Cette thèse porte sur l’adaptation de l’immersion lors de la simulation de conduite en fauteuil roulant. Il s’agit d’étudier le réalisme des retours sensoriels impliqués dans un environnement virtuel afin de pouvoir adapter l’immersion en fonction des préférences de l’utilisateur et de la tâche à accomplir. Ces travaux ont été effectués dans le cadre du projet AccesSim soutenu par la région Ile–de-France. L'objectif du projet est de développer un simulateur dynamique pour évaluer l'accessibilité d'environnement urbain et également, de procéder à l'entraînement à l’usage de fauteuils roulants.Dans le cadre de la conduite en fauteuil roulant, il est nécessaire que le comportement de conduite soit cohérent entre une situation réelle et une situation simulée. Pour cela, il faut que l’environnement virtuel et les retours sensoriels soient suffisamment immersifs et réalistes. Notre proposition est de spécifier une configuration immersive en adaptant les retours haptiques et visuels du simulateur. Nous avons validé cette hypothèse à l’aide du simulateur développé dans le cadre du projet AccesSim.Dans la première partie de la thèse, la contribution porte sur la conception du simulateur AccesSim. Cette conception porte sur l’environnement logiciel en charge des fonctionnalités innovantes : aide au diagnostic d’accessibilité et navigation 3D en fauteuil roulant à l’aide d’un modèle dynamique de fauteuil roulant. Pour permettre une navigation en fauteuil roulant, le simulateur est couplé à une plateforme robotique intégrant des retours haptiques et vestibulaires.La seconde partie de la thèse porte sur l’analyse du comportement de conduite des utilisateurs. Il s’agit de comparer la conduite en situation réelle et en situation virtuelle en fonction de la configuration du simulateur. Cette analyse montre la sensibilité des résultats vis-à-vis des profils des usagers et de l’immersion.Enfin, nous avons étudié les différents retours sensoriels participant à la qualité de l’immersion. Le premier retour concerne le sens vestibulaire. Il est dépendant des retours haptiques du simulateur robotique. Ce retour sensoriel supplémentaire doit permettre d’améliorer les performances de conduite de l’utilisateur. Nous avons évalué la perception de ce retour sur la base d’une tâche de descente d’une marche à l’aide d’un fauteuil roulant. Dans la thèse, nous avons montré les performances de notre solution ainsi que le besoin d’adapter ce retour haptique pour chaque utilisateur.Le second retour sensoriel étudié concerne les retours visuels. Nous avons proposé une configuration d’immersion visuelle modulable. Elle permet une immersion plus ou moins égocentrée. En analysant les trajectoires d’utilisateurs effectuées avec les différentes configurations d’immersion, nous pouvons évaluer la configuration la plus efficace en fonction de l’environnement et des préférences de chaque utilisateur.Ces deux études sur les retours sensoriels ont été basées sur des évaluations avec deux groupes d’utilisateurs : un groupe d’expert (thérapeutes et ergonomes) et un groupe de personnes en situation de handicap. / This thesis focuses on the adaptation of the immersion in a driving wheelchair simulation. This is the study of sensory feedback realism involved in a virtual environment in order to adapt the immersion according to user preferences and the task to perform. These works were performed within the AccesSim project supported by the Ile de France region. The project objective is to develop a dynamic simulator to evaluate the accessibility and also urban environment, to conduct training in the use of wheelchairs.In the context of wheelchair driving, it is necessary that the driving behavior is consistent between a real situation and a simulated situation. To do this, we need the virtual environment and the sensory feedback to be sufficiently realistic and immersive. Our proposal is to specify an immersive configuration adapting haptic and visual feedback from the simulator. We validated this hypothesis using the simulator developed within the AccesSim project.In the first part of the thesis, the contribution focuses on the design of the AccesSim simulator. This design focuses on the software environment responsible for the innovative features: assistance for accessibility diagnosis and 3D navigation with a wheelchair using a dynamic model. To enable navigation in a wheelchair, the simulator is coupled to a robotic platform integrating haptic and vestibular feedback.The second part of the thesis focuses on the analysis of driving behavior of users. It comes to comparing the driving in real and virtual situation depending on the configuration of the simulator. This analysis shows the sensitivity of results towards profiles of users and immersion.Finally, we studied the different sensory feedback involved in the quality of immersion. The first feedback concerns the vestibular sense. It depends on haptic feedback simulator. This additional sensory feedback should improve driving performance of the user. We evaluated the perception on the basis of a task consisting in going down a step using a wheelchair. In the thesis we have shown the performance of our solution and the need to adapt the haptic feedback for each user.The second sensory feedback investigated concerns visual feedback. We proposed a modular configuration of visual immersion. It allows immersion more or less egocentric. By analyzing the trajectories of users performed with the different configurations of immersion, we can evaluate the most efficient configuration depending on the environment and preferences of each user.These two studies on sensory feedback were based on evaluations with two groups of users: an expert group (therapists and ergonomists) and a group of people with disabilities.

Les technologies de l'informatique et de la robotique sont en perpétuelle évolution. S'appuyant sur cette évolution technologique, les systèmes d’aide à l’opérateur restent un domaine de recherche d’actualité. Le principal défi des systèmes de la future génération est d'être "intelligents", sensibles au contexte dans un environnement complexe et imprévisible. Cette thèse entre dans ce cadre et traite de la compréhension dynamique du contexte par un robot évoluant dans un tel environnement. En particulier, elle s'intéresse à la question suivante: comment rendre un robot capable de réagir face aux situations de blocage, imprévues dans son plan d’action initial, pour accomplir l’objectif fixé par l’opérateur ? Dans la littérature, ce problème a été soulevé et résolu en partie en programmant dans le système robotique, certaines des fonctions rendant le robot plus autonome. Cependant, l'intégration de ces fonctions dans un même cadre est manquante et plusieurs recherches dans ce sens sont en cours. Dans nos travaux nous proposons un système supportant une approche complète et générique, qui assure à un robot la capacité d’être conscient de la situation de blocage dans laquelle il se trouve et de comprendre et faire face aux situations de blocage rencontrées. Notre approche, nommée Robot Situation AWareness (RSAW) est inspirée de la notion de Situation Awareness (SA) qui a fait ses preuves dans de nombreux domaines notamment dans l’aviation. Nos principales contributions dans RSAW portent sur la conception d’un cadre sémantique intégrant la capacité de compréhension, fondé sur une représentation des connaissances générique, donnant la possibilité d’appliquer des techniques de raisonnement empruntées aux sciences cognitives. L’intégration de RSAW dans un système robotique a également été étudiée, conçue et mise en œuvre dans un système à couches. Ce système d'expérimentation est le robot SAM (Smart Autonomous Majordomo) doté du système AVISO et développé par le CEA-LIST. Les résultats des expérimentations élaborées dans le cadre des travaux menés dans cette thèse sont concluants et prometteurs / Computer technology and robotics are in perpetual evolution. Based on this technological evolution, the operator support systems remain a topical domain of research. The main challenge for the next generation of systems is to be "intelligent", aware of the context in a complex and unpredictable environment. This thesis is into this framework and addresses the dynamic understanding of the context by a robot evolving in such an environment. In particular, the work is interested in the question: How to make a robot able to react to blocked situations unplanned in its initial action plan to achieve the goal set by the operator?In the literature, this issue was raised and resolved in part by programming in robotic system, some of the features making a robot more autonomous. However, the integration of these functions in one framework is missing and more research in this direction is underway. In our work we propose a system supporting a complete and generic approach that ensures a robot the ability to be aware of the blocking situation in which it is found, to understand and deal with deadlock situations encountered. Our approach, called Robot Situation Awareness (RSAW) is inspired by the notion of Situation Awareness (SA), which has been proven in many areas especially in aviation. Our main contributions in RSAW involve the design of a semantic framework integrating the understanding capacity, based on a generic representation of knowledge and giving the possibility to apply reasoning techniques borrowed from cognitive science. Integrating RSAW in a robotic system has also been studied, designed and implemented in a layer system. This experimental system is the robot SAM (Smart Autonomous Majordomo) with the AVISO system developed by CEA-LIST. The conducted experiments allowed testing of the deductive reasoning in resolving a blocked situation and confirmed the need to resort to analogical reasoning. Another wave of experimentation has taken place to prove the effectiveness of our choices. The results of experiments developed as part of the work in this thesis are successful and promising

La chirurgie de l'implantation cochléaire a pour but d'insérer le porte-électrodes dans la cochlée en respectant au maximum les structures intracochléaires. Ce geste va permettre de stimuler directement les cellules ganglionnaires du nerf cochléaire pour rendre une audition utile chez les patients. La partie basale de la cochlée permet de définir un axe d'insertion du porte-électrodes. Dans notre première étude, nous avons observé que ces caractéristiques anatomiques particulières rendent difficile la représentation mentale de l'axe. Dans notre deuxième étude, nous avons observé que seul un système robotisé automatisé a permis de s'aligner avec précision avec cet axe d'insertion. Dans notre troisième travail, nous avons observé qu'une insertion dans l'axe optimal permettait de diminuer le traumatisme intracochléaire par rapport à un axe erroné, le nerf facial est une structure qui ne permet pas une insertion selon l'axe idéal et oblige une insertion selon un axe optimal. Dans notre quatrième travail, en utilisant une technique optimisée, nous avons montré une diminution du traumatisme par rapport à la technique conventionnelle d'insertion. Bien que la relation entre l'axe d'insertion et les résultats auditifs n'ait pas été formellement démontrée, nous avons constaté dans un travail réalisé en parallèle au laboratoire, chez l'animal, une relation entre traumatisme intracochléaire et les résultats auditifs. L'essentielle de ce travail permet de démontrer le rôle important de l'axe d'insertion au cours de l'implantation cochléaire et les avantages d'une approche robotisée lors de l'implantation cochléaire. / The goals of cochlear implant surgery are to insert the electrode array into the cochlea with minimal intracochlear trauma. The electrode array will then electrically stimulate the ganglion cells of the cochlear nerve and restore hearing in deaf patients. The electrode array insertion has a duration of a few seconds, but the quality of the insertion will influence over the auditory performance of the implant during lifetime. The cochlea is a snailed-shape structure, but an insertion axis can be defined in the basal turn of the cochlea. In a first study, we observed that these anatomical particularities led difficult the cochlear visualization, and to obtain an accurate mental representation of the insertion axis in surgical conditions. In a second work, we observed that only a robotized automated system allowed to precisely align an insertion tool with the insertion axis. In a third work, we used this robotised system to insert the array in a constant speed. Although an optimal insertion axis reduced the intracochlear trauma in relation to an inaccurate axis, the facial nerve is an essential structure that leads to an angle variation between the optimal axis and the scala tympani axis. The size of the angle is finally related to the intracochlear trauma during the electrode array insertion. Once observed the superiority of an optimized technique consisting by both an insertion of the electrode array in an optimal axis and in a constant speed, in the fourth part of this work, we observed that this technique was also less traumatic for the intracochlear structures than a manual insertion technique.

Cette thèse étudie le problème de la localisation et de la cartographie simultanée (SLAM), dans des environnements non structurés, c'est-à-dire, qui ne peuvent pas être décrits par des équations ou des formes géométriques. Ces types d'environnements sont souvent rencontrés dans le domaine sous-marin. Contrairement aux approches classiques, l'environnement n'est pas modélisé par une collection de descripteurs ou d'amers ponctuels, mais directement par des ensembles. Ces ensembles, appelés forme ou shape, sont associés à des caractéristiques physiques de l'environnement, comme par exemple, des textures, du relief ou, de manière plus symbolique, à l'espace libre autour du véhicule. D'un point de vue théorique, le problème du SLAM, basé sur des formes, est formalisé par un réseau de contraintes hybrides dont les variables sont des vecteurs de Rn et des sous-ensembles de Rn. De la même façon que l'incertitude sur une variable réelle est représentée par un intervalle de réels, l'incertitude sur les formes sera représentée par un intervalle de forme. La principale contribution de cette thèse est de proposer un formalisme, basé sur le calcul par intervalle, capable de calculer ces domaines. En application, les algorithmes développés ont été appliqués au problème du SLAM à partir de données bathymétriques recueillies par un véhicule sous-marin autonome (AUV). / This thesis deals with the simultaneous localization and mapping (SLAM) problem in unstructured environments, i.e. which cannot be described by geometrical features. This type of environment frequently occurs in an underwater context.Unlike classical approaches, the environment is not described by a collection of punctual features or landmarks, but directly by sets. These sets, called shapes, are associated with physical features such as the relief, some textures or, in a more symbolic way, the space free of obstacles that can be sensed around a robot. In a theoretical point of view, the SLAM problem is formalized as an hybrid constraint network where the variables are vectors and subsets of Rn. Whereas an uncertain real number is enclosed in an interval, an uncertain shape is enclosed in an interval of sets. The main contribution of this thesis is the introduction of a new formalism, based on interval analysis, able to deal with these domains. As an application, we illustrate our method on a SLAM problem based on bathymetric data acquired by an autonomous underwater vehicle (AUV).

Les applications sous-marines actuelles exigent la réalisation de travaux de différentes natures dans des zones de plus en plus vastes et toujours plus profondes. La conception et l'utilisation de flottilles d'AUV dans ce contexte est un véritable challenge. Les bénéfices attendus sontmultiples. Premièrement, cela doit permettre de minimiser les coûts grâce à une répartition de ceux-ci sur l'ensemble de la flottille : la perte d'un AUV ou son mauvais fonctionnement ne remettront pas en cause l'intégralité de la mission. Deuxièmement, l'utilisation d'une flottilledoit de fait permettre de réduire le temps d'exécution d'une mission grâce à la parallélisation de certaines tâches. Enfin, la réalisation d'une mission par une flottille permet de conserver le caractère spécialisé des AUV et donc d'envisager plus facilement leur réutilisation dansd'autres contextes. Cependant, les approches de coopération multi-AUV existantes sont limitées par deux principaux verrous : (1) le nombre de communications induit et (2) la gestion de l'hétérogénéité potentielle d'une flottille.L'approche que nous proposons vise à répondre à ces problématiques.L'idée principale est de combiner une approche de coopération réactive avec une approche organisationnelle. L'approche de coopération réactive permet l'échange des signaux de communication très simples. Cependant, elle ne permet de résoudre que des problèmes de coopération de nature assez restreinte qui concernent essentiellement la coordination spatiale de véhicules homogènes. La première contribution de cette thèse est l'extension de l'approche satisfaction-altruisme. Un nouveau mécanisme décisionnel réactif, capable de considérer des actions coopératives de diverses natures, est proposé. La deuxième contribution consiste à spécifier les contextes d'interactions réactives à l'aide d'une approche organisationnelle. Le modèle organisationnel Agent/Groupe/Rôle est utilisé pour avoir une représentation explicite de l'organisation de la flottille. Les concepts de groupe, mais surtout de rôle, sont employés dans l'adressage des signaux de communication et permettent la mise en oeuvre d'interactions hétérogènes avec une grande modularité. L'ensemble est intégré dans une nouvelle architecture logicielle, appelée REMORAS, destinée à équiper des véhicules sous-marins autonomes. Une validation de la faisabilité de notre approche est proposée à l'aide d'une simulation de plusieurs scénarios mettant en jeu des AUV hétérogènes. / Underwater marine applications are nowadays branching into various fields covering larger and deeper zones. Performing the required tasks with the aid of AUV flotillas is a real challenge. However, the advantages of using such a new technology are numerous. Firstly, this would highly reduce the cost of the mission thanks to the distribution of this former among the various AUV: the loss of one AUV or its bad functioning will not degrade the performance of the flotilla in general. Secondly, the use of a flotilla reduces the execution time of a mission given the parallelization of certain tasks. Finally, any mission can be accomplished by the flotilla by taking into consideration the specificity of each AUV. In fact, each of these vehicles holds different characteristics rendering the global architecture heterogeneous and therefore applicable in different contexts. However, the methods concerned with multi-AUV cooperation are hindered by two main limitations: (1) the number of communications induced and (2) the management of the heterogeneity in the flotilla.The proposed approach aims at responding to these challenges. The principal idea is to combine this reactive cooperational approach with an organizational one. The reactive cooperational approach allows the exchange of simple communication signals. However, it does not help in solving the problems of cooperation that are very constrained and that mainly concern the spatial coordination of homogeneous vehicles. The first contribution in this thesis is the extension of the satisfaction-altruism approach. A new reactive decisional mechanism capable of considering the cooperative actions of various natures is proposed. The second contribution consists in specifying the context of reactive interactions based on an organizational approach. The organizational model Agent/Group/Role is used in order to have an explicit representation of the flotilla. The concepts of "group" and especially "role" are used in the attribution of the communication signals allowing the accomplishment of heterogeneous interactions with a big modularity. A new concept is therefore born and is integrated in a new software architecture called REMORA intended to equip autonomous underwater vehicles. This proposed new method has been validated through various numerical simulations in different scenarios putting at stake heterogeneous AUV.

Résumé indisponible. / Résumé indisponible.

Les humains construisent des machines de plus en plus évolués pour se faciliter la vie. La prochaine étape de cette évolution sera la construction de robots capables de choisir, définir et enfin accomplir une tâche de manière autonome au milieu des humains. Pour atteindre ce but, des outils de planification et de contrôle pour des tâches de manipulation sont présentés. La notion de mouvements souples constitués de suites de fonctions cubiques permet, d'une part, de planifier des trajectoires en prenant en compte le temps et les contraintes de confort et de sécurité des utilisateurs, et d'autre part, de faire le lien entre planification et commande. La planification de prises et l'étude de leurs stabilités constitue un élément clé de la planification de tâches de manipulation. L'étude de la dynamique et des frottements sont indispensables à la compréhension de la manipulation. L'interaction entre humains et robots est abordée à partir de l'étude de l'échange d'un objet équipé de capteurs pour mesurer les forces d'interaction.

La conception de systèmes robotiques complètement autonomes est une des grandes ambitions de l'humanité. De nos jours des progrès théoriques et technologiques ont permis aux ingénieurs de concevoir des systèmes robotiques complexes qui peuvent remplacer les êtres humains dans de nombreuses applications qui peuvent être répétitives ou dangereuses. Toutefois, afin d'étendre la flexibilité et le domaine d'application de ces systèmes autonomes, nous devons encore résoudre plusieurs problèmes scientifiques qui sont à la croisée de plusieurs domaines tels que l'intelligence artificielle, le traitement du signal et la théorie de la commande. Parmi ces défis scientifiques, la perception de l'environnement et l'interaction d'un système robotique avec son environnement sont des problèmes fondamentaux dans la conception de tels systèmes autonomes. En effet, les performances<br />d'un robot autonome dépendent non seulement de la précision, de la continuité et de la fiabilité de sa perception mais aussi de son habilité à utiliser l'information perçue dans des boucles de commande afin d'interagir de manière sûre avec son environnement malgré les inévitables erreurs de modélisation et de mesure. Pour ces raisons, la modélisation et la perception de l'environnement et la commande référencée capteur robuste sont des problèmes scientifiques majeurs en robotique.<br /><br />Plusieurs capteurs extéroceptifs sont couramment utilisés en robotique: GPS, capteurs optiques, capteurs de contacts, sonars, télémètres lasers, et même des capteurs auditifs et olfactifs. Toutefois, la vision artificielle a un intérêt et une importance particulière principalement due à sa versatilité. Elle peut être utilisée à la fois pour la modélisation et la perception et pour la commande du robot. Dans ce contexte, l'étendue des recherches est très vaste. Dans ce memoire, je ferai un état des lieux de mes travaux de recherche, menés depuis une dizaine d'années dans les domaines de l'estimation et de la commande à partir d'un système de vision. <br /><br />L'estimation à partir de la vision concerne des méthodes dédiées à l'extraction des informations qui peuvent être utilisées à la fois pour la modélisation de l'environnement et pour la commande des robots. Dans le cas des applications robotiques, les défis majeurs sont d'augmenter l'efficacité, la précision et la robustesse de l'estimation à partir des données capteurs. La commande référencée vision concerne des méthodes dédiées à l'utilisation des informations visuelles dans des boucles de commande. Les défis sont le choix approprié de l'information et la conception de lois de commande stables et robustes aux erreurs de modélisation et de mesure.

Cette thèse aborde la problématique du robot assistant et plus particulièrement les aspects décisionnels qui y sont liés. Un robot assistant est amené à interargir avec des hommes ce qui impose qu'il doit intègrer dans son processus décisionnel de haut-niveau les contraintes sociales inhérentes à un comportement acceptable par son(ses) partenaire(s) humain(s). Cette thèse propose une approche permettant de décrire de manière générique diverses règles sociales qui sont introduites dans le processus de planification du robot afin d'évaluer la qualité sociale des plans solutions et de ne retenir que le(s) plus approprié(s). Cette thèse décrit également l'implémentation de cette approche sous la forme d'un planificateur de tâches appelé HATP (Human Aware Task Planner en anglais). Enfin, cette thèse propose une validation de l'approche développée grâce à un scénario de simulation et à une mise en oeuvre sur un robot réel.

Un défi majeur de la Robotique aujourd'hui est sans doute celui du robot personnel. Un objectif sous-jacent est de permettre à un robot mobile de naviguer de manière autonome dans un environnement de grandes dimensions en présence de public. Lors de son évolution, le robot doit pouvoir détecter et prendre en compte la présence d'humains dans son voisinage, par exemple pour les éviter, leur céder le passage, faciliter ou sécuriser leurs déplacements. Cependant, pour une interaction active, le robot doit également être capable de percevoir et d'interpréter leurs postures, leurs démarches ou leurs gestes. Dans ce but, nous souhaitons mettre en place un système de suivi visuel des mouvements humains à partir des caméras embarquées sur le robot. Une représentation 3D fruste de l'enveloppe corporelle est proposée à partir de considérations biomécaniques et anthropomorphes. La démarche consiste alors à recaler ce modèle dans les images obtenues en exploitant plusieurs indices visuels 2D (contours, couleur, mouvements) complétés par une reconstruction 3D éparse de la scène. Pour estimer les paramètres de situation et de configuration du modèle 3D, nous exploitons les techniques de filtrage particulaire, bien connues en suivi visuel. Des évolutions de l'algorithme générique de filtrage sont cependant envisagées afin de répondre plus efficacement au problème posé et de satisfaire des contraintes temporelles cohérentes avec le contexte applicatif. Afin d'aborder les problèmes de manière graduelle, deux contextes sont étudiés. Le premier, de type robotique ubitquiste, repose sur l'utilisation de caméras d'ambiance fixes proposant des points de vue différents et complémentaires de la scène à étudier. Le second, de type robotique mobile, exploite des caméras stéréoscopiques embarquées sur le robot.Ce travail a été effectué au sein du groupe Robotique Action Perception (RAP) du LAAS-CNRS.