Ce mémoire concerne les techniques d'indexation dans des bases d'image, ainsi que les méthodes de localisation en robotique mobile. Il fait le lien entre les travaux en Perception du pôle Robotique et Intelligence Artificielle du LAAS-CNRS, et les recherches sur la fouille de données menées à l'Université de Rabat. Depuis une dizaine d'années, la vision est devenue une source de données sensorielles essentielles sur les robots mobiles: elle fournit en particulier des représentations de l'environnement dans lequel doit se déplacer un robot sous la forme de modèles géométriques ou de modèles fondés sur l'apparence. Concernant la vision, seules les représentations fondées sur l'apparence ont été considérées; elles consistent en une base d'images acquises lors de déplacements effectués de manière supervisée durant une phase d'apprentissage. Le robot se localise en recherchant dans la base d'images, celle qui ressemble le plus à l'image courante: les techniques exploitées pour ce faire sont des méthodes d'indexation, similaires à celles exploitées en fouille de données sur Internet par exemple. Nous proposons une approche fondés sur des points d'intérêt extraits d'images en couleur texturées. Par ailleurs, nous présentons une technique de navigation par RFID (Radio Frequency IDentifier) qui utilise la méthode MonteCarlo, appliquée soit de manière intuitive, soit de manière formelle. Enfin, nous donnons des résultats très préliminaires sur la combinaison d'une perception par capteurs RFID et par capteurs visuels afin d'améliorer la précision de la localisation du robot mobile. / This document is related both to indexing methods in image data bases and to localization methods used in mobile robotics. It exploits the relationships between research works on Perception made in the Robotics department of LAAS-CNRS in Toulouse, and on Data Mining performed by the LIMAIARF lab at the Rabat University. Computer Vision has become a major source of sensory data on mobile robots for about ten years; it allows to build especially representations of the environment in which a robot has to execute motions, either by geometrical maps or by appearance-based models. Concerning computer vision, only appearance-based representations have been studied; they consist on a data base of images acquired while the robot is moved in an interactive way during a learning step. Robot self-localization is provided by searching in this data base, the image which looks like the one acquired from the current position: this function is performed from indexing or data mining methods, similar to the ones used on Internet. It is proposed an indexing method based on interest points extracted from color and textured images. Moreover, geometrical representations are also considered for an RFID-based navigation method, based on particle filtering, used either in a classical formal way or with a more intuitive approach. Finally, very preliminar results are described on a multi-sensory approach using both Vision and RFID tags in order to improve the accuracy on the robot localization

L'objet de cette thèse est le développement et l'étude des algorithmes de planification de mouvement pour les systèmes hautement dimensionnés que sont les robots humanoïdes et les acteurs virtuels. Plusieurs adaptations des méthodes génériques de planification de mouvement randomisées sont proposées et discutées. Une première contribution concerne l'utilisation de techniques de réduction de dimension linéaire pour accélérer les algorithmes d'échantillonnage. Cette méthode permet d'identifier en ligne quand un processus de planification passe par un passage étroit de l'espace des configurations et adapte l'exploration en fonction. Cet algorithme convient particulièrement bien aux problèmes difficiles de la planification de mouvement pour l'animation graphique. La deuxième contribution est le développement d'algorithmes randomisés de planification sous contraintes. Il s'agit d'une intégration d'outils de cinématique inverse hiérarchisée aux algorithmes de planification de mouvement randomisés. On illustre cette méthode sur différents problèmes de manipulation pour robots humanoïdes. Cette contribution est généralisée à la planification de mouvements corps-complet nécessitant de la marche. La dernière contribution présentée dans cette thèse est l'utilisation des méthodes précédentes pour résoudre des tâches de manipulation complexes par un robot humanoïde. Nous présentons en particulier un formalisme destiné à représenter les informations propres à l'objet manipulé utilisables par un planificateur de mouvement. Ce formalisme est présenté sous le nom d'« objets documentés». / This thesis deals with the development and analysis of motion planning algorithms for high dimensional systems: humanoid robots and digital actors. Several adaptations of generic randomized motion planning methods are proposed and discussed. A first contribution concerns the use of linear dimensionality reduction techniques to speed up sampling algorithms. This method identifies on line when a planning process goes through a narrow passage of some configuration space, and adapts the exploration accordingly. This algorithm is particularly suited to difficult problems of motion planning for computer animation. The second contribution is the development of randomized algorithms for motion planning under constraints. It consists in the integration of prioritized inverse kinematics tools within randomized motion planning. We demonstrate the use of this method on different manipulation planning problems for humanoid robots. This contribution is generalized to whole-body motion planning with locomotion. The last contribution of this thesis is the use of previous methods to solve complex manipulation tasks by humanoid robots. More specifically, we present a formalism that represents information specific to a manipulated object usable by a motion planner. This formalism is presented under the name of "documented object".

La génération de mouvements de locomotion en robotique mobile est étudiée dans le monde académique depuis plusieurs décennies. La théorie concernant la modélisation et le contrôle des robots à roues est largement mature. Cependant, la mise en œuvre effective de ces modèles dans des conditions réelles demande des études complémentaires. Dans cette thèse, nous présentons trois projets mettant en œuvre trois différents types de robots mobiles. Nous débutons dans chaque cas par une analyse sur les qualités recherchées d’un mouvement dans un contexte particulier, qu’il soit artistique ou industriel, et terminons par la présentation des architectures algorithmiques et logicielles mises en œuvre, notamment dans le cadre d’expositions de plusieurs mois, où le public est invité à partager l’espace d’évolution de robots. La réalisation de ces projets montre que certains choix technologiques semblant insignifiants au moment de la conception des robots sont déterminants dans les dernières étapes de la production. On peut extrapoler cette remarque depuis ces robots mobile à deux ou trois degrés de liberté vers des robots humanoïdes pouvant en avoir plusieurs dizaines. La stratégie classique qui consiste à concevoir, dans un premier temps, l’architecture mécatronique des robots humanoïdes, pour se poser ensuite la question de leur contrôle, atteint ses limites, comme le montrent par exemple la consommation énergétique et la difficulté d’obtenir des mouvements de marche dynamique sur ces robots, pourtant conçus dans le but de marcher. Dans une perspective globale de conception des robots marcheurs, nous proposons un système de codesign, où il est possible d’optimiser simultanément la conception mécanique et les contrôleurs d’un robot.. / Generation of locomotion motions in mobile robotics has been studied in the academic world for several decades. The theory concerning the modeling and control of wheeled robots is largely mature. However, the actual implementation of these models in real conditions requires further studies. In this thesis, we present three projects using three different types of mobile robots. In each case, we begin with an analysis of the required qualities of a motion in a particular context, whether artistic or industrial, and end with the presentation of the algorithmic and software architectures implemented, particularly in the context of exhibitions of several months, where the public is invited to share the space of evolution of robots. The realization of these projects shows that some technological choices seem insignificant at the time of the design of the robots are decisive in the final stages of production. One can extrapolate this remark from these mobile robots with two or three degrees of freedom towards humanoid robots which can have several tens. The classical strategy of first designing the mechatronic architecture of humanoid robots and then raising the question of their control has reached its limits, as illustrated, for example, by their energy consumption and the difficulty to obtain dynamic walking motions on these robots, yet designed for the purpose of walking. From a global perspective of robot design, we propose a system of codesign, where it is possible to simultaneously optimize the mechanical design and the controllers of a robot. This system is firstly tested by various examples as proof of concept. It is then applied to the comparison of rigid and elastic actuators on different biped robots, then to the study of the impact of the stabilization of the head on the general stabilization of the body and finally to the design of a prototype of semi-passive walker.

De nos jours, l'engouement pour la robotique autonome ne cesse d'augmenter en particulier pour les microdrones. En effet, ces aéronefs de petite taille font l'objet de nombreuses recherches afin de les miniaturiser et de rendre leur navigation plus autonome. Ainsi, cette thèse explore un système de vision parcimonieux dédié à la navigation courte portée au moyen de capteurs visuels auto-adaptatifs innovants composés de seulement 12 pixels aux propriétés optiques inspirées de celles de l'abeille. Deux algorithmes de mesure de flux optique sont ensuite comparés en conditions idéales sur 5 décades d'irradiance et 3 décades de vitesses optiques, puis testés en conditions réelles de vol. L'algorithme le plus robuste et le plus efficace, de par ses très faibles besoins calculatoires, a été embarqué à bord d'un micro quadrirotor pesant environ 400 g et équipé d'un système visuel parcimonieux de 96 pixels stabilisé via une nacelle articulée en roulis et tangage pour compenser les rotations du quadrirotor. Les stratégies de navigation observées chez l'abeille ont ensuite été simulées dans des environnements virtuels (tunnel de longueur 6 m ou 12 m pour une section minimale de 25 ou 50 cm) et la preuve de faisabilité de la détection du flux optique à bord d'un microdrone a été démontrée en conditions réelles de vol en salle expérimentale (vol de 4 m de long à une distance minimale de 50 cm). Couplé à des stratégies de navigation inspirées de l’abeille, ce système visuel innovant dédié à la perception du mouvement permettra dans un futur proche de naviguer dans des environnements encombrés ou exigus. / The interest in autonomous robotics is continually expanding, especially in the domain of micro air vehicles. Indeed, much research focuses on these small-size aircraft in order to miniaturize them and to make their navigation more autonomous. This PhD thesis explores a parsimonious vision system dedicated to short range navigation using innovative self-adaptive visual sensors composed of only 12 pixels with optical properties inspired by those of honeybees. Two optic flow measurement algorithms are first compared under ideal conditions over 5 decades of irradiance and 3 decades of optical velocity, then tested under real flight conditions. The most robust and efficient algorithm, due to its very low computing requirements, was embedded on board a micro quadrotor weighing about 400 g and equipped with a parsimonious visual system of 96 pixels stabilized via an articulated gimbal in roll and pitch to compensate the quadrotor rotations. The navigation strategies observed in honeybees were simulated in virtual environments (6 m or 12 m long tunnel for a minimum section of 25 or 50 cm) and the feasibility of the detection of the optic flow on board a micro quadrotor was demonstrated in real flight conditions in experimental room (flight of 4 m long at a minimum distance of 50 cm). Coupled with navigation strategies inspired by the honeybee, this innovative visual system dedicated to the perception of movement will in the near future allow to navigate in cluttered or cramped environments.

Dans ce travail de thèse, nous abordons les problèmes de commande posés en co-manipulation robotique pour des tâches de manutention à travers un point de vue dont nous pensons qu’il n’est pas suffisamment exploité, bien qu’il a recourt à des outils classiques en robotique. Le problème de commande en co-manipulation robotique est souvent abordé par le biais des méthodes de contrôle d’impédance, où l’objectif est d’établir une relation mathématique entre la vitesse linéaire du point d’interaction homme-robot et la force d’interaction appliquée par l’opérateur humain au même point. Cette thèse aborde le problème de co-manipulation robotique pour des tâches de manutention comme un problème de commande optimale sous contrainte. Le point de vue proposé se base sur la mise en œuvre d’un Générateur de Trajectoire Temps-Réel spécifique, combiné à une boucle d’asservissement cinématique. Le générateur de trajectoire est conçu de manière à traduire les intentions de l’opérateur humain en trajectoires idéales que le robot doit suivre ? Il fonctionne comme un automate à deux états dont les transitions sont contrôlées par évènement, en comparant l’amplitude de la force d’interaction à un seuil de force ajustable, afin de permettre à l’opérateur humain de garder l’autorité sur les états de mouvement du robot. Pour assurer une interaction fluide, nous proposons de générer un profil de vitesse colinéaire à la force appliquée au point d’interaction. La boucle d’asservissement est alors utilisée afin de satisfaire les exigences de stabilité et de qualité du suivi de trajectoire tout en garantissant l’assistance une interaction homme-robot sûre. Plusieurs méthodes de synthèse sont appliquées pour concevoir des correcteurs efficaces qui assurent un bon suivi des trajectoires générées. L’ensemble est illustré à travers deux modèles de robot. Le premier est le penducobot, qui correspond à un robot sous-actionné à deux degrés de liberté et évoluant dans le plan. Le deuxième est un robot à deux bras complètement actionné. / In this thesis, we address the co-manipulation control problems for the handling tasks through a viewpoint that we do not think sufficiently explored, even it employs classical tools of robotics. The problem of robotic co-manipulation is often addressed using impedance control based methods where we seek to establish a mathematical relation between the velocity of the human-robot interaction point and the force applied by the human operator at this point. This thesis addresses the problem of co-manipulation for handling tasks seen as a constrained optimal control problem. The proposed point of view relies on the implementation of a specific online trajectory generator (OTG) associated to a kinematic feedback loop. This OTG is designed so as to translate the human operator intentions to ideal trajectories that the robot must follow. It works as an automaton with two states of motion whose transitions are controlled by comparing the magnitude of the force to an adjustable threshold, in order to enable the operator to keep authority over the robot’s states of motion. To ensure the smoothness of the interaction, we propose to generate a velocity profile collinear to the force applied at the interaction point. The feedback control loop is then used to satisfy the requirements of stability and of trajectory tracking to guarantee assistance and operator security. Several methods are used to design efficient controllers that ensure the tracking of the generated trajectory. The overall strategy is illustrated through two mechanical systems. The first is the penducobot which is an underactuated robot. The second is the planar robot with two degrees of freedom fully actuated.

Les essaims de robots sont des systèmes composés d’un grand nombre de robots relativement simples. Du fait du grand nombre d’unités, ces systèmes ont de bonnes propriétés de robustesse et de passage à l’échelle. Néanmoins, il reste en général difficile de concevoir manuellement des contrôleurs pour les essaims de robots, à cause de la grande complexité des interactions inter-robot. Par conséquent, les approches automatisées pour l’apprentissage de comportements d’essaims de robots constituent une alternative attrayante. Dans cette thèse, nous étudions l’adaptation de comportements d’essaim de robots avec des méthodes de Embodied Evolutionary Robotics (EER) distribuée. Ainsi, nous fournissons trois contributions principales : (1) Nous étudions l’influence de la pression à la sélection dirigée vers une tâche dans un essaim d’agents robotiques qui utilisent une approche d’EER distribuée. Nous évaluons l’impact de différents opérateurs de sélection dans un algorithme d’EER distribuée pour un essaim de robots. Nos résultats montrent que le plus forte la pression à la sélection est, les meilleures performances sont atteintes lorsque les robots doivent s’adapter à des tâches particulières. (2) Nous étudions l’évolution de comportements collaboratifs pour une tâche de récolte d’objets dans un essaim d’agents robotiques qui utilisent une approche d’EER distribuée. Nous réalisons un ensemble d’expériences où un essaim de robots s’adapte à une tâche collaborative avec un algorithme d’EER distribuée. Nos résultats montrent que l’essaim s’adapte à résoudre la tâche, et nous identifions des limitations concernant le choix d’action. (3) Nous proposons et validons expérimentalement un mécanisme complètement distribué pour adapter la structure des neurocontrôleurs des robots dans un essaim qui utilise une approche d’EER distribuée, ce qui permettrait aux neurocontrôleurs d’augmenter leur expressivité. Nos expériences montrent que notre mécanisme, qui est complètement décentralisé, fournit des résultats similaires à un mécanisme qui dépend d’une information globale / Robot swarms are systems composed of a large number of rather simple robots. Due to the large number of units, these systems, have good properties concerning robustness and scalability, among others. However, it remains generally difficult to design controllers for such robotic systems, particularly due to the complexity of inter-robot interactions. Consequently, automatic approaches to synthesize behavior in robot swarms are a compelling alternative. In this thesis, we focus on online behavior adaptation in a swarm of robots using distributed Embodied Evolutionary Robotics (EER) methods. To this end, we provide three main contributions: (1) We investigate the influence of task-driven selection pressure in a swarm of robotic agents using a distributed EER approach. We evaluate the impact of a range of selection pressure strength on the performance of a distributed EER algorithm. The results show that the stronger the task-driven selection pressure, the better the performances obtained when addressing given tasks. (2) We investigate the evolution of collaborative behaviors in a swarm of robotic agents using a distributed EER approach. We perform a set of experiments for a swarm of robots to adapt to a collaborative item collection task that cannot be solved by a single robot. Our results show that the swarm learns to collaborate to solve the task using a distributed approach, and we identify some inefficiencies regarding learning to choose actions. (3) We propose and experimentally validate a completely distributed mechanism that allows to learn the structure and parameters of the robot neurocontrollers in a swarm using a distributed EER approach, which allows for the robot controllers to augment their expressivity. Our experiments show that our fully-decentralized mechanism leads to similar results as a mechanism that depends on global information

L'objectif de cette thèse, en collaboration avec une équipe de biologistes de Marbec, est de développer un système robotisé semi-autonome pour l’observation des espèces marines. Pour cela, ce système devra effectuer les protocoles biologistes connus ainsi que de nouveaux protocoles tout en démontrant son efficacité par rapport à un plongeur. Pour réaliser correctement les protocoles, nous avons développé les lois de commande associées ainsi qu'un système de gestion de mission pour permettre la construction, la validation formelle et l'exécution d'une telle mission. Enfin, pour répondre à la problématique de faisabilité de l'observation par un robot, nous avons mené les expérimentations à Mayotte. / The goal of this thesis, in collaboration with a biologists team of Marbec, is to develop a semi-autonomous robotic system for marine species observation. For this, this system will have to perform the known biologist protocols as well as new protocols while proving its effectiveness compared to a diver. To achieve the protocols, we have developed the associated control laws and a mission management system to allow the construction, the formal validation and the execution of a mission. Finally, to answer the problem of feasibility of observation by a robot, we conducted the experiments in Mayotte.

Dans le cadre de la collecte sous-marine d'échantillons biologiques et minéraux pour la recherche scientifique par un robot sous-marin équipé de bras manipulateurs, ce projet de thèse a pour but principal le développement de nouvelles techniques de manipulation des échantillons, plus fiables, permettant d'en assurer l'intégrité physique et leur exploitabilité par les chercheurs. Les nouvelles techniques de manipulation proposées prennent en compte l'actionnement particulier des nouveaux bras électriques sous-marins équipant les engins récents, afin d'augmenter la précision du positionnement des outils embarqués par le manipulateur. Un outil amovible, compliant, et mesurant les efforts d'interaction entre les bras du sous-marin et leur environnement est aussi proposé, et des méthodes permettant de tirer partie des caractéristiques de cet outil sont développées et testées expérimentalement. L'engin sous-marin hybride HROV Ariane, équipé de deux bras électriques hétérogènes, offre la plateforme opérationnelle pour la validation expérimentale des solutions proposées. / The research carried out in the scope of this doctorate degree aims to develop innovative techniques to improve the collection of biological and mineral samples underwater using robotic manipulators. The end goal is to enhance the handling by robotic means in order to maximise sample quality provided to marine scientists. The proposed techniques are based on an in-depth analysis of the robotic arm actuators used in most recent underwater intervention vehicles, in order to improve the accuracy of the positionning of the tools held by the manipulator arms. An instrumented tool has also been developed with the aim to measure the reaction forces and adapt the interaction between the arm's end-effector and its environment to improve samples handling. These methods and the other contributions described in this thesis have been experimentally validated using Ifremer's hybrid-ROV Ariane equipped with two electrically actuated heterogeneous robotic arms.

L'introduction de systèmes robotisés dans les salles opératoires a fait évoluer la chirurgie moderne, ouvrant aux chirurgiens de nouvelles possibilités. La présence de tels systèmes en salle opératoire croît chaque année. Les progrès des robots médicaux sont étroitement liés au développement de nouvelles techniques permettant de mieux contrôler les interactions entre la machine et les tissus biologiques. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une commande en force basée sur un modèle, conçue pour améliorer la stabilité et la robustesse du contrôle en vue d'applications médicales. Une étude sur la modélisation des tissus mous ainsi que le choix d'un modèle compatible temps-réel sont présentés. Après cette analyse, le modèle de Kelvin Boltzmann a été choisi et implémenté dans le schéma de contrôle en force proposé, basé sur des observateurs actifs. La stabilité et la robustesse de la commande sont analysées en théorie et au travers d'expérimentations. Les performances de la commande en force sont également mesurées, en tenant compte des perturbations dues aux mouvements physiologiques. Finalement, afin d'améliorer la qualité du rejet des perturbations, une boucle de commande supplémentaire est ajoutée au moyen d'une estimation des perturbations basée sur le modèle de Kelvin Boltzmann et des séries de Fourier. / The introduction of robotic systems inside the operating room has changed the modern surgery, opening new possibilities to surgeons. The number of robotic systems inside the operation room is increasing every year. The progress of medical robots are associated to the development of new techniques to better control the interaction between the robot and living soft tissues. This thesis focus on the development of a model based force control designed to improve stability and robustness of force control addressed to medical applications. A study of soft tissue modeling is presented and a suitable model to be used in a real-time control is selected. After the analysis, the Kelvin Boltzmann model was chosen to be inserted in the proposed force control scheme based on Active Observers. Stability and robustness are theoretically and experimentally analyzed. The performance of the proposed force control is also investigated under physiological motion disturbances. At the end, to improve the disturbance rejection capability, an extra control loop is added using a disturbance estimation based on the Kelvin Boltzmann model and a Fourier series.

L'utilisation des véhicules sous-marins (ROV, AUV, gliders) s'est considérablement accrue ces dernières décennies, aussi bien dans le domaine de l'offshore ou de l'océanographie, que pour des applications militaires. Dans cette thèse, nous abordons le problème particulier de la commande des véhicules sous-marins à faible inertie et fort rapport puissance/inertie. Ces derniers constituent des systèmes fortement non linéaires, dont la dynamique est susceptible de varier au cours du temps (charge embarquée, caractéristiques des propulseurs, variation de salinité...) et qui sont très sensibles aux perturbations environnementales (chocs, traction sur l'ombilical...). Afin d'assurer des performances de suivi de trajectoire satisfaisantes, il est nécessaire d'avoir recours à une commande adaptative qui compense les incertitudes ou les variations des paramètres du modèle dynamique, mais également qui rejette les perturbations, telles que les chocs. A cette fin, nous proposons dans ce manuscrit, l'étude théorique et la validation expérimentale de plusieurs lois de commande pour véhicules sous-marins. Nous analysons tout d'abord des approches classiques dans ce domaine (commande PID et commande par retour d'état non linéaire), puis nous les comparons avec deux autres architectures de commande. La première est la commande adaptative L1 non linéaire, introduite en 2010 notamment pour la commande des véhicules aériens, et implémentée pour la première fois sur un véhicule sous-marin. Le découplage entre adaptation et robustesse permet l'utilisation de très grands gains d'adaptation (et donc une convergence plus rapide des paramètres estimés, sans aucune connaissance a priori), sans pour autant dégrader la stabilité. La seconde méthode, que nous proposons et qui constitue l'apport principal de cette thèse, est une évolution de la commande L1, permettant d'en améliorer les performances lors du suivi d'une trajectoire variable. Nous présentons une analyse de stabilité de cette commande, ainsi que sa comparaison expérimentale avec les autres lois de commande (commande PID, commande adaptative par retour d'état non linéaire et commande adaptative L1 standard). Ces expérimentations ont été réalisées sur un mini-ROV et plusieurs scenarii ont été étudiés, permettant ainsi d'évaluer, pour chaque loi, sa robustesse et son aptitude à rejeter les perturbations. / Underwater vehicles have gained an increased interest in the last decades given the multiple tasks they can accomplish in various fields, ranging from scientific to industrial and military applications. In this thesis, we are particularly interested in the category of vehicles having a high power to weight ratio. Different challenges in autonomous control of such highly unstable systems arise from the inherent nonlinearities and the time varyingbehavior of their dynamics. These challenges can be increased by the low inertia of this class of vehicles combined with their powerful actuation. A self tuning controller is therefore required in order to avoid any performance degradation during a specific mission. The closed-loop system is expected to compensate for different kinds of disturbances or changes in the model parameters. To solve this problem, we propose in this work the design,analysis and experimental validation of different control schemes on an underwater vehicle. Classical methods are initially proposed, namely the PID controller and the nonlinear adaptive state feedback (NASF) one, followed by two more advanced schemes based on the recently developed L1 adaptive controller. This last method stands out among the other developed ones in its particular architecture where robustness and adaptation are decoupled. In this thesis, the original L1 adaptive controller has been designed and successfullyvalidated then an extended version of it is proposed in order to deal with the observed time lags occurring in presence of a varying reference trajectory. The stability of this latter controller is then analysed and real-time experimental results for different operating conditions are presented and discussed for each proposed controller, assessing their performance and robustness.