Cette thèse se concentre sur les interactions émotionnelles en robotique autonome. Le robot doit pouvoir agir et réagir dans un environnement naturel et faire face à des perturbations imprédictibles. Il est donc nécessaire que le robot puisse acquérir une autonomie comportementale à savoir la capacité d'apprentissage et d'adaptation en ligne. En particulier, nous nous proposons d'étudier quels mécanismes introduire pour que le robot ait la capacité de se constituer une perception des objets de son environnement qui puisse être partagée par celle d'un partenaire humain. Le problème sera de faire apprendre à notre robot à préférer certains objets et à éviter d'autres objets. La solution peut être trouvée en psychologie dans ce que l'on appelle "référencement social" ("social referencing") qui consiste à attribuer une valeur à un objet grâce à l'interaction avec un partenaire humain. Dans ce contexte, notre problème est de trouver comment un robot peut apprendre de manière autonome à reconnaître les expressions faciales d'un partenaire humain pour ensuite les utiliser pour donner une valence aux objets et permettre leur discrimination. Nous nous intéresserons à comprendre comment des interactions émotionnelles avec un partenaire peuvent amorcer des comportements de complexité croissante tel que le référencement social. Notre idée est que le référencement social aussi bien que la reconnaissance d'expressions faciales peut émerger d'une architecture sensori-motrice. Sans connaissance de ce que l'autre est, le robot devrait réussir à apprendre des tâches "sociales" de plus en plus complexes. Nous soutenons l'idée que le référencement social peut être amorcé par une simple cascade d'architectures sensori-motrices qui à la base ne sont pas dédiées aux interactions sociales. Cette thèse traite de plusieurs sujets qui ont comme dénominateur commun l'interaction sociale. Nous proposons tout d'abord une architecture capable d'apprendre à reconnaître de manière autonome des expressions faciales primaires grâce à un jeu d'imitation entre une tête expressive et un expérimentateur. Les interactions avec le dispositif robotique commençeraient par l'apprentissage de 5 expressions faciales prototypiques. Nous proposons ensuite une architecture capable de reproduire des mimiques faciales ainsi que leurs différents niveaux d'intensité. La tête expressive pourra reproduire des expressions secondaires par exemple une joie mêlée de colère. Nous verrons également que la discrimination de visages peut émerger de cette interaction émotionnelle à l'aide d'une rythmicité implicite qui se crée entre l'homme et le robot. Enfin, nous proposerons un modèle sensori-moteur ayant la capacité de réaliser un référencement social. Trois situations ont pu être testées: 1) un bras robotique capable d'attraper et de fuir des objets selon les interactions émotionnelles venant du partenaire humain. 2) un robot mobile capable de rejoindre ou d'éviter certaines zones de son environnement. 3) une tête expressive capable d'orienter son regard dans la même direction que l'humain tout ! en attribuant des valeurs émotionnelles aux objets via l'interaction expressive de l'expérimentateur. Nous montrons ainsi qu'une séquence développementale peut émerger d'une interaction émotionnelle de très bas niveau et que le référencement social peut s'expliquer d'abord à un niveau sensori-moteur sans nécessiter de faire appel à un modèle de théorie de l'esprit.

Les dispositifs de numérisation de trajectoire font progressivement leurs apparitions afin de permettre la quantification de la trajectoire d'un mouvement dans une scène afin de répondre à différents besoins pour des applications variées. Elles sont potentiellement nombreuses et peuvent être déclinées en 5 familles : loisirs, simulation pour l'industrie, applications médicales, applications liées aux sports et la robotique. Parmi les axes de progression, la suppression des phases de réglages et d'équipement ainsi que la limitation de l'usage de marqueurs actifs contraignants, constituent un nouveau challenge. Les techniques optiques offrent l'opportunité de réaliser des mesures sans contacts. La mesure de lumière est rendue possible à l'aide d'un transducteur électronique qui convertit une énergie ou une puissance optique absorbée en une grandeur électrique. A l'aide d'un traitement approprié, la distance peut être évaluée. Pour l'application recherchée, c'est-à-dire pour des interactions sur plusieurs mètres avec une précision inférieure au centimètre, les méthodes de télémétrie les plus adéquates sont la triangulation, la mesure de phase et éventuellement, la mesure par temps de vol à lumière pulsée constituant un autre compromis intéressant entre complexité et précision. Le concept exploré en détail dans un premier temps, consiste à remplacer les moteurs galvanométriques, onéreux et impliquant des éléments mécaniques à haute dynamiques, par un dispositif de scrutation local basé sur un réseau de sources lasers. Cette approche multi-faisceaux donne une première mesure de position de la cible sans la nécessité de générer un mouvement à cet organe. Afin d'élargir le champ de mesure, un second dispositif prend le relai permettant d'atteindre un volume sphérique. C'est le concept de combinaison mesure locale et mesure globale que nous proposons dans ces travaux de thèse. Cette approche hybride contribue à l'effort de coût avec cependant une dégradation de la précision mais une simplification du dispositif et de ses cibles. Au-delà de cet exemple, différentes autres possibilités de combinaison de mesures globales et locales sont envisageables en fonction des choix technologiques. Chacune d'entre elles possède des spécificités qui vont se traduire sous forme de forces et de faiblesses en fonction des besoins. L'usage d'une matrice de micro-miroir DMD ainsi que d'autres procédés de micro-fabrication représentent des voies d'innovation prometteuses afin de réduire les difficiles compromis entre performances, coût et facilité d'utilisation.

Si la question de l'origine du langage reste d'un abord compliqué, celle de l'origine des formes du langage semble plus susceptible de se confronter à la démarche expérimentale. Malgré leur infinie variété, d'évidentes régularités y sont présentes~: les universaux du langage. Nous les étudions par des raisonnements plus généraux sur l'émergence du langage, notamment sur la recherche de précurseurs onto- et phylogénétiques. Nous abordons trois thèmes principaux~: la situation de communication parlée, les architectures cognitives des agents et l'émergence des universaux du langage dans des sociétés d'agents. Notre première contribution est un modèle conceptuel des agents communicants en interaction, issu de notre analyse bibliographique. Nous en proposons ensuite une formalisation mathématique Bayésienne~: le modèle d'un agent est une distribution de probabilités, et la production et la perception sont des inférences bayésiennes. Cela permet la comparaison formelle des différents courants théoriques en perception et en production de la parole. Enfin, nos simulations informatiques de société d'agents identifient les conditions qui favorisent l'apparition des universaux du langage.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la vision artificielle. Plus précisément, nous nous sommes intéressés au suivi temps réel vidéo d'objets 3D mobiles dans des séquences d'images. A l'orgine de ces travaux, se trouve un algorithme, développé au LASMEA, dédié au suivi de motifs planaires texturés. Nous nous sommes proposés d'adapter cette méthode de suivi 2D à l'estimation du mouvement apparent d'objets 3D. Pour cela, l'objet 3D est modélisé à l'aide d'une collection d'images de référence. Pour chacune de ces vues, la solution 2D citée précédemment permet de suivre les mouvements fronto parallèles (déplacements de l'objet parallèlement au plan image) qui ne modifient pas de façon majeure l'aspect apparent dans l'image. Le point délicat, solutionné dans le cadre de cette thèse, est la détection et la gestion du changement d'aspect du motif suivi dû à des rotations relatives (caméra/objet) en site et azimut. Sur le plan pratique, l'approche proposée a permis le développement d'un système expérimental de suivi d'un visage et la navigation automatique d'un bras robotique, muni d'une caméra embarquée, autour d'un objet 3D.

Cette thèse aborde le problème de la navigation sûre pour véhicules autonomes en environnement dynamique. La sûreté est définie au moyen du concept des Etats de Collisions Inévitables (Inevitable Collision States [ICS]). Un ICS est un état dans lequel, quelque soit le contrôle appliqué au système robotique étudié, celui-ci entre en collision avec un obstacle. Pour sa propre sécurité et celle de son environnement, il est impératif qu'un système robotique n'entre donc jamais dans un tel état. Ce problème est trait'e en deux parties. La première partie est consacrée à la caractérisation des états de collisions inévitables. La deuxième partie à la définition d'un système de navigation permettant d'éviter de tels états. Des résultats en simulation et sur une plateforme expérimentale sont présentés pour valider l'approche.

L'objectif des travaux présentés dans cette HDR est de concevoir une méthode de conception orientée vers le comportement et dédiée à la robotique mobile et autonome. Cette méthode doit partir des informations disponibles, à savoir une description de la mission à accomplir. Constatant que les animaux ont un niveau d'autonomie élevé qui permettrait à des robots d'accomplir de nombreuses missions, nous avons choisi de focaliser cette étude, dans le cadre de l'approche animat, sur le “mécanisme de conception” à l'oeuvre dans la nature: la sélection naturelle. Ce processus algorithmique a l'avantage de ne prendre en compte que le résultat, c'est à dire la capacité à transmettre ses gènes dans un cadre naturel. Dans un cadre artificiel, c'est le bon accomplissement de la mission du robot qui est pris en compte. Nous nous sommes intéressé au passage à l'échelle de ces algorithmes en terme de complexité des comportements générés, l'algorithme évolutionniste étant utilisé pour synthétiser la structure et les paramètres d'un réseau de neurones artificiels. Une étude sur la modularité nous a révélé l'importance de la définition des pressions de sélection, conduisant à une approche dite d'exaptation. Nous avons alors proposé l'utilisation d'un cadre multi-objectif dans lequel la fonction de fitness récompensant le bon accomplissement de la tâche du robot est associé à des objectifs qui peuvent être indépendants de ce but, approche dite de “multi-objectivisation”. Dans ce contexte, en plus des travaux sur l'exaptation, nous avons proposé les contributions suivantes: * approche incrémentale multi-objectif: chaque sous-tâche du problème à résoudre est associée à un objectif indépendant. Il n'est alors pas nécessaire de les pondérer, de les ordonner ou de décider quand passer d'une tâche à une autre; * diversité comportementale: un objectif mesurant la distance moyenne au reste de la population dans l'espace des comportement est ajouté pour maintenir une diversité élevée dans cet espace. Cette approche s'est révélée très efficace, même avec les codages de réseaux de neurones les plus simples; * transférabilité: un objectif de transférabilité est maximisé pour faciliter le passage de la simulation à la réalité sans dégradation de performance. Dans la perspective de tendre vers des contrôleurs plus cognitifs et dans le cadre du projet ANR EvoNeuro, nous avons proposé une approche méthodologique s'appuyant sur les neurosciences et consistant à synthétiser des réseaux de neurones proches des modèles développés dans ce domaine. Sur la base d'un codage spécifique, nous avons ainsi reproduit des capacités élémentaires de sélection de l'action ou de mémoire de travail. L'objectif de ce projet est de synthétiser d'autres capacités cognitives en s'appuyant sur des protocoles d'évaluation venant des neurosciences avant de les appliquer dans un cadre robotique. Dans le cadre de ce projet, nous avons développé une méthode d'analyse multi-objectif permettant, sur la base d'une optimisation multi-objectif, de comparer et d'analyser les modèles complexes que les neuroscientifiques manipulent.

Ce manuscrit traite de la navigation autonome de systèmes robotiques dotés d'une caméra embarquée. Pour qu'un robot mobile puisse se déplacer automatiquement, il doit être doté de fonctionnalités lui permettant de se localiser dans son environnement, de se définir un chemin à suivre, et de contrôler ses mouvements jusqu'à sa position désirée. Dans notre approche, l'environnement de navigation est décrit par une base d'images acquise lors d'une phase d'apprentissage. L'utilisation de techniques de recherche d'images permet d'effectuer une localisation qualitative du système robotique. La définition du chemin à suivre est réalisée sans imposer une reconstruction 3D complète de la scène. Pour ce faire, la base d'images est organisée sous la forme d'un graphe valué dans lequel est prise en compte la facilité de mouvement entre les différentes vues de la base. Une représentation hiérarchique de ce graphe permet de simplifier la recherche de chemin. Le chemin de plus faible coût obtenu correspond à un ensemble de prises de vue permettant de relier visuellement les images acquises depuis les positions initiale et désirée du robot. Les mouvements du robot sont calculés en ligne, pour chaque image acquise par la caméra. Le chemin d'images correspond à une délimitation de la zone de l'environnement que doit observer la caméra durant les mouvements du robot. Les différentes vues de ce chemin ne sont pas considérées comme des positions cibles intermédiaires à atteindre. Nous avons proposé une loi de commande basée sur les principes d'asservissement visuel et de fonction de potentiel, afin de contraindre le système robotique à se mouvoir dans une zone où la visibilité d'amers visuels est considérée comme satisfaisante. Les amers utilisés sont initialement détectés sur le chemin d'images, et dynamiquement mis à jour durant la navigation par une technique de transfert d'images. Les résultats expérimentaux réalisés d'une part avec un robot cartésien, et d'autre part en simulation montrent le bien-fondé de notre approche de navigation.

Nous décrivons, dans cette thèse, des modèles et des algorithmes conçus pour produire des simulations dynamiques efficaces et consistantes, dans le contexte de la Robotique d'intervention (c'est-à-dire, pour les tâches robotiques qui impliquent des contraintes fortes sur la nature de l'interaction entre des objets qui ne sont pas forcément rigides). Ces modèles et ces algorithmes ont été intégrés et implantés dans le système Robot_Phy qui peut être potentiellement reconfiguré pour traiter une grande variété de tâches d'intervention, comme la manipulation dextre d'un objet par une main robotique, la manipulation d'un objet non rigide, la téléprogrammation du mouvement d'un véhicule tout-terrain, ou encore des tâches chirurgicales assistées par robot (par exemple, le positionnement d'un ligament artificiel dans la chirurgie du genou). L'approche utilise une nouvelle technique de modélisation physique pour produire des simulations dynamiques qui sont à la fois efficaces et consistantes avec les lois de la physique. Les avantages par rapport aux travaux antérieurs dans le domaine de la robotique et de la synthèse d'image sont: le développement d'une structure unique pour traiter simultanément le mouvement, les déformations, et les interactions; et l'incorporation d'algorithmes et de modèles appropriés pour obtenir un temps d'exécution efficace en assurant un comportement consistant avec les lois de la physique. Les contributions principales de ce système sont: l'intégration de la notion du système masse/ressort avec la dynamique d'objets rigides, la discrétisation adaptative basée sur la notion de matrice d'inertie et de centre d'inertie, le pas de temps adaptatif basé sur la notion de l'énergie mécanique pour optimiser le temps de calcul et éviter la divergence numérique, la détection rapide du contact entre polyèdres déformables, et l'identification des paramètres physiques en utilisant les algorithmes génétiques.

La chirurgie assistée par ordinateur a amené une valeur ajoutée significative aux interventions médicales, en fournissant des outils de mesures permettant au chirurgien de quantifier et contrôler leurs gestes. En orthopédie et notamment pour la pose de prothèse totale de genou (PTG), la chirurgie assistée par ordinateur a réduit de manière significative les variations d'alignement et de position, paramètres directement corrélés aux échecs précoces nécessitant une chirurgie de reprise. <br />Les cliniciens restent néanmoins demandeurs d'une précision accrue et de possibilités additionnelles, qui semblent ne pouvoir être offertes que par de la robotique ou des ‘outils intelligents' couplés à de la navigation.<br />Dans ce travail, un nouvel outil robotique dédié au fraisage de l'os pour les chirurgies des PTG a été développé. Notre robot miniature, appelé PRAXITELES, est fixé directement sur l'os sur l'un des côté du genou, il positionne avec précision un guide de fraisage qui permet chirurgien de faire manuellement les coupes.<br />Le fraisage manuel est un acte difficile avec peu de stabilité, c'est pourquoi, un modèle prédictif a été formulé, et des tests ont été menés pour mieux le comprendre et pour l'améliorer. La physique de la coupe osseuse a d'abord été étudiée dans le cas le plus simple : coupe à grande vitesse orthogonale (2D) et oblique (3D). Les résultats ont ensuite été intégrés dans un modèle flexible pour la prédiction des forces de fraisage comme fonction des paramètres chirurgicaux. A partir de l'analyse des forces et de la stabilité, nous faisons des recommandations sur les techniques de fraisages les plus optimales et sur le choix des outils. Des résultats expérimentaux sur cadavre avec notre nouveau robot et avec ces techniques de fraisage sont très encourageants et nous espérons démarrer des essais cliniques dans un futurs proche.

The goal of this thesis is to explore different control strategies to execute rhythmic movements. This issue is covered both with design perspectives (implementation in a robot) and analysis perspectives. Indeed we aim at analyzing both our robot behavior, and the behavior of human subjects executing the same task. Interesting parallels between these data sets are raised, illustrating for instance the ubiquitous trade-off of control theory between performance and robustness. / L'objectif de cette thèse est d'explorer différentes stratégies d'exécution des mouvements rythmiques. Cet objectif est couvert à la fois dans des perspectives d'implémentation (sur un robot) et d'analyse. En effet, nous souhaitons analyser à la fois le comportement de notre robot, et le comportement de sujets humains exécutant la même tâche. Des parallèles intéressants, entre les deux ensemble de données, sont proposés et illustrent, par exemple, le compromis entre la robustesse et la performance, souvent utilisé dans la thèorie du contrôle.