The main aim of this diploma thesis is the design and implementation of the control unit of the autonomous wheeled robot. The designed control software consists of several layers and various modules which deals with the problem of localization in the known map of the environment and path planning. Problem of localization is solved using mathematical model of movements of the robot and the GPS sensor. The problem of the roads detection is solved using image analysis. The designed solution is able to ensure autonomous movements of the robot along the roads of selected city parks.

El objetivo general del presente trabajo de título es el desarrollo e implementación de un sistema para el manejo de caídas en robots humanoides, que incluya la detección de inestabilidades en la postura del robot, junto con reflejos que permiten evitarlas o disminuir los daños en el caso de que la caída sea inevitable. El contexto en el cual se enmarca este trabajo es la competencia internacional de fútbol robótico Robocup, categoría humanoide. El sistema se implementa en el firmware del controlador de bajo nivel de un robot HR18 de Hajime Research Institute. El sistema de detección de caídas considera un sensor virtual, que entrega la inclinación y velocidad angular del robot, en los ejes lateral y sagital, combinando a través de un filtro de Kalman los datos obtenidos de un acelerómetro y un giróscopo de 3 ejes. Se presentan 5 métodos de detección de caídas basados en las lecturas del sensor virtual, de los cuales, en base a pruebas preliminares realizadas en MATLAB®, se seleccionan 3 para su implementación en el firmware del robot. El primero de ellos, se basa en la modelación de la inclinación a partir de la lectura de los ángulos de los motores. El siguiente, en el cálculo del punto de momento cero del robot y el último de ellos, en el test de de Hotelling. Para la evasión de caídas se implementa un reflejo en el cual se disminuye la altura del centro de masa del robot y se detiene la caminata hasta que se logra pasar a un estado estable. De manera similar, se implementa un reflejo para la disminución de daños, que consiste en la amortiguación de la caída con los motores de los brazos con torque reducido. Como conclusión principal, se puede afirmar que los objetivos fueron cumplidos exitosamente, pues se implementa en el firmware del robot un sistema completo para el manejo de caídas en robots humanoides, en que se abarca la detección, la evasión y la reducción del impacto de una caída, el cual queda completamente funcional, con parámetros ajustados para el normal funcionamiento del robot en un partido de fútbol robótico con tasas prácticamente nulas de falsos positivos y falsos negativos.

The present work makes a study of the drag forces of umbilical cables of pipes inspection robots and aims to determine a valid model for their calculation. For this purpose, the physical models are developed in relation to the friction forces for the straight and curved sections in all their possible configurations, obtaining for each case a differential equation that models the friction phenomenon and that includes fluid and cable the characteristics. By solving the differential equation, an explicit expression is obtained for the value of the frictional force in each case. In the present work, the obtained model is evaluated in comparison with the traditional simplified model. It is also presented a study about the influence of the stiffness of the cable and how this characteristic generates the forces of the normal general forces at the ends of the curves that, finally, result in an additional component of the frictional forces. By comparison with actual drag force measurements, the model obtained is validated. The complexity of the calculations required for the determination of the pull forces in real pipes makes it necessary to use software tools to facilitate it. For this reason, two software applications are developed, one specific for rigid pipes and another one for flexible pipes. A series of strategies of how to keep low the maximum value of the cable tension are presented too. / El presente trabajo se dedica al estudio de fuerzas de arrastre de cables umbilicales de robot de inspección o desobstrucción de tuberías y tiene como objetivo la determinación de un modelo válido para el cálculo de las mismas. Para tal fin, se desarrollan los modelos físicos en relación a las fuerzas de rozamiento presentes para tramos rectos y curvas en todas sus configuraciones posibles, obteniéndose así, para cada caso, una ecuación diferencial que modela el fenómeno del rozamiento y que incluye las variables propias del fluido presente y las características pertinentes del cable. Mediante la resolución de esa ecuación diferencial, se obtiene una expresión explícita para el valor de la fuerza de rozamiento en cada caso. En el presente trabajo, el modelo obtenido es evaluado mediante comparación con el modelo simplificado tradicional de manera de ver los alcances del nuevo modelo. Se realiza también una presentación de la influencia que tiene la rigidez del cable y como esta rigidez a la flexión genera fuerzas normales adicionales en los extremos de las curvas que redundan finalmente en una componente adicional de las fuerzas de fricción. Mediante comparación con mediciones reales de fuerza de arrastre se valida el modelo obtenido Dada la complejidad de los cálculos requeridos para la determinación de las fuerzas de arrastre de tuberías reales se desarrollan dos aplicaciones de software para el cálculo de las mismas, una específica para tuberías rígidas y otra para tuberías flexibles utilizando algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones determinadas. Son presentadas también, una serie de estrategias de forma de mantener acotado el valor máximo de la tensión de cable. Dentro de las estrategias están la elección de materiales de recubrimiento de cable que presenten un bajo coeficiente de fricción con la tubería, la adopción de cables cuyo peso específico sea tal que el peso se iguale a la fuerza de empuje y la incorporación de varios dispositivos de tracción del cable de modo de mantener bajas las contra tensiones del cable utilizando un sistema distribuido de empuje.

The present work makes a study of the drag forces of umbilical cables of pipes inspection robots and aims to determine a valid model for their calculation. For this purpose, the physical models are developed in relation to the friction forces for the straight and curved sections in all their possible configurations, obtaining for each case a differential equation that models the friction phenomenon and that includes fluid and cable the characteristics. By solving the differential equation, an explicit expression is obtained for the value of the frictional force in each case. In the present work, the obtained model is evaluated in comparison with the traditional simplified model. It is also presented a study about the influence of the stiffness of the cable and how this characteristic generates the forces of the normal general forces at the ends of the curves that, finally, result in an additional component of the frictional forces. By comparison with actual drag force measurements, the model obtained is validated. The complexity of the calculations required for the determination of the pull forces in real pipes makes it necessary to use software tools to facilitate it. For this reason, two software applications are developed, one specific for rigid pipes and another one for flexible pipes. A series of strategies of how to keep low the maximum value of the cable tension are presented too. / El presente trabajo se dedica al estudio de fuerzas de arrastre de cables umbilicales de robot de inspección o desobstrucción de tuberías y tiene como objetivo la determinación de un modelo válido para el cálculo de las mismas. Para tal fin, se desarrollan los modelos físicos en relación a las fuerzas de rozamiento presentes para tramos rectos y curvas en todas sus configuraciones posibles, obteniéndose así, para cada caso, una ecuación diferencial que modela el fenómeno del rozamiento y que incluye las variables propias del fluido presente y las características pertinentes del cable. Mediante la resolución de esa ecuación diferencial, se obtiene una expresión explícita para el valor de la fuerza de rozamiento en cada caso. En el presente trabajo, el modelo obtenido es evaluado mediante comparación con el modelo simplificado tradicional de manera de ver los alcances del nuevo modelo. Se realiza también una presentación de la influencia que tiene la rigidez del cable y como esta rigidez a la flexión genera fuerzas normales adicionales en los extremos de las curvas que redundan finalmente en una componente adicional de las fuerzas de fricción. Mediante comparación con mediciones reales de fuerza de arrastre se valida el modelo obtenido Dada la complejidad de los cálculos requeridos para la determinación de las fuerzas de arrastre de tuberías reales se desarrollan dos aplicaciones de software para el cálculo de las mismas, una específica para tuberías rígidas y otra para tuberías flexibles utilizando algoritmos de cálculo basados en las ecuaciones determinadas. Son presentadas también, una serie de estrategias de forma de mantener acotado el valor máximo de la tensión de cable. Dentro de las estrategias están la elección de materiales de recubrimiento de cable que presenten un bajo coeficiente de fricción con la tubería, la adopción de cables cuyo peso específico sea tal que el peso se iguale a la fuerza de empuje y la incorporación de varios dispositivos de tracción del cable de modo de mantener bajas las contra tensiones del cable utilizando un sistema distribuido de empuje.

Motivado pelo fato de que a escolha correta da forma preênsil para mãos robóticas antropomórficas representa aspectos relevantes no planejamento de estratégias de manipulação de objetos, este trabalho: desenvolve um algoritmo de pegas de objetos compatíveis com a tarefa a ser realizada e um método computacional de ajuste de superelipsóides a superfícies de objetos sintéticos 3D para modelar as primitivas resultantes do estágio de segmentação manual do objeto. Essa representação volumétrica contempla as atrativas propriedades de um modelo compacto, controlável e intuitivo, capaz de modelar uma ampla variedade de geometrias simétricas básicas a partir de 11 parâmetros. Tendo em vista que a acomodação de superelipsóides a nuvens de pontos caracteriza desafios típicos de mínimos quadrados, um breve estudo sobre o método numérico de Levenberg-Marquardt, utilizado na minimização da função objetivo adotada, se mostrou necessário para maximizar a sua eficiência. O desempenho e a eficiência do programa computacional desenvolvido foram demonstrados na modelagem experimental de cinco primitivas organizadas em diferentes configurações. As pequenas distorções, consideradas aceitáveis para a proposta do trabalho, evidenciaram a robustez da representação de formas elementares empregando superelipsóides sem deformações. Encerrada a etapa de modelagem das primitivas, um método de auto-aprendizagem supervisionada interpreta as informações de forma e tamanho de tais formas básicas para sugerir a pega de uma das primitivas que compõem o objeto e a forma preênsil compatível com a tarefa desejada. / Motivated by the fact that the correct choice of prehensile form for anthropomorphic robotic hand describes relevant aspects in planning strategies of object manipulation, this work develops an algorithm of grasping objects to match the task requirements and a computational method capable of fitting superellipsoids to surfaces of synthetic 3D objects to model the resulting primitives from the manual segmentation stage of the object. This volumetric representation describes the attractive properties of a compact, controllable and intuitive model, which is capable of modeling a wide variety of standard geometric solids by using eleven parameters. Since the superellipsoid fitting process characterizes typical least squares problems, a brief review about Levenberg-Marquardt numerical method, employed for the adopted objective function minimization, was necessary to maximize its efficiency. The performance and efficiency of the developed program were demonstrated in the experimental modeling of five symmetrical primitives shapes organized in several configurations. The small distortions, considered acceptable to the work proposal, confirm the robustness of representing elementary shapes employing superellipsoids without deformations. After finishing the primitive modeling stage, a supervised learning method interprets the size and shape information of such basic shapes to suggest the grasp of one constituent single parts and the task-compatible prehensile form.

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 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.

D'un point de vue énergétique, les robots marcheurs sont moins performants que les humains. Face à ce défi, cette thèse propose une approche pour contrôler et optimiser les allures de marche des robots bipèdes à la fois en 2D et 3D en considérant les fréquences propres du robot et par ajout de ressorts. L'étude porte essentiellement sur un robot bipède 2D à 5 corps et des pieds ponctuels ainsi qu'un robot bipède 3D à 8 corps avec des pieds sans masse à contact linéique. La commande en boucle fermée considérée est basée sur la méthode des contraintes virtuelles et la linéarisation par retour d'état. Suite à des études précédentes, la stabilité du robot bipède 2D est vérifiée par une section de Poincaré unidimensionnelle et étendue au robot bipède 3D à contact linéique avec le sol. L'optimisation est effectuée en utilisant la programmation quadratique séquentielle. Les paramètres optimisés incluent des coefficients de polynômes de Bézier et des paramètres posturaux. Des contraintes d'optimisation sont imposées pour assurer la validité de l'allure de marche. Pour le robot bipède 2D, deux configurations différentes de ressorts placés aux hanches sont étudiées. Ces deux configurations ont permis de réduire le coût énergétique. Pour le robot bipède 3D, les paramètres d'optimisation sont séparés en deux parties : ceux décrivant le mouvement dans le plan sagittal et ceux du plan frontal. Les résultats de l'optimisation montrent que ces deux types de paramètres doivent être optimisés. Ensuite, des ressorts sont ajoutés respectivement par rapport au plan sagittal, par rapport au plan frontal puis dans les deux plans. Les résultats montrent que l'ajout des ressorts dans le plan sagittal permet de réduire significativement le coût énergétique et que l'association de ressorts dans le plan frontal améliore encore plus la consommation d'énergie. / From an energy standpoint, walking robots are less efficient than humans. In facing this challenge, this study aims to provide an approach for controlling and optimizing the gaits of both 2D and 3D bipedal robots with consideration for exploiting natural dynamics and elastic couplings. A 5-link 2D biped with point feet and an 8-link 3D biped with massless line feet are studied. The control method is based on virtual constraints and feedback linearization. Following previous studies, the stability of the 2D biped is verified by computing scalar Poincaré map in closed form, and now this method also applies to the 3D biped because of its line-foot configuration. The optimization is performed using sequential quadratic programming. The optimization parameters include postural parameters and Bézier coefficients, and the optimization constraints are used to ensure gait validity. For the 2D biped, two different configurations of hip joint springs are investigated and both configurations successfully reduce the energy cost. For the 3D biped, the optimization parameters are further divided into sagittal parameters and coronal parameters, and the optimization results indicate that both these parameters should be optimized. After that, hip joint springs are added respectively to the sagittal plane, the coronal plane and both these planes. The results demonstrate that the elastic couplings in the sagittal plane should be considered first and that the additional couplings in the coronal plane reduce the energy cost even further.

In the future, robots will become our companions and co-workers. They will gradually appear in our environment, to help elderly or disabled people or to perform repetitive or unsafe tasks. However, we are still far from a real autonomous robot, which would be able to act in a natural, efficient and secure manner with humans. To endow robots with the capacity to act naturally with human, it is important to study, first, how humans act together. Consequently, this manuscript starts with a state of the art on joint action in psychology and philosophy before presenting the implementation of the principles gained from this study to human-robot joint action. We will then describe the supervision module for human-robot interaction developed during the thesis. Part of the work presented in this manuscript concerns the management of what we call a shared plan. Here, a shared plan is a a partially ordered set of actions to be performed by humans and/or the robot for the purpose of achieving a given goal. First, we present how the robot estimates the beliefs of its humans partners concerning the shared plan (called mental states) and how it takes these mental states into account during shared plan execution. It allows it to be able to communicate in a clever way about the potential divergent beliefs between the robot and the humans knowledge. Second, we present the abstraction of the shared plans and the postponing of some decisions. Indeed, in previous works, the robot took all decisions at planning time (who should perform which action, which object to use…) which could be perceived as unnatural by the human during execution as it imposes a solution preferentially to any other. This work allows us to endow the robot with the capacity to identify which decisions can be postponed to execution time and to take the right decision according to the human behavior in order to get a fluent and natural robot behavior. The complete system of shared plans management has been evaluated in simulation and with real robots in the context of a user study. Thereafter, we present our work concerning the non-verbal communication needed for human-robot joint action. This work is here focused on how to manage the robot head, which allows to transmit information concerning what the robot's activity and what it understands of the human actions, as well as coordination signals. Finally, we present how to mix planning and learning in order to allow the robot to be more efficient during its decision process. The idea, inspired from neuroscience studies, is to limit the use of planning (which is adapted to the human-aware context but costly) by letting the learning module made the choices when the robot is in a "known" situation. The first obtained results demonstrate the potential interest of the proposed solution.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第15664号 / 工博第3322号 / 新制||工||1501(附属図書館) / 28201 / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 椹木 哲夫, 教授 松原 厚, 教授 西脇 眞二 / 学位規則第4条第1項該当