L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches pour le développement de systèmes robotiques capables de partager en toute sécurité leur espace de travail avec des opérateurs humains. Dans ce contexte, le travail présenté est axé principalement sur la problématique de commande. Les questions suivantes sont abordées:- pour des lois de contrôle réactives, c'est-à-dire des problèmes de commande où la tâche à exécuter n'est pas connue à l'avance mais découverte en temps réel, comment est-il possible de garantir à chaque pâs de temps l'existence d'une solution au problème de contrôle? Cette solution devrait permettre au robot d'accomplir au mieux sa tâche préscrite et en même temps de strictement respecter les contraintes existantes, parmi lesquelles, les contraintes liées aux limitations physiques des actionneurs de ses articulations.- Comment intégrer l'opérateur humain dans la boucle de contrôle du robot de manière à ce que le contact physique puisse être engagé et désengagé en toute sécurité? Concernant le premier point, notre travail se présente comme la continuité de résultats antérieurs développés par Sébastien Rubrecht lors de sa thèse de doctorat. Sébastien Rubrecht a introduit le concept d'incompatibilité des contraintes pour des robots contrôlés de manière réactive au niveau cinématique. Le problème de l'incompatibilité des contraintes apparaît par exemple lorsque la formulation de la contrainte sur une position articulaire d'un robot ne tient pas compte de la quantité de décélération produite par son actionneur. Dans ce cas, si la contrainte de position articulaire est activée tardivement, le système peut se retrouver dans une situation où il n'a pas suffisamment de temps pour faire face à la limite de position articulaire imposée considérant ses capacités dynamiques limités... / The intended goal of this thesis is to bring new insights for developing robotic systems capable of safely sharing their workspace with human-operators. Within this context, the presented work focuses on the control problem. The following questions are tackled:-for reactive control laws, i.e., control problems where the task to be performed is not known in advance but discovered on-line, how is it possible to guarantee for every time-step the existence of a solution to the control problem? This solution should allow the robot to accomplish at best its prescribed task and at the same time to strictly comply with existing constraints, among which, constraints related to the physical limitations of its actuators and joints.-How to integrate the human-operator in the control loop of the robot so that physical contact can safely be engaged and de-engaged? Regarding the first point, our work arises as the continuity of previous results developed by Sébastien Rubrecht during his PhD thesis. Sébastien Rubrecht introduced the concept of constraints incompatibility for robots reactively controlled at the kinematic-level. The problem of constraints incompatibility appears for example when the formulation of the constraint on an articular position of a robot does not account for the amount of deceleration producible by its actuator. In such case, if the articular position constraint is activated tardively, the system may not have sufficient time to cope with the imposed joint position limit considering its bounded dynamic capabilities.

Hier fiction, maintenant réalité, le robot humanoïde, machine intelligente créée sur le modèle humain, concrétise des rêves ancestraux, avec pour ambition que la copie puisse égaler ou dépasser son modèle et créateur ; voire effectuer un bond dans l’évolution, par delà l’altérité homme/machine et la finitude. Afin de questionner ce qui sous-tend la réalisation du robot, ses enjeux, et ce que ses caractéristiques disent de l’homme aujourd’hui, cette réflexion revisite ses traces mythologiques et techniques depuis l’Antiquité, puis aborde les principaux axes de recherche en robotique interactive. Au regard de la contextualité contemporaine sous le règne de la science et du néolibéralisme, et marquée par l’imaginaire de la science-fiction, des nouvelles technologies, et par l’héritage de la mort collective du 20e siècle ; sont examinésles fantasmes originaires et la dynamique pulsionnelle (concernant notamment l’emprise et la satisfaction, les interactions précoces, et la formation du double) à l’oeuvre dans l’avènement du robot humanoïde. En approchant ce que l’humain reproduit sciemment dans son double technologique, et tout ce qu’à son insu il y dépose, transparaît l’empreinte de la répétition et des tentatives de subjectivation de la place du sujet dans la filiation et du legs transgénérationnel en ce qu’il a d’irreprésentable ou de traumatique. Tenant de l’invention scientifique, du symptôme, de l’objet transitionnel et de l’oeuvre d’art, le robot humanoïde procède d’une double résistance, se traduisant en potentialités de répétition aliénante ou de subjectivation réparatrice, susceptibles de s’actualiser pendant la réalisation du robot ou dans l’interaction avec lui. / Yesterday a fiction, now a reality, the humanoid robot, an intelligent machine designed after the human model, embodies ancestral dreams, with the aim that the copy meets or exceeds its model and creator, or even makes a jump in evolution, beyond the difference between humans and machines and beyond death. This study addresses what underlies the realization of robots, the challenges they open up to, and what their characteristics may say about humans today.After examining the mythological and technical origins of the robot, it presents today’s key research topics in the field of human-robot interaction. With regards to the contemporary context dominated by science and neoliberalism, and marked by the imagination of science fiction and new technologies, as well as by the 20th century’s collective death inheritance,this work studies the original fantasies and the drive dynamics involved in the advent of the humanoid robot. The repetition compulsion and the human attempts to subjectify their position in the lineage and their transgenerational legacy in its unrepresentable or traumatic parts, show when approaching what humans deliberately reproduce in their artificial double,as well as what they deposit in it unknowingly. Though mainly a scientific invention and a technological tool, the humanoid robot may be regarded as a symptom, a transitional object or a piece of art. This particular status translates into a double ambivalent psychological resistance: constructing the humanoid robot and interacting with it, may develop into analienating repetition compulsion, as well as revive the subjectivation process.

Que cela soit par des automates puis par des robots, l'Homme a été fasciné par des machines pouvant exécuter des tâches pour lui, dans de nombreux domaines, comme l'industrie ou les services : c'est ce dernier domaine qui nous sert de contexte. Ainsi, nous avons utilisé une approche développementale, où le robot se doit d'apprendre de nouvelles tâches au cours de sa vie. Inspiré par des théories sur le développement de l'enfant, nous avons extrait les concepts intéressants pour les implémenter sur une plateforme robotique humanoïde : l'iCub. L'acquisition du langage est une première étape, où la capacité à classifier les mots, de classes ouvertes et de classes fermées permet d'obtenir une syntaxe qui aide l'enfant à construire le lien entre une phrase et son sens. Cette méthode a été implémentée grâce à un réseau de neurones récurrents, utilisant une base de données fournit par l'humain en interagissant avec le robot. La maîtrise du langage permet à l'enfant de participer à des actions plus complexes, en particulier des tâches collaboratives où la parole est requise de négocier le mode d'apprentissage sur plusieurs modalités. Implémenté sur l'iCub et le Nao, cela permet un apprentissage en temps réel et de réaliser un plan partagé. Enfin, nous avons étudié le fonctionnement de la mémoire autobiographique, cruciale pour se remémorer des épisodes passés de sa vie, d'en tirer des prédictions et de les appliquer dans le futur. En recréant cette mémoire en SQL et formatant les données en PDDL, l'iCub est alors capable de raisonner en fonction de sa propre expérience, lui permettant ainsi de résoudre le problème des Tours d'Hanoi sans jamais l'avoir visualisé avant / From automata to robots, the Human has always been fascinated by machines which could execute tasks for him, in several domains like industry or services. Indeed, we have used a developmental approach, where the robot has to learn new tasks during his life. Inspired by theories in child development, we have extracted the interesting concepts to implement them on a humanoid robotic platform : the iCub. Language acquisition is a first step, where the capacity to classify closed and opened class words allows to obtain a syntax which help the children to make the link between a sentence and its meaning. This method has been implemented with a recurrent neural network, using a database provided from the human by interaction with the robot. The control of the language allows the children to participate in more complex actions, in particular cooperative tasks, where speech is required to negotiate the learning mode within several modalities. Implemented on the iCub and the Nao, this allows a real-time learning and to realize a shared plan. Eventually, we have studied the functioning of the autobiographical memory, crucial toremember episodes of his life, to extract predictions from and to apply them in the future. By recreating this memory in SQL, and by formatting the data in PDDL, the iCub is then capable of reasoning in function of his own experience, allowing him to solve the Tower of Hanoi problem without knowing the solution before

Que ce soit dans un contexte industriel ou quotidien, les robots deviennent de plus en plus présents dans notre environnement et sont désormais capables d'interagir avec des humains. Dans les milieux industriels, des robots viennent notamment assister les opérateurs des chaînes d'assemblage pour des tâches fatigantes et dangereuses. Robots et opérateurs sont alors amenés à partager le même espace physique (coprésence) et à effectuer des tâches en commun (collaboration). Alors que la sécurité des humains à proximité des robots doit être garantie à tout instant, il convient également de déterminer si le travail collaboratif est accepté par les opérateurs, en termes d'utilisabilité et d'utilité.La première problématique de la thèse consiste à déterminer quelles sont les composantes importantes rentrant en jeu dans l'acceptabilité de la collaboration homme-robot, du point de vue des opérateurs. Différents facteurs peuvent influencer cette acceptabilité : l'apparence des robots et leurs mouvements, la distance de sécurité ou encore le mode d'interaction avec le robot.Afin d'étudier le maximum de facteurs, nous proposons d'utiliser la réalité virtuelle pour mener des tests utilisateurs en environnement virtuel. Nous utilisons des questionnaires pour recueillir les impressions subjectives des opérateurs et des mesures physiologiques pour estimer leur état affectif (stress, effort). La deuxième problématique de la thèse consiste à déterminer si une méthodologie utilisant la réalité virtuelle est pertinente pour cette évaluation : les résultats issus des tests en environnement virtuel rendent-ils bien compte de la situation réelle ?Pour répondre aux problématiques de la thèse, trois cas d'étude ont été mis en place et quatre expérimentations ont été menées. Deux de ces expérimentations ont été reproduites à la fois en environnements réel et virtuel afin d'évaluer la pertinence des résultats issus de la situation virtuelle par rapport à la situation réelle. / Either in the context of the industry or of the everyday life, robots are becoming more and more present in our environment and are nowadays able to interact with humans. In industrial environments, robots now assist operators on the assembly lines for difficult and dangerous tasks. Then, robots and operators need to share the same physical space (copresence) and to manage common tasks (collaboration). On the one side, the safety of humans working near robots has to be guaranteed at all time. On the other hand, it is necessary to determine if such a collaborative work is accepted by the operators, in terms of usability and utility.The first problematic of the thesis consists in determining the important criteria that play a role in the acceptability, from the operators' point of view. Different factors can influence this acceptability: robot appearance, robot movements, safety distance or interaction modes with the robot.In order to study as many factors as possible, we intend to use virtual reality to perform user studies in virtual environments. We are using questionnaires to gather subjective impressions from operators and physiological measures to estimate their affective states (stress, effort). The second problematic of the thesis consists in determining if a methodology using virtual reality is relevant for this evaluation: can the results from studies in virtual environments be reproducible in equivalent physical situations?In order to answer the problematics of the thesis, three use cases have been implemented and four studies have been performed. Two of those studies rely on a physical situation and its virtual reality counterpart in order to evaluate the relevance of the results of the virtual situation compared to the real situation.

Les robots collaboratifs sont de plus en plus présents dans nos vies quotidiennes. En milieu industriel, ils sont une solution privilégiée pour rendre les chaînes de montage plus flexibles, rentables et diminuer la pénibilité du travail des opérateurs. Pour permettre une collaboration fluide et efficace, les robots doivent être capables de comprendre leur environnement, en particulier les actions humaines.Dans cette optique, nous avons décidé d’étudier la reconnaissance de gestes techniques afin que le robot puisse se synchroniser avec l’opérateur, adapter son allure et comprendre si quelque chose d’inattendu survient.Pour cela, nous avons considéré deux cas d’étude, un cas de co-présence et un cas de collaboration, tous les deux inspirés de cas existant sur les chaînes de montage automobiles.Dans un premier temps, pour le cas de co-présence, nous avons étudié la faisabilité de la reconnaissance des gestes en utilisant des capteurs inertiels. Nos très bons résultats (96% de reconnaissances correctes de gestes isolés avec un opérateur) nous ont encouragés à poursuivre dans cette voie.Sur le cas de collaboration, nous avons privilégié l’utilisation de capteurs non-intrusifs pour minimiser la gêne des opérateurs, en l’occurrence une caméra de profondeur positionnée avec une vue de dessus pour limiter les possibles occultations.Nous proposons un algorithme de suivi des mains en calculant les distances géodésiques entre les points du haut du corps et le haut de la tête. Nous concevons également et évaluons un système de reconnaissance de gestes basé sur des Chaînes de Markov Cachées (HMM) discrètes et prenant en entrée les positions des mains. Nous présentons de plus une méthode pour adapter notre système de reconnaissance à un nouvel opérateur et nous utilisons des capteurs inertiels sur les outils pour affiner nos résultats. Nous obtenons le très bon résultat de 90% de reconnaissances correctes en temps réel pour 13 opérateurs.Finalement, nous formalisons et détaillons une méthodologie complète pour réaliser une reconnaissance de gestes techniques sur les chaînes de montage. / Collaborative robots are becoming more and more present in our everyday life. In particular, within the industrial environment, they emerge as one of the preferred solution to make assembly line in factories more flexible, cost-effective and to reduce the hardship of the operators’ work. However, to enable a smooth and efficient collaboration, robots should be able to understand their environment and in particular the actions of the humans around them.With this aim in mind, we decided to study technical gestures recognition. Specifically, we want the robot to be able to synchronize, adapt its speed and understand if something unexpected arises.We considered two use-cases, one dealing with copresence, the other with collaboration. They are both inspired by existing task on automotive assembly lines.First, for the co-presence use case, we evaluated the feasibility of technical gestures recognition using inertial sensors. We obtained a very good result (96% of correct recognition with one operator) which encouraged us to follow this idea.On the collaborative use-case, we decided to focus on non-intrusive sensors to minimize the disturbance for the operators and we chose to use a depth-camera. We filmed the operators with a top view to prevent most of the potential occultations.We introduce an algorithm that tracks the operator’s hands by calculating the geodesic distances between the points of the upper body and the top of the head.We also design and evaluate an approach based on discrete Hidden Markov Models (HMM) taking the hand positions as an input to recognize technical gestures. We propose a method to adapt our system to new operators and we embedded inertial sensors on tools to refine our results. We obtain the very good result of 90% of correct recognition in real time for 13 operators.Finally, we formalize and detail a complete methodology to realize technical gestures recognition on assembly lines.

Au cours des dernières années, la communauté robotique s'est largement intéressée au domaine de l'interaction homme-robot (HRI). Un des aspects de ce domaine est de faire agir les robots en présence de l'homme, tout en respectant sa sécurité ainsi que son confort. Pour atteindre cet objectif, un robot doit planifier ses actions tout en prenant explicitement en compte les humains afin d'adapter le plan à leurs positions, leurs capacités et leurs préférences. La première partie de cette thèse concerne les transferts d'objets entre humains et robots : où, quand et comment les effectuer? Dépendant des préférences de l'Homme, il est parfois préférable, ou pas, partager l'effort du transfert d'objet entre lui et le robot, mais encore, à certains moments, un seul transfert d'objet n'est pas suffisant pour atteindre l'objectif (amener l'objet à un agent cible), le robot doit alors planifier une séquence de transfert d'objet entre plusieurs agents afin d'arriver à ses fins. Quel que soit le cas, pendant le transfert d'objet, un certain nombre de signaux doivent être échangés par les deux protagonistes afin de réussir l'action. Un des signaux les plus utilisés est le regard. Lorsque le donneur tend le bras afin de transférer l'objet, il doit regarder successivement le receveur puis l'objet afin de faciliter le transfert. Le transfert d'objet peut être considéré comme une action de base dans un plan plus vaste, nous amenant à la seconde partie de cette thèse qui présente une formalization de ce type d'actions de base" et d'actions plus complexes utilisant des conditions, des espaces de recherche et des contraintes. Cette partie rend aussi compte du framework et des différents algorithmes utilisés pour résoudre et calculer ces actions en fonction de leur description. La dernière partie de la thèse montre comment ce framework peut s'adapter à un planificateur de plus haut niveau (un planificateur de tâches par exemple) et une méthode pour combiner la planification symbolique et géométrique. Le planificateur de tâches utilise des appels à des fonctions externes lui permettant de vérifier la faisabilité de la tâche courante, et en cas de succès, de récupérer l'état du monde fourni par le raisonneur géométrique et de l'utilisé afin de poursuivre la planification. Cette partie montre également différentes extensions de cette algorithme, tels que les \validation géométriques" où nous testons l'infaisabilité de plusieurs actions à la fois ou \les contraintes" où l'ajout de contraintes au niveau symbolique peut dirigée la recherche géométrique ou encore \recherche dirigé par coût" où le planificateur symbolique utilise les informations fournies par la partie géométrique afin d'éviter le calcul de plans moins intéressants. / In the last few years, the Human robot interaction (HRI) field has been in the spotlight of the robotics community. One aspect of this field is making robots act in the presence of humans, while keeping them safe and comfortable. In order to achieve this, a robot needs to plan its actions while explicitly taking into account the humans and adapt its plans to their whereabouts, capacities and preferences. The first part of this thesis is about human-robot handover: where, when and how to perform them? Depending on the human preferences, it may be better, or not, to share the handover effort between him and the robot, while in other cases, a unique handover might not be enough to achieve the goal (bringing the object to a target agent) and a sequence of handovers might be needed. In any case, during the handover, a number of cues should be used by both protagonists involved in one handover. One of the most used cue is the gaze. When the giver reaches out with his arm, he should look at the object, and when the motion is finished, he should look at the receiver's face to facilitate the transfer. The handover can be considered as a basic action in a bigger plan. The second part of this thesis reports about a formalization of these kind of basic actions" and more complex ones by the use of conditions, search spaces and restraints. It also reports about a framework and different algorithms used to solve and compute these actions based on their description. The last part of the thesis shows how the previously cited framework can fit in with a higher level planner (such as a task planner) and a method to combine a symbolic and geometric planner. The task planner uses external calls to the geometric planner to assess the feasibility of the current task, and in case of success, retrieve the state of the world provided by the geometric reasoner and use it to continue the planning. This part also shows different extensions enabling a faster search. Some of these extensions are \Geometric checks" where we test the infeasibility of multiple actions at once, \constraints" where adding constraints at the symbolic level can drive the geometric search, and \cost driven search" where the symbolic planner uses information form the geometric one to prune out over costly plans.

Les travaux de recherche de cette thèse portent sur l'amélioration des capacités sociales d'un système conversationnel en interaction avec un humain. Lorsque le système n'est pas dédié à une tâche particulière, il doit tenir compte de difficultés relevant de l'interaction sociale elle-même. L'humour est un mécanisme naturel dans les interactions sociales. Nous considérons un humour-machine comme une simulation de comportements simplifiés des capacités humoristiques humaines: dérision, blagues, jeux de mots. Les travaux de cette thèse s'appuient sur des théories issues de domaines variés en sociologie, psychologie, neurosciences et linguistique pour l'intégration de cet humour-machine dans un système robotique. Implémentées dans certains systèmes de dialogue, ces capacités humoristiques sont cependant rarement utilisées pour pouvoir choisir les comportements à générer du robot. Dans nos travaux, la mise en œuvre des comportements humoristiques du système en conversation est réalisée en utilisant la théorie des rites d'interaction. L'estimation de la face de l'interlocuteur permet de diriger le comportement du robot dans la conversation casuelle humoristique. Les facteurs expressifs d'une perte ou d'une valorisation de la face sont liés à des états mentaux exprimés dans une situation donnée. Pour réaliser cette estimation de la face, nous étudions, à partir de corpus créés à cet effet, les réactions comportementales, affectives et expressives des participants à différents types d'humour réalisés par le robot et ayant des impacts variables sur celle-ci (l'humour prenant pour cible le robot, le participant ou un autre sujet). Les réactions des participants à l'humour sont établies sur une représentation multi-niveaux d'indices émotionnels, comportementaux et linguistiques, extraits à partir de l'audio.Des règles sont ainsi construites à partir de l'apprentissage automatique de ces indices issus des corpus, concernant l'appréciation de la réaction des participants à l'humour et la mise à jour de l'estimation de la face présentée du participant. Leur implémentation dans un système automatique nous permet de les évaluer. De nombreuses expérimentations ont été menées avec des publics variés : personnes âgées, adultes, adolescents. Enfin, l'utilisation des préférences du participant à l'humour dans la conversation fait émerger des questions éthiques, notamment face au pouvoir persuasif et manipulateur de l'humour. / This doctoral dissertation is about the improvement of social capacities of a conversationnal system to interact with humans. When the system is not dedicated to one particular task, it must take into account the inherent difficulties of social interaction it-self. Humor is a natural mechanism present in social interactions. We consider humour in a robotic system as a simulation of simplified behaviors from human humor : derision, jokes, puns. This work is based on theories issued from various research domains as sociology, psychology, neurosciences and linguistics to enable integration of humor in a robotic system. Implemented in some dialog systems, humorous capacities are however rarely used when programming the robot’s behavior. In our study, the humourous behavior is implemented in the system by using the ritual theory of face-work. The face analysis of the interlocutor can be used to direct the robot’s reactions during a casual humorous talk. In order to evaluate the faces of participants in interaction, we study, using data collections created for this purpose, the participant’s behavior, emotionnal and expressive responses to different types of humor (humorous act targeting the robot, the participant or a neutral subject). Participant's reaction to humor are made upon a multi-level processing of emotionnal, linguistic and behavioral cues.Machine learning is used to extract rules defining appreciation or not and update the participant's face evaluation in regards of the humorous act produced by the robot. An implementation of these rules in an automatic dialog system allows us to evaluate their accuracy. Numerous experiments were carried out on various populations : elderly persons, adults, teenagers. Finally, the use of the participant’s preferences in the conversation raises ethical questions, in particular against the persuasive and manipulative power of humor.

Cette thèse a été effectuée dans le cadre du projet européen Koroibot dont l'objectif est le développement d'algorithmes de marche avancés pour les robots humanoïdes. Dans le but de contrôler les robots d'une manière sûre et efficace chez les humains, il est nécessaire de comprendre les règles, les principes et les stratégies de l'homme lors de la locomotion et de les transférer à des robots. L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'identifier les stratégies de locomotion humaine et créer des algorithmes qui pourraient être utilisés pour améliorer les capacités du robot. La contribution principale est l'analyse sur les principes de piétons qui guident les stratégies d'évitement des collisions. En particulier, nous observons comment les humains adapter une tâche de locomotion objectif direct quand ils ont à interférer avec un obstacle en mouvement traversant leur chemin. Nous montrons les différences entre la stratégie définie par les humains pour éviter un obstacle non-collaboratif et la stratégie pour éviter un autre être humain, et la façon dont les humains interagissent avec un objet si se déplaçant en manier simil à l'humaine. Deuxièmement, nous présentons un travail effectué en collaboration avec les neuroscientifiques de calcul. Nous proposons une nouvelle approche pour synthétiser réalistes complexes mouvements du robot humanoïde avec des primitives de mouvement. Trajectoires humaines walking-to-grasp ont été enregistrés. L'ensemble des mouvements du corps sont reciblées et proportionnée afin de correspondre à la cinématique de robots humanoïdes. Sur la base de cette base de données des mouvements, nous extrayons les primitives de mouvement. Nous montrons que ces signaux sources peuvent être exprimées sous forme de solutions stables d'un système dynamique autonome, qui peut être considéré comme un système de central pattern generators (CPGs). Sur la base de cette approche, les stratégies réactives walking-to-grasp ont été développés et expérimenté avec succès sur le robot humanoïde HRP-2 au LAAS-CNRS. Dans la troisième partie de la thèse, nous présentons une nouvelle approche du problème de pilotage d'un robot soumis à des contraintes non holonomes par une porte en utilisant l'asservissement visuel. La porte est représentée par deux points de repère situés sur ses supports verticaux. La plan géométric qui a été construit autour de la porte est constituée de faisceaux de hyperboles, des ellipses et des cercles orthogonaux. Nous montrons que cette géométrie peut être mesurée directement dans le plan d'image de la caméra et que la stratégie basée sur la vision présentée peut également être lié à l'homme. Simulation et expériences réalistes sont présentés pour montrer l'efficacité de nos solutions. / This thesis has been done within the framework of the European Project Koroibot which aims at developing advanced algorithms to improve the humanoid robots locomotion. It is organized in three parts. With the aim of steering robots in a safe and efficient manner among humans it is required to understand the rules, principles and strategies of human during locomotion and transfer them to robots. The goal of this thesis is to investigate and identify the human locomotion strategies and create algorithms that could be used to improve robot capabilities. A first contribution is the analysis on pedestrian principles which guide collision avoidance strategies. In particular, we observe how humans adapt a goal-direct locomotion task when they have to interfere with a moving obstacle crossing their way. We show differences both in the strategy set by humans to avoid a non-collaborative obstacle with respect to avoid another human, and the way humans interact with an object moving in human-like way. Secondly, we present a work done in collaboration with computational neuroscientists. We propose a new approach to synthetize realistic complex humanoid robot movements with motion primitives. Human walking-to-grasp trajectories have been recorded. The whole body movements are retargeted and scaled in order to match the humanoid robot kinematics. Based on this database of movements, we extract the motion primitives. We prove that these sources signals can be expressed as stable solutions of an autonomous dynamical system, which can be regarded as a system of coupled central pattern generators (CPGs). Based on this approach, reactive walking-to-grasp strategies have been developed and successfully experimented on the humanoid robot HRP at LAAS-CNRS. In the third part of the thesis, we present a new approach to the problem of vision-based steering of robot subject to non-holonomic constrained to pass through a door. The door is represented by two landmarks located on its vertical supports. The planar geometry that has been built around the door consists of bundles of hyperbolae, ellipses, and orthogonal circles. We prove that this geometry can be directly measured in the camera image plane and that the proposed vision-based control strategy can also be related to human. Realistic simulation and experiments are reported to show the effectiveness of our solutions.

Avec le développement de la robotique cognitive, le besoin d’outils avancés pour représenter, manipuler, raisonner sur les connaissances acquises par un robot a clairement été mis en avant. Mais stocker et manipuler des connaissances requiert tout d’abord d’éclaircir ce que l’on nomme connaissance pour un robot, et comment celle-ci peut-elle être représentée de manière intelligible pour une machine. Ce travail s’efforce dans un premier temps d’identifier de manière systématique les besoins en terme de représentation de connaissance des applications robotiques modernes, dans le contexte spécifique de la robotique de service et des interactions homme-robot. Nous proposons une typologie originale des caractéristiques souhaitables des systèmes de représentation des connaissances, appuyée sur un état de l’art détaillé des outils existants dans notre communauté. Dans un second temps, nous présentons en profondeur ORO, une instanciation particulière d’un système de représentation et manipulation des connaissances, conçu et implémenté durant la préparation de cette thèse. Nous détaillons le fonctionnement interne du système, ainsi que son intégration dans plusieurs architectures robotiques complètes. Un éclairage particulier est donné sur la modélisation de la prise de perspective dans le contexte de l’interaction, et de son interprétation en terme de théorie de l’esprit. La troisième partie de l’étude porte sur une application importante des systèmes de représentation des connaissances dans ce contexte de l’interaction homme-robot : le traitement du dialogue situé. Notre approche et les algorithmes qui amènent à l’ancrage interactif de la communication verbale non contrainte sont présentés, suivis de plusieurs expériences menées au Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes au CNRS à Toulouse, et au groupe Intelligent Autonomous System de l’université technique de Munich. Nous concluons cette thèse sur un certain nombre de considérations sur la viabilité et l’importance d’une gestion explicite des connaissances des agents, ainsi que par une réflexion sur les éléments encore manquant pour réaliser le programme d’une robotique “de niveau humain” / With the rise of the so-called cognitive robotics, the need of advanced tools to store, manipulate, reason about the knowledge acquired by the robot has been made clear. But storing and manipulating knowledge requires first to understand what the knowledge itself means to the robot and how to represent it in a machine-processable way. This work strives first at providing a systematic study of the knowledge requirements of modern robotic applications in the context of service robotics and human-robot interaction. What are the expressiveness requirement for a robot? what are its needs in term of reasoning techniques? what are the requirement on the robot's knowledge processing structure induced by other cognitive functions like perception or decision making? We propose a novel typology of desirable features for knowledge representation systems supported by an extensive review of existing tools in our community. In a second part, the thesis presents in depth a particular instantiation of a knowledge representation and manipulation system called ORO, that has been designed and implemented during the preparation of the thesis. We elaborate on the inner working of this system, as well as its integration into several complete robot control stacks. A particular focus is given to the modelling of agent-dependent symbolic perspectives and their relations to theories of mind. The third part of the study is focused on the presentation of one important application of knowledge representation systems in the human-robot interaction context: situated dialogue. Our approach and associated algorithms leading to the interactive grounding of unconstrained verbal communication are presented, followed by several experiments that have taken place both at the Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes at CNRS, Toulouse and at the Intelligent Autonomous System group at Munich Technical University. The thesis concludes on considerations regarding the viability and importance of an explicit management of the agent's knowledge, along with a reflection on the missing bricks in our research community on the way towards "human level robots"

Les premiers robots sont apparus dans les usines, sous la forme d'automates programmables. Ces premières formes robotiques ont le plus souvent un nombre très limité de capteurs et se contentent de répéter une séquence de mouvements et d'actions. De nos jours, de plus en plus de robots ont à interagir ou coopérer avec l'homme, que se soit sur le lieu de travail avec les robots coéquipiers ou dans les foyers avec les robots d'assistance. Mettre un robot dans un environnement humain soulève de nombreuses problématiques. En effet, pour évoluer dans le même environnement que l'homme et comprendre cet environnement, le robot doit être doté de capacités cognitives appropriées. Au delà de la compréhension de l'environnement matériel, le robot doit être capable de raisonner sur partenaires humains afin de pouvoir collaborer avec eux ou les servir au mieux. Lorsque le robot interagit avec des humains, l'accomplissement de la tâche n'est pas un critère suffisant pour quantifier la qualité de l'interaction. En effet, l'homme étant un être social, il est important que le robot puisse avoir des mécanismes de raisonnement lui permettant d'estimer également l'état mental de l'homme pour améliorer sa compréhension et son efficacité, mais aussi pour exhiber des comportements sociaux afin de se faire accepter et d'assurer le confort de l'humain. Dans ce manuscrit, nous présentons tout d'abord une infrastructure logicielle générique (indépendante de la plateforme robotique et des capteurs utilisés) qui permet de construire et maintenir une représentation de l'état du monde à l'aide de l'agrégation des données d'entrée et d'hypothèses sur l'environnement. Cette infrastructure est également en charge de l'évaluation de la situation. En utilisant l'état du monde qu'il maintient à jour, le système est capable de mettre en oeuvre divers raisonnements spatio-temporels afin d'évaluer la situation de l'environnement et des agents (humains et robots) présents. Cela permet ainsi d'élaborer et de maintenir une représentation symbolique de l'état du monde et d'avoir une connaissance en permanence de la situation des agents. Dans un second temps, pour aller plus loin dans la compréhension de la situation des humains, nous expliquerons comment nous avons doté notre robot de la capacité connue en psychologie développementale et cognitive sous le nom de “théorie de l'esprit” concrétisée ici par des mécanismes permettant de raisonner en se mettant à la place de l'humain, c'est à dire d'être doté de “prise de perspective”. Par la suite nous expliquerons comment l'évaluation de la situation permet d'établir un dialogue situé avec l'homme, et en quoi la capacité de gérer explicitement des croyances divergentes permet d'améliorer la qualité de l'interaction et la compréhension de l'homme par le robot. Nous montrerons également comment la connaissance de la situation et la possibilité de raisonner en se mettant à la place de l'homme permet une reconnaissance d'intentions appropriée de celui-ci et comment nous avons pu grâce à cela doter notre robot de comportements proactifs pour venir en aide à l'homme . Pour finir, nous présenterons une étude présentant un système de maintien d'un modèle des connaissances de l'homme sur diverses tâches et qui permet une gestion adaptée de l'interaction lors de l'élaboration interactive et l'accomplissement d'un plan partagé. / The first robots appeared in factories, in the form of programmable controllers. These first robotic forms usually had a very limited number of sensors and simply repeated a small set of sequences of motions and actions. Nowadays, more and more robots have to interact or cooperate with humans, whether at the workplace with teammate robots or at home with assistance robots. Introducing a robot in a human environment raises many challenges. Indeed, to evolve in the same environment as humans, and to understand this environment, the robot must be equipped with appropriate cognitive abilities. Beyond understanding the physical environment, the robot must be able to reason about human partners in order to work with them or serve them best. When the robot interacts with humans, the fulfillment of the task is not a sufficient criterion to quantify the quality of the interaction. Indeed, as the human is a social being, it is important that the robot can have reasoning mechanisms allowing it to assess the mental state of the human to improve his understanding and efficiency, but also to exhibit social behaviors in order to be accepted and to ensure the comfort of the human. In this manuscript, we first present a generic framework (independent of the robotic platform and sensors used) to build and maintain a representation of the state of the world by using the aggregation of data entry and hypotheses on the environment. This infrastructure is also in charge of assessing the situation. Using the state of the world it maintains, the system is able to utilize various spatio-temporal reasoning to assess the situation of the environment and the situation of the present agents (humans and robots). This allows the creation and maintenance of a symbolic representation of the state of the world and to keep awareness of each agent status. Second, to go further in understanding the situation of the humans, we will explain how we designed our robot with the capacity known in developmental and cognitive psychology as "theory of mind", embodied here by mechanisms allowing the system to reason by putting itself in the human situation, that is to be equipped with "perspective-taking" ability. Later we will explain how the assessment of the situation enables a situated dialogue with the human, and how the ability to explicitly manage conflicting beliefs can improve the quality of interaction and understanding of the human by the robot. We will also show how knowledge of the situation and the perspective taking ability allows proper recognition of human intentions and how we enhanced the robot with proactive behaviors to help the human. Finally, we present a study where a system maintains a human model of knowledge on various tasks to improve the management of the interaction during the interactive development and fulfillment of a shared plan.