Cette thèse propose une solution au problème de la génération de mouvements pour les robots humanoïdes. Le cadre qui est proposé dans cette thèse génère des mouvements corps-complet en utilisant la dynamique inverse avec l'espace des tâches et en satisfaisant toutes les contraintes de contact. La spécification des mouvements se fait à travers objectifs dans l'espace des tâches et la grande redondance du système est gérée avec une pile de tâches où les tâches moins prioritaires sont atteintes seulement si elles n'interfèrent pas avec celles de plus haute priorité. À cette fin, un QP hiérarchique est utilisé, avec l'avantage d'être en mesure de préciser tâches d'égalité ou d'inégalité à tous les niveaux de la hiérarchie. La capacité de traiter plusieurs contacts non-coplanaires est montrée par des mouvements où le robot s'assoit sur une chaise et monte une échelle. Le cadre générique de génération de mouvements est ensuite appliqué à des études de cas à l'aide de HRP-2 et Romeo. Les mouvements complexes et similaires à l'humain sont obtenus en utilisant l'imitation du mouvement humain où le mouvement acquis passe par un processus cinématique et dynamique. Pour faire face à la nature instantanée de la dynamique inverse, un générateur de cycle de marche est utilisé comme entrée pour la pile de tâches qui effectue une correction locale de la position des pieds sur la base des points de contact permettant de marcher sur un terrain accidenté. La vision stéréo est également introduite pour aider dans le processus de marche. Pour une récupération rapide d'équilibre, le capture point est utilisé comme une tâche contrôlée dans une région désirée de l'espace. En outre, la génération de mouvements est présentée pour CHIMP, qui a besoin d'un traitement particulier. / This thesis aims at providing a solution to the problem of motion generation for humanoid robots. The proposed framework generates whole-body motion using the complete robot dynamics in the task space satisfying contact constraints. This approach is known as operational-space inverse-dynamics control. The specification of the movements is done through objectives in the task space, and the high redundancy of the system is handled with a prioritized stack of tasks where lower priority tasks are only achieved if they do not interfere with higher priority ones. To this end, a hierarchical quadratic program is used, with the advantage of being able to specify tasks as equalities or inequalities at any level of the hierarchy. Motions where the robot sits down in an armchair and climbs a ladder show the capability to handle multiple non-coplanar contacts. The generic motion generation framework is then applied to some case studies using HRP-2 and Romeo. Complex and human-like movements are achieved using human motion imitation where the acquired motion passes through a kinematic and then dynamic retargeting processes. To deal with the instantaneous nature of inverse dynamics, a walking pattern generator is used as an input for the stack of tasks which makes a local correction of the feet position based on the contact points allowing to walk on non-planar surfaces. Visual feedback is also introduced to aid in the walking process. Alternatively, for a fast balance recovery, the capture point is introduced in the framework as a task and it is controlled within a desired region of space. Also, motion generation is presented for CHIMP which is a robot that needs a particular treatment.

Cette thèse étudie la question de la génération de mouvements corps-complet pour des systèmes anthropomorphes. Elle considère le problème de la modélisation et de la commande en abordant la question difficile de la génération de mouvements ressemblant à ceux de l'homme. En premier lieu, un modèle dynamique du robot humanoïde HRP-2 est élaboré à partir de l'algorithme récursif de Newton-Euler pour les vecteurs spatiaux. Un nouveau schéma de commande dynamique est ensuite développé, en utilisant une cascade de programmes quadratiques (QP) optimisant des fonctions coûts et calculant les couples de commande en satisfaisant des contraintes d'égalité et d'inégalité. La cascade de problèmes quadratiques est définie par une pile de tâches associée à un ordre de priorité. Nous proposons ensuite une formulation unifiée des contraintes de contacts planaires et nous montrons que la méthode proposée permet de prendre en compte plusieurs contacts non coplanaires et généralise la contrainte usuelle du ZMP dans le cas où seulement les pieds sont en contact avec le sol. Nous relions ensuite les algorithmes de génération de mouvement issus de la robotique aux outils de capture du mouvement humain en développant une méthode originale de génération de mouvement visant à imiter le mouvement humain. Cette méthode est basée sur le recalage des données capturées et l'édition du mouvement en utilisant le solveur hiérarchique précédemment introduit et la définition de tâches et de contraintes dynamiques. Cette méthode originale permet d'ajuster un mouvement humain capturé pour le reproduire fidèlement sur un humanoïde en respectant sa propre dynamique. Enfin, dans le but de simuler des mouvements qui ressemblent à ceux de l'homme, nous développons un modèle anthropomorphe ayant un nombre de degrés de liberté supérieur à celui du robot humanoïde HRP2. Le solveur générique est utilisé pour simuler le mouvement sur ce nouveau modèle. Une série de tâches est définie pour décrire un scénario jo ué par un humain. Nous montrons, par une simple analyse qualitative du mouvement, que la prise en compte du modèle dynamique permet d'accroitre naturellement le réalisme du mouvement.

Ce manuscrit présente mes activités de recherche sur les comportements basés vision pour des robots complexes comme les robots humanoïdes. La question scientifique sous-jacente qui structure ce travail est la suivante: " Quels sont les processus de décisions qui permettent à un robot humanoïde de générer des mouvements en temps réel basés sur des informations visuelles ?" Au football, les êtres humains peuvent décider de frapper une balle alors qu'ils courent et que tous les autres joueurs sont constamment en train de bouger. Reformuler comme un problème d'optimisation pour un robot humanoïde, trouver une solution pour un tel comportement est généralement très difficile du point de vue calculatoire. Par exemple, le problème de la recherche visuelle a été démontré comme étant NP-complet. La première partie de ce travail concerne la génération de mouvements temps réel. Partant des contraintes générales qu'un robot humanoïde doit remplir pour générer un mouvement faisable, des problèmes fondamentaux sont présentés. A partir de ceux-ci, plusieurs contributions permettant à un robot humanoïde de réagira à des changements de l'environnement sont présentés. Ils concernent la génération de la marche, les mouvements corps complets pour éviter des obstacles, et la planification de pas en temps réel dans des environnements contraints. La deuxième partie de ce travail concerne l'acquisition temps-réel de connaissance sur l'environnement à partir de la vision par ordinateur. Deux comportements principaux sont considérés: la recherche visuelle et la construction d'un modèle visuel d'un objet. Ils sont considérés tout en prenant compte le modèle du capteur, le coût du mouvement, les contraintes mécaniques du robot, la géométrie de l'environnement ainsi que les limitations du processus de vision. De plus des contributions sur le couplage de l'auto-localisation basé cartes avec la marche, la génération de pas basé sur l'asservissement visuel seront présentés. Finalement les technologies centrales développées dans les contextes précédents ont été utilisées dans différentes applications: l'interaction homme-robot, la téléopération, l'analyse de mouvement humains. Basé sur le retour d'expérience de plusieurs démonstrateurs intégrés sur le robot humanoïde HRP-2, la dernière partie de cette thèse proposent des pistes pour des idées permettant de lever les verrous technologiques actuels de la robotique humanoïde.

Cette thèse propose une approche interdisciplinaire originale du traitement du mouvement humain corps-complet grâce à l'utilisation couplée d'approches issues de la biomécanique, du contrôle moteur et de la robotique. Les méthodes biomécaniques sont utilisées pour l'enregistrement, le traitement et l'analyse du mouvement humain. L'approche << Uncontrolled Manifold >> du contrôle moteur est étendue à l'étude des mouvements hautement dynamiques. Ceci permet de déterminer si d'éventuelles tâches dynamiques sont contrôlées et stabilisées par le cerveau, puis d'inférer une organisation hiérarchique des tâches motrices. Le formalisme de l'espace des tâches utilisé en robotique pour la génération de mouvement corps-complet ainsi que la hiérarchie des tâches extraites dans l'étude du contrôle moteur sont utilisés pour simuler des mouvements humains hautement dynamiques. Cette approche permet de mieux comprendre le mouvement humain et de générer des mouvements inspirés de l'humain pour d'autres systèmes anthropomorphes tel que des robots ou avatars. La discipline du Parkour, impliquant des actions hautement dynamiques tels que des sauts et des techniques d'atterisage, est choisie pour illustrer l'approche proposée. / This thesis proposes an original and interdisciplinary approach to the treatment of whole-body human movements through the synergistic utilization of biomechanics, motor control and robotics. Robust methods of biomechanics are used to record, process and analyze whole-body human motions. The Uncontrolled Manifold approach (UCM) of motor control is extended to study highly dynamic movements processed in the biomechanical study, in order to determine if hypothesized dynamic tasks are being controlled stably by the central nervous system. This extension permits also to infer a hierarchical organization of the controlled dynamic tasks. The task space formalism of motion generation in robotics is used to generate whole-body motion by taking into account the hierarchy of tasks extracted in the motor control study. This approach permits to better understand the organization of human dynamic motions and provide a new methodology to generate whole-body human motions with anthropomorphic systems. A case study of highly dynamic and complex movements of Parkour, including jumps and landings, is utilized to illustrate the proposed approach.