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.

Cette thèse présente deux nouvelles architectures de commande pour les interactions physiques humain-robot (pHRIs). Ces architectures sont spéciquement développées dans une vision d'implantation en industrie pour les manipulations d'assemblage. En effet, deux types de robots collaboratifs adaptés à dfférentes contraintes de l'industrie et ayant des interfaces d'interactions physiques différentes sont étudiés en utilisant chacun leur propre architecture de commande. Le premier robot collaboratif développé est un manipulateur entièrement actionné permettant des pHRIs dans son espace libre, c.-à-d., des interactions unilatérales, et des pHRIs lorsque ses mouvements sont contraints par un environnement quelconque, c.-à-d., des interactions bilatérales. Les interactions de l'humain peuvent s'effectuer sur n'importe quelles parties du robot grâce aux capteurs de couples dans les articulations. Cependant, si une amplication des forces de l'humain sur l'environnement est désirée, alors il est nécessaire d'utiliser le capteur d'efforts supplémentaire attaché au robot. Ceci permet à la commande, en combinant les lectures du capteur d'efforts à l'effecteur, d'utiliser le ratio des forces appliquées indépendamment par l'opérateur et par l'environnement an de générer l'amplication désirée. Cette loi de commande est basée sur l'admittance variable qui a déjà démontré ses bénéces pour les interactions unilatérales. Ici, l'admittance variable est adaptée aux interactions bilatérales an d'obtenir un seul algorithme de commande pour tous les états. Une loi de transition continue peut alors être dénie an d'atteindre les performances optimales pour chaque mode d'interaction qui, en fait, nécessitent chacun des valeurs de paramètres spéciques. Le cheminement et les résultats pour arriver à cette première architecture de commande sont présentés en trois étapes. Premièrement, la loi de commande est implémentée sur un prototype à un degré de liberté (ddl) an de tester le potentiel d'amplication et de transition, ainsi que la stabilité de l'interaction. Deuxièmement, un algorithme d'optimisation du régulateur pour les interactions bilatérales avec un robot à plusieurs ddls est développé. Cet algorithme vérie la stabilité robuste du système en utilisant l'approche des valeurs singulières structurées (- analysis), pour ensuite faire une optimisation des régulateurs stables en fonction d'une variable liée à la conguration du manipulateur. Ceci permet d'obtenir une loi de commande variable qui rend le système stable de façon robuste en atteignant des performances optimales peu iii importe la conguration des articulations du robot. La loi de commande trouvée utilise un séquencement de gain pour les paramètres du régulateur par admittance durant les interactions bilatérales. La stabilité et la performance du système sont validées avec des tests d'impact sur différents environnements. Finalement, la loi de commande en admittance variable optimale est implémentée et validée sur un robot manipulateur à plusieurs ddls (Kuka LWR 4) à l'aide de suivis de trajectoire pour des interactions unilatérales et bilatérales. Le deuxième robot collaboratif développé est un manipulateur partiellement actif et partiellement passif. L'architecture mécanique du robot est appelée macro-mini. Tous les degrés de liberté actionnés faisant partie du macro manipulateur sont doublés par les articulations passives du mini manipulateur. Le robot est alors sous-actionné. L'opérateur humain interagit uniquement avec le mini manipulateur, et donc, avec les articulations passives ce qui élimine tous délais dans la dynamique d'interaction. Ce robot collaboratif permet de dénir une loi de commande qui génère une très faible impédance lors des interactions de l'opérateur, et ce, même pour des charges utiles élevées. Malgré que des amplications de force ne peuvent être produites, les interactions bilatérales ont une stabilité assurée peu importe la situation. Aussi, les modes coopératif et autonome du robot utilisent les mêmes valeurs de paramètres de commande ce qui permet une transition imperceptible d'un à l'autre. La nouvelle loi de commande est comparée sur plusieurs aspects avec la commande en admittance variable précé- demment développée. Les résultats démontrent que cette nouvelle loi de commande combinée à l'architecture active-passive du macro-mini manipulateur, appelé uMan, permet des interactions intuitives et sécuritaires bien supérieures à ce qu'un système entièrement actionné peut générer. De plus, pour l'assistance autonome, une détection de collision avancée et une plani cation de trajectoire adaptée à l'architecture du robot sont développées. Des validations expérimentales sont présentées an d'évaluer la facilité à produire des manipulations nes, de démontrer la sécurité du système et d'établir la viabilité du concept en industrie. / This thesis presents two novel control architectures for physical human-robot interactions (pHRIs) which are specically designed for the assembly industry. Indeed, two types of pHRI manipulators, each adapted to different industrial constraints and with different physical interaction interfaces, are studied each with their own control architecture. The rst pHRI manipulator designed is fully actuated and allows pHRIs in its free space, i.e., unilateral interactions, as well as pHRIs when its motion is constrained by the environment, i.e., bilateral interactions. The human force input can be applied on any of the manipulator's links because of the torque sensors in the robot joints. However, if a human force amplication is desired on the environment, then it is required to use the additional force sensor appended to the robot. Using this approach, combined with the signal of the force sensor at the end effector, it is then possible to use the ratio between the human and environment forces in order to generate the desired amplication. This control law is based on the concept of variable admittance control which has already demonstrated its great benets for unilateral interactions. Here, this concept is extended to bilateral interactions in order to obtain a single control algorithm for both states. A continuous transition can thus be implemented between both interaction modes which require different parameter values in order to achieve their optimal performance. The workow and results to achieve this rst control architecture are presented in three steps. Firstly, the control law is implemented on a single-degree-of-freedom (dof) prototype in order to test the amplication and transition potential, as well as the stability of the interaction. Secondly, a control optimisation algorithm is developed for bilateral interactions with a multidof robot. This algorithm assesses the system's robust stability using the structured singular value approach (-analysis), to afterwards, optimize the stable controllers in relation to a manipulator's conguration-dependent variable. This approach leads to a variable control law yielding a robustly stable system that can reach optimal performances for any robot conguration. In fact, the admittance regulator parameters follow a gain scheduling paradigm for bilateral interactions. The stability and performance of the system are assessed using impact tests on different environments. Finally, the optimal variable admittance control law is implemented and validated on a multi-dof robot (Kuka LWR 4) using different trajectory v tracking tasks for unilateral and bilateral interactions. The second pHRI manipulator designed is partially active and partially passive. The robot's mechanical architecture is known as a macro-mini. All actuated dofs which are part of the macro manipulator are doubled with passive joints which are part of the mini manipulator. This robot is therefore underactuated. The human operator interacts solely with the mini manipulator and, thereby, solely with the passive joints which leads to an interaction dynamics free of any delay. It is possible with this pHRI manipulator to dene a control law that yields an extremely low interaction impedance, even for heavy payloads. Despite the fact that force amplication is impractical with this kind of mechanism, bilateral interactions are stable for all sorts of contact. Moreover, the robot's cooperative and autonomous modes use similar control parameter values which enables an imperceptible transition from one mode to the other. The new control law is compared on different aspects with the previously-dened variable admittance control law. Results show that this new control law combined with the active-passive macro-mini manipulator, also known as uMan, leads to intuitive and safe interactions that are considerably superior to any interaction using a fully actuated manipulator. Furthermore, for the autonomous mode, an advanced collision detection and a specicallyadapted trajectory planning are developed. Experimental validations are presented in order to assess the ease of ne manipulation, to demonstrate the system's safety, and to establish the viability of the concept for the industry.

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.