<br />методологија за модификацију покрета у присуству ограничења.</p> / <p>U tezi su analizirane karakteristične kompenzacione strategije, za<br />koje je uočeno da ih čovek često primenjuje. Na osnovu analize su<br />definisane prednosti i mane svake od strategija. Nakon toga je<br />prikazan sistem za prioritetizaciju zadataka, radi istraživanja<br />mogućnosti simultane realizacije više zadataka. Da bi se omogućilo<br />uključivanje različitih zadataka i ograničenja razvijen je formalni<br />način njihovog zapisivanja. Posebna pažnja je data ograničenjima koja<br />nastaju kao posledica kontakta sa okolinom. Razvijena je metodologija<br />kojom se utvrđuje da li neki od postojećih kontakata može biti<br />raskinut a da željeni pokret bude izvodiv, kao i da li je radi<br />realizacije nameravanog pokreta potrebno uspostaviti novi kontakt.<br />Uključivanjem ograničenja u sistem za prioritetizaciju je dobijena<br />metodologija za modifikaciju pokreta u prisustvu ograničenja.</p> / <p>The thesis analyzes the characteristic compensation strategies, which are<br />observed to be often applied by men. Based on the analysis benefits and<br />disadvantages each of the strategies are defined. After that, the task<br />prioritization framework is shown, which enables simultaneous realiztation of<br />multiple tasks. In order to include different tasks and constraints in the<br />framework, the formal way of their notation is developed. Special attention is<br />given to the constraints that arise as a consequence of contacts with the<br />environment. Methodology for determining whether some of the existing<br />contacts can be broken, but that the desired movement is feasible, and<br />whether is it necessary to establish a new contact for the realization of the<br />intended movement. By including the constraints in the task prioritization<br />framework, methodology for modification of the movement in the presence of<br />constraints is obtained.</p>