Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La thèse explore la commande en position et la commande en mode interaction physique humain-robot (pHRI) de deux systèmes robotiques, soit un robot parallèle hybride cinématiquement redondant (RPHCR) et un système robotique macro-mini. L'analyses de la cinématique et de la dynamique, ainsi que des méthodes proposées dans cette thèse pouvent être généralisés pour une famille des robots qui ont l'architecture similaire. La thèse présente d'abord un nouveau robot parallèle hybride cinématiquement redondant ayant des actionneurs rotatifs. La cinématique est dévélopée et les singularités sont examinées. L'espace de travail de translation et de rotation est ensuite analysé. De plus, un nouveau mécanisme est introduit afin d'opérer un préhenseur utilisant les degrés de liberté (ddls) redondants. Grâce à la rétrocommandamilité du robot, une loi de commande générale peut changer entre deux modes : une commande en position et une commande d'interaction humain-robot. Cette dernière est devélopée pour démontrer l'usage potentiel de RPHCR dans les application d'interaction n'ayant recours à acun capteur de force/couple. Ensuite, la commande en position des robots hybrides cinématiquement redondants est explorée. La cinématique et la dynamique des robots étudiées sont examinées en détail. Une méthode de commande hybride, qui combine la commande par couple pré-calculé dans l'espace articulaire avec une compensation cartésienne dans l'espace de la tâche est définie. La stabilité de cette commande est ensuite prouvée. Des expérimentations sont ensuite apportées sur les deux architectures. Les résultats de celles-ci sont analysées puis comparées à d'autres méthodes connues. La thèse poursuit ensuite les études au sujet d'une commande des mouvements d'un système de macro-mini. Le macro-mini combine le RPHCR et un système à pont roulant. De manière similaire, la cinématique et la dynamique du système macro-mini sont tout d'abord analysées. Par contre, cette analyse n'est réalisée que dans les coordonnées de la tâche, étant donné que la position de chaque robot a déjà été gérée par une commande séparée. Les commandes du mouvement, c'est-à-dire la commande "mid-ranging" (en anglais) et la commande prédictive, sont développées pour le robot étudié et sont généralisées pour des robots à architecture similaire. En outre, une nouvelle methode qui combine la commande PI et la résolution redondante est proposée. Enfin, chaque méthode est implémentée sur le système à des fins de comparaison. Ensuite, l'étude de la commande d'interaction est considerée sur chacune des platformes robotiques mentionnées. En considerant que le robot hybride est cinématiquement redondant, une commande amortissement-raideur est developpée pour des applications d'interaction humain-robot. D'autre part, une autre stratégie de commande est aussi analysée sur le système du macro-mini. La stabilité est examinée en détail. Puis, des expérimentations sont réalisées pour déterminer la performance de ces systèmes dans les applications d'interaction. Finalement, une conclusion est amenée afin de résumer les résultats obtenus et discuter des limitations actuelles ainsi que de présenter des travaux futurs potentiels. / This thesis investigates motion control methods and physical human robot interaction (pHRI) control strategies for two robotic systems, namely a kinematically redundant hybrid parallel robot (KRHPR) and a macro-mini system. The kinematic analysis, the dynamic modelling, as well as the control methods proposed in the thesis can be generalized for a class of robots with similar architecture. The thesis firstly introduces a novel kinematically redundant (6+3)-degree-of-freedom (DoF) spatial hybrid parallel robot with revolute actuators. The kinematic equations are developed and the singularities are examined. The translational and rotational workspace of the robot is then analysed. Also, a new mechanism is introduced to operate a gripper using the redundant DoFs. Thanks to the backdrivability of the robot, a controller - which can flexibly switch between two modes: position control and interaction control - is developed to demonstrate the potential use of this robot for physical interaction without using a force/torque sensor or joint torque sensors. Secondly, the motion control problem is investigated for a class of spatial kinematically redundant hybrid parallel robots. The kinematics are recalled and the dynamics are analysed. Based on this analysis, a proposed method referred to as hybrid control algorithm is proposed. It combines a simplified computed-torque controller, that operates in the joint space, with a Cartesian compensation, that operates in the task space of the robot. The stability of this approach is verified. Then, experiments are carried out on two example architectures. The results are examined and compared to those obtained with other methods to validate the effectiveness of the proposed approach. The motion control of a macro-mini system, which combines the hybrid parallel robot and a gantry system, is then investigated. The kinematics and the dynamics of the combined system are mainly analysed in the task space since it can be assumed that the position of the macro and the mini is stably determined by their own controllers. Motion control methods, namely mid-ranging control and Model Predictive Control, are generalized and adapted. Also, the combination of PI and the redundancy resolution is proposed. Each control method is implemented and used to perform the same trajectory. Afterwards, the control error is determined in order to compare the performance of the different methods. The physical human robot interaction is then studied for each of the robotic platforms mentioned above. On the KRHPR, a stiffness-damping control is specifically developed for pHRI applications. On the macro-mini system, the interaction method is also examined. The stability and the operational performance is analysed in detail. Experiments involving pHRI are then conducted and some demonstrations of potential applications are also presented. Finally, the conclusion summarizes the results obtained and discusses current limitations and potential future work.

Ce mémoire présente le développement d'un mécanisme de type macro-mini permettant des interactions humain-robot intuitives. Le type d'architecture macro-mini permet de contrôler un robot ayant une grande impédance tel qu'une cellule robotisée cartésienne (e.g. gantry) à l'aide d'un mécanisme à plus faible impédance, réduisant considérablement l'effort devant être fourni par l'opérateur et atténuant par conséquent la fatigue de ce dernier. Le mécanisme macro-mini proposé est composé d'une cellule robotisée cartésienne ayant trois axes et d'un mécanisme parallèle découplé à trois degrés de liberté. Chacun des axes de la cellule est contrôlé à partir de mesures de position angulaire provenant d'un encodeur attaché à l'un des degrés de liberté du mécanisme parallèle. Ce type d'architecture découplé permet un contrôle simple et intuitif. Le contrôle par impédance est privilégié pour ce type d'architecture. Une comparaison expérimentale des performances entre le contrôle par impédance et par admittance utilisant des capteurs d'effort est également présentée. L'analyse des résultats obtenus démontre que le contrôle par impédance permet d'effectuer des tâches plus rapidement (facteur 2) et avec moins d'effort (facteur 20). Une analyse approfondie de la stabilité du système avec différents modèles de contrôleur par impédance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer que le contrôleur par impédance standard n'est pas stable lorsque utilisé avec l'architecture proposée. Un contrôleur alternatif a donc été développé afin de permettre un contrôle plus intuitif et stable. L'ajout d'un moteur à l'axe de rotation du mécanisme parallèle a permis la création de retour haptique à l'utilisateur a n de simuler des interactions avec des objets ou contraintes virtuelles. Ce retour haptique a également été utilisé pour varier l'impédance ressentie par l'utilisateur en ajoutant une masse virtuelle à l'effecteur du mini. Pour terminer, l'analyse de la dynamique du système est utilisée pour la détection de collision entre le mécanisme parallèle et l'environnement sans avoir recours à des capteurs d'effort. Cet élément est essentiel pour des interactions humain-robot sécuritaires. / This thesis presents the development of a novel macro-mini mechanism allowing intuitive physical human-robot interaction (pHRI). This type of architecture allows the control of a high-impedance robot such as a Cartesian gantry robot in a manufacturing environment using a smaller and lower impedance mechanism, therefore allowing a signi cant reduction of the operator's e ort and fatigue. The proposed macro-mini mechanism consists of a three-axis Cartesian gantry system (i.e. macro mechanism) and a passive three-degree-of-freedom parallel mechanism (i.e. mini mechanism). The mini mechanism is statically balanced at its workspace centre and all three degrees of freedom are decoupled. This means that the gantry axes are individually controlled using the measurement of a single angular encoder of the mini. It also means that the motion of the mini mechanism along the direction of a degree of freedom does not a ect the remaining degrees of freedom, considerably simplifying the control. The use of impedance control with this type of architecture is thoroughly described and analyzed. An experimental comparison with a standard admittance controller using a force sensor is accomplished using a simple peg-in-hole experiment. Results show that the impedance control allows a faster task completion (by a factor of 2) with smaller e ort (by a factor of 20) compared with the admittance controller. A comprehensive stability analysis is also accomplished on several designs of impedance controller, but with the same macro-mini architecture. Results demonstrate that the standard impedance controller is not stable with the proposed architecture and hence an alternative controller is introduced and evaluated. A backdrivable motor is added at the mini's joint in order to render haptic feedback to the operator. Such feedback is used to simulate virtual environment interactions such as walls and collisions with movable objects. The backdrivable motor is also used to vary the impedance felt by the user during control by adding a virtual mass at the mini mechanism end-e ector. Finally, the system's dynamic analysis is used for collision detection of the macro-mini mechanism during planned trajectory motion without the need for force sensors. This last aspect is essential for safe physical human-robot interactions.

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 œuvre 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 œuvre 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. / The software control architectures are the decisional center of robots. Unfortunately, the robots and their architectures suffer from numerous flaws that disrupt and / or compromise the achievement of missions they are assigned. We therefore propose a methodology for designing adaptive control architecture for the implementation of fault tolerance.The first part of this thesis proposes a state of the art of dependability, at first in a generic way before being specified in the context of control architectures. The second part allows us to detail the proposed methodology to identify potential errors of a robot and respond using the means of fault tolerance. The third part presents the experimental context and application in which the proposed methodology will be implemented and described in the fourth part of this manuscript. An experiment highlighting specific aspects of the methodology is detailed in the last part.

Les robots sont tout près d'arriver chez nous. Mais avant cela, ils doivent acquérir la capacité d'interagir physiquement avec les humains, de manière sûre et efficace. De telles capacités sont indispensables pour qu'il puissent vivre parmi nous, et nous assister dans diverses tâches quotidiennes, comme porter une meuble. Dans cette thèse, nous avons pour but de doter le robot humanoïde bipède HRP-2 de la capacité à effectuer des actions haptiques en commun avec l'homme. Dans un premier temps, nous étudions comment des dyades humains collaborent pour transporter un objet encombrant. De cette étude, nous extrayons un modèle global de primitives de mouvement que nous utilisons pour implémenter un comportement proactif sur le robot HRP-2, afin qu'il puisse effectuer la même tâche avec un humain. Puis nous évaluons les performances de ce schéma de contrôle proactif au cours de tests utilisateurs. Finalement, nous exposons diverses pistes d'évolution de notre travail: la stabilisation d'un humanoïde à travers l'interaction physique, la généralisation du modèle de primitives de mouvements à d'autres tâches collaboratives et l'inclusion de la vision dans des tâches collaboratives haptiques. / Robots are very close to arrive in our homes. But before doing so, they must master physical interaction with humans, in a safe and efficient way. Such capacities are essential for them to live among us, and assit us in various everyday tasks, such as carrying a piece of furniture. In this thesis, we focus on endowing the biped humanoid robot HRP-2 with the capacity to perform haptic joint actions with humans. First, we study how human dyads collaborate to transport a cumbersome object. From this study, we define a global motion primitives' model that we use to implement a proactive behavior on the HRP-2 robot, so that it can perform the same task with a human. Then, we assess the performances of our proactive control scheme by perfoming user studies. Finally, we expose several potential extensions to our work: self-stabilization of a humanoid through physical interaction, generalization of the motion primitives' model to other collaboratives tasks and the addition of visionto haptic joint actions.

Cette thèse aborde la problématique du robot assistant et plus particulièrement les aspects décisionnels qui y sont liés. Un robot assistant est amené à interargir avec des hommes ce qui impose qu'il doit intègrer dans son processus décisionnel de haut-niveau les contraintes sociales inhérentes à un comportement acceptable par son(ses) partenaire(s) humain(s). Cette thèse propose une approche permettant de décrire de manière générique diverses règles sociales qui sont introduites dans le processus de planification du robot afin d'évaluer la qualité sociale des plans solutions et de ne retenir que le(s) plus approprié(s). Cette thèse décrit également l'implémentation de cette approche sous la forme d'un planificateur de tâches appelé HATP (Human Aware Task Planner en anglais). Enfin, cette thèse propose une validation de l'approche développée grâce à un scénario de simulation et à une mise en oeuvre sur un robot réel.

L'introduction des robots dans la vie quotidienne apporte un problème important qui "s'ajoute" au "défi standard" des robots autonomes : la présence d'hommes dans son environnement et le besoin d'interagir avec eux. Ce travail s'intéresse aux problèmes de l'interaction proche entre humains et robots, en se plaçant du point de vue des décisions de mouvement qui doivent être prises par le robot pour assurer un mouvement sûr, effectif, compréhensible et confortable pour l'homme. On présente un cadre général de planification de mouvement qui prend explicitement en compte la présence de l'homme. Ce cadre est matérialisé par deux planificateurs. Le premier, "Human-Aware Navigation Planner", est un planificateur de navigation qui raisonne sur la sécurité, la visibilité, la posture et les préférences de l'homme pour générer des mouvements sûrs et confortables pour l'homme. Le deuxième, "Human-Aware Manipulation Planner", est un planificateur qui traite les problèmes de transfert d'objet entre l'homme et le robot. Ce planificateur transforme le problème initial de planification de mouvement en un problème beaucoup plus riche de recherche d'un chemin "pour réaliser une tache" fournissant ainsi la possibilité de raisonner à un niveau d'abstraction supérieur. Les deux planificateurs sont intégrés dans deux plates-formes robotiques, Jido et Rackham, et validés à travers des études utilisateurs dans le cadre du projet européen COGNIRON.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet européen CommRob impliquant des partenaires académiques et industriels. Le but du projet est la conception d'un robot compagnon évoluant en milieu structuré, dynamique et fortement encombré par la présence d'autres agents partageant l'espace (autres robots, humains). Dans ce cadre, notre contribution porte plus spécifiquement sur la perception multimodale des usagers du robot (utilisateur et passants). La perception multimodale porte sur le développement et l'intégration de fonctions perceptuelles pour la détection, l'identification de personnes et l'analyse spatio-temporelle de leurs déplacements afin de communiquer avec le robot. La détection proximale des usagers du robot s'appuie sur une perception multimodale couplant des données hétérogènes issues de différents capteurs. Les humains détectés puis reconnus sont alors suivis dans le flot vidéo délivré par une caméra embarquée afin d'en interpréter leurs déplacements. Une première contribution réside dans la mise en place de fonctions de détection et d'identification de personnes depuis un robot mobile. Une deuxième contribution concerne l'analyse spatio-temporelle de ces percepts pour le suivi de l'utilisateur dans un premier temps, de l'ensemble des personnes situées aux alentours du robot dans un deuxième temps. Enfin, dans le sens des exigences de la robotique, la thèse comporte deux volets : un volet formel et algorithmique qui tire pertinence et validation d'un fort volet expérimental et intégratif. Ces développements s'appuient sur notre plateforme Rackham et celle mise en oeuvre durant le projet CommRob.

Dans le cadre de la robotique d'assistance, cette thèse a pour but de fusionner deux canaux d'informations (visuelles et auditives) dont peut disposer un robot afin de compléter et/ou confirmer les données qu'un seul canal aurait pu fournir, et ce, en vue d'une interaction avancée entre homme et robot. Pour ce faire, nos travaux proposent une interface perceptuelle pour l'interaction multimodale ayant vocation à interpréter conjointement parole et geste, notamment pour le traitement des références spatiales. Nous décrivons dans un premier temps la composante parole de nos travaux qui consiste en un système embarqué de reconnaissance et d'interprétation de la parole continue. Nous détaillons ensuite la partie vision composée d'un traqueur visuel multi-cibles chargé du suivi en 3D de la tête et des deux mains, ainsi que d'un second traqueur chargé du suivi de l'orientation du visage. Ces derniers alimentent un système de reconnaissance de gestes par DBNs décrit par la suite. Nous poursuivons par la description d'un module chargé de la fusion des données issues de ces sources d'informations dans un cadre probabiliste. Enfin, nous démontrons l'intérêt et la faisabilité d'une telle interface multimodale à travers un certains nombre de démonstrations sur les robots du LAAS-CNRS. L'ensemble de ces travaux est fonctionnel en quasi-temps réel sur ces plateformes robotiques réelles.

Les robots sont tout près d'arriver chez nous. Mais avant cela, ils doivent acquérir la capacité d'interagir physiquement avec les humains, de manière sûre et efficace. De telles capacités sont indispensables pour qu'il puissent vivre parmi nous, et nous assister dans diverses tâches quotidiennes, comme porter une meuble. Dans cette thèse, nous avons pour but de doter le robot humanoïde bipède HRP-2 de la capacité à effectuer des actions haptiques en commun avec l'homme. Dans un premier temps, nous étudions comment des dyades humains collaborent pour transporter un objet encombrant. De cette étude, nous extrayons un modèle global de primitives de mouvement que nous utilisons pour implémenter un comportement proactif sur le robot HRP-2, afin qu'il puisse effectuer la même tâche avec un humain. Puis nous évaluons les performances de ce schéma de contrôle proactif au cours de tests utilisateur. Finalement, nous exposons diverses pistes d'évolution de notre travail: la stabilisation d'un humanoïde à travers l'interaction physique, la généralisation du modèle de primitives de mouvements à d'autres tâches collaboratives et l'inclusion de la vision dans des tâches collaboratives haptiques.

Le contexte de la robotique de service est caractérisé par la présence de l'homme dans l'espace de travail du robot. Les mouvements de ces robots ne doivent perturber ni la sécurité de l'homme ni son confort. D'un point de vu planification de mouvement, le planificateur doit d'une part éviter de heurter l'homme ou l'environnement et d'autre part adapter les limites cinématiques du robot en fonction de la proximité de l'homme. A chaque niveau du système (planification et exécution/contrôle), le robot doit garantir la sécurité et le confort de l'homme. Nous proposons une approche de la planification et du contrôle de mouvement basée sur des trajectoires polynomiales. Dans une première partie, nous présentons un générateur de trajectoires qui limite la vitesse, l'accélération et le jerk. Il génère des trajectoires composées de suites de segments de courbes cubiques. Le cas mono-dimensionnel est d'abord présenté puis étendu au cas multi-dimensionnel. Dans une deuxième partie, nous proposons d'approximer les trajectoires par des suites de triplets de segments de courbes cubiques. Cette méthode permet de calculer des trajectoires respectant une erreur maximale donnée. Ces générateurs de trajectoire sont intégrés au planificateur de chemin et produisent des trajectoires directement exécutables. Une application originale de l'approximation permet d'approximer une trajectoire définie dans l'espace cartésien par une trajectoire définie dans l'espace articulaire. Cette approche simplifie la structure du contrôleur du robot. La présence de l'homme dans l'espace de travail du robot nécessite une adaptation des trajectoires pendant l'exécution. Nous proposons une méthode pour adapter la loi de mouvement de la trajectoire multidimensionnelle pendant l'exécution. Ces travaux, menés dans le cadre du projet européen DEXMART et du projet ANR ASSIST, ont été intégrés et validés sur les plateformes Jido et PR2 du LAAS-CNRS.