Dans le contexte de la robotique de service, les robots doivent interagir avec l'environnement et les humains qui s'y trouvent. La présence d'humain crée un contexte particulier où la sécurité et le confort des utilisateurs prime sur la dynamique du système. L'environnement n'étant pas figé dans ce contexte, l'utilisation de capteurs extéroceptifs est indispensable. Un premier thème développé dans le mémoire est la planification de trajectoires pour laquelle nous proposons de borner la vitesse, l'accélération et le jerk. Les trajectoires sont alors définies par une succession de cubiques, sept pour passer d'une situation initiale à une situation finale quelconque. La méthode est étendu à l'espace et au suivi d'une trajectoire définie par des points, les rotations y sont représentées par des quaternions. Nous proposons ensuite une commande par retour visuel fondée sur le suivi de mouvements souples planifiés. L'utilisation d'un filtre de Kalman étendu pour estimer la position de la cible autorise une auto-calibration du système. Des simulations et des expérimentations sur le robot Jido permettent de valider cette approche. Le planificateur de trajectoire est utilisé quotidiennement sur le robot Jido dans le cadre du projet européen Cogniron.

L'objectif de ce travail de thèse est de proposer un système robotique basé sur un asservissement visuel échographique pour l'assistance au chirurgien lors d'interventions écho-guidées. Ce système permet au chirurgien de sélectionner la position désirée d'un instrument dans une image échographique et de commander un robot pour qu'il déplace l'instrument jusqu'à la position spécifiée. L'application considérée est la réparation d'une valve mitrale à coeur battant.<br />Les principales contributions de ce travail se situent au niveau de la modélisation de l'imageur échographique, de la modélisation du système robotique et de sa commande. Plusieurs lois de commande à découplage par modèle cinématique inverse sont alors proposées. Elles sont évaluées à travers des études de stabilité par la méthode indirecte de Lyapunov et des simulations.<br />Enfin, le système proposé est mis en oeuvre et validé à travers des expériences in vitro et in vivo sur cochon, à coeur battant.

Les travaux de cette thèse s'articulent principalement autour de la détection de surfaces planes à partir de séquences d'images faiblement calibrées. La détection de telles surfaces offre des possibilités pour l'atterrissage autonome de drones, la coopération air/sol par la fusion de modèles de traversabilité ou encore la cartographie aérienne. Considérant d'abord le contexte d'images aériennes faiblement localisées (GPS métrique, centrale inertielle bas coût...), nous exploitons les propriétés des homographies, qui définissent le déplacement entre deux images de points appartenant à un même plan du monde. Nous avons utilisé cette propriété pour segmenter les régions des images contenant la projection d'un plan. Un soin particulier à été donné à l'évaluation de différents algorithmes d'estimation linéaire robuste dans le cadre de l'estimation d'homographie à partir de points appariés. Des données de synthèse ont été utilisées afin de mettre en évidence l'influence des paramètres de l'environnement sur la qualité des estimées. Ces résultats ont été par la suite confrontés à des données réelles. Ces techniques permettent de segmenter les points appariés selon qu'ils appartiennent ou non à une zone plane. Afin de produire une description dense (continue) des zones détectées, nous avons proposé une amélioration du score de corrélation normalisée croisée. En considérant un modèle adaptatif de l'influence des variances des niveaux de gris sur les scores de corrélation, nous avons introduit une méthode de segmentation automatique de zones planes offrant de bons résultats. L'introduction de modèles probabilistes nous a permis de fusionner les observations au fur et à mesure du déplacement de la caméra, et de construire des grilles locales qui représentent la probabilité de planéité sur des zones. Enfin dans l'optique de la coopération entre robots aériens et terrestres, nous avons étendu ces travaux au contexte de la robotique terrestre et de la fusion de modèles aéro-terrestres.

L'ETUDE PRESENTEE S'INSERE DANS LE VASTE DOMAINE DE LA VISION ARTIFICIELLE. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT L'INTEGRATION DU SYSTEME DE PERCEPTION TROIS DIMENSIONS (3D) DU ROBOT MOBILE AUTONOME HILARE. CE SYSTEME EST COMPOSE D'UNE CAMERA MATRICIELLE A SEMICONDUCTEURS, D'UN TELEMETRE LASER ET D'UNE STRUCTURE MECANIQUE ASSURANT LA DEFLEXION DU FAISCEAU LASER. DANS CE MEMOIRE SONT DECRITS: LA CONCEPTION DE LA STRUCTURE DEFLECTRICE; LE LOGICIEL DE TRAITEMENT DES IMAGES VIDEO MULTINIVEAUX BASE SUR L'UTILISATION D'UN OPERATEUR TOPOLOGIQUE; LE LOGICIEL D'ANALYSE DES DONNEES TELEMETRIQUES. CES LOGICIELS PERMETTENT RESPECTIVEMENT DE LOCALISER LE ROBOT PAR DETECTION DE BALISES LUMINEUSES, ET DE DETERMINER LA PROJECTION AU SOL DES OBSTACLES PRESENTS DANS LE SECTEUR EXPLORE. CES INFORMATIONS SONT TRANSMISES AU NIVEAU SUPERIEUR PAR VOIE HERTZIENNE

GENERALITES SUR LE PROBLEME POSE PAR L'ASSEMBLAGE AUTOMATIQUE D'OBJETS. LE PROBLEME DE LA MAITRISE DE L'ESPACE: MODELISATION DE L'UNIVERS DU MANIPULATEUR, LES DEPLACEMENTS DU ROBOT, LA REPRESENTATION GRAPHIQUE. LE PROBLEME DE LA MAITRISE DES FORCES: LE CONTACT PONCTUEL, DETERMINATION D'UNE ARETE, LES DEPLACEMENTS DE L'ORGANE TERMINAL DU ROBOT. LE MATERIEL MIS EN OEUVRE: LE MANIPULATEUR ET SA COMMANDE, LE POIGNET-CAPTEUR D'EFFORT, LE MINICALCULATEUR. LE LOGICIEL: L'INTERPRETEUR, LA GESTION DES MICROPROCESSEURS. EXPERIMENTATION: CALIBRAGE, RECONNAISSANCE DES ANGLES D'UNE PIECE, SUIVI D'UNE PAROI

Le système auditif de l'homme fournit de nombreuses informations sur son environnement sonore. Nous sommes par exemple capables de localiser précisément l'origine d'un son et d'en interpréter sa signification, si bien qu'il parait aujourd'hui extrêmement difficile de se passer de ces informations sonores dans un monde dynamique et imprévisible. Pourtant, la robotique mobile n'a que très peu intégré cette modalité auditive, bien qu'elle apparaisse indispensable pour compléter les informations délivrées par les autres capteurs extéroceptifs tels que les caméras, les télémètres lasers ou les d´etecteurs ultra-sonores. Nous présentons dans cette thèse la conception d'un système auditif artificiel, composé de 8 microphones omnidirectionnels et d'une carte d'acquisition/traitement, pour la localisation de source sonore. Cette problématique a déjà été très largement traitée dans la littérature issue du Traitement du Signal et de l'Acoustique. Cependant, des contraintes inédites d'embarquabilité et de temps réel imposées par la robotique limitent l'applicabilité de ces méthodes pour des signaux large bande tels que la voix. Après une étude bibliographique approfondie sur les solutions de localisation déjà proposées en robotique, nous envisageons la définition de formations de voie invariantes en fréquence. Celles-ci sont synthétisées selon une nouvelle méthode d'optimisation convexe basée sur la représentation modale des diagrammes de directivité. Cette solution permet d'améliorer sensiblement la résolution des basses fréquences, aussi bien en champ proche qu'en champ lointain, malgré l'utilisation d'une antenne de microphones de petite taille. Nous exploitons ensuite ces nouvelles formations de voie optimisées pour le tracé d'une carte de puissance acoustique de l'environnement. Comparativement aux méthodes conventionnelles, la localisation s'avère plus précise et permet de traiter des signaux large bande sur la bande de fréquence 400Hz-3kHz. Nous évaluons enfin une extens ion récente de la méthode MUSIC dans l'espace des formations de voie pouvant être compatible avec les contraintes liées au contexte robotique.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte de la robotique de manipulation distante où les possibilités de communication entre l'opérateur et le site robotisé sont réduites. Pour accroître l'autonomie de fonctionnement du manipulateur distant, il faut pouvoir raisonner sur un modèle du robot et de son environnement de travail. En raison de la connaissance imprécise de ce dernier, il est indispensable de disposer de moyens d'identification des positions et de la taille des objets en interaction avec le robot. De plus, le caractère non répétitif et la complexité des tâches envisagées nécessitent l'emploi d'un système rapidement reconfigurable et susceptible de traiter des problèmes suffisamment généraux. Dans cette perspective, l'approche proposée de spécification de tâches par contraintes autorise une description des actions à effectuer en termes de mobilités et de contraintes de contact à établir ou maintenir entre certains corps. Les relations de contraintes résultantes sont alors traitées par un module de résolution basé sur un schéma numérique itératif de type Newton-Raphson. Un niveau important de robustesse a été atteint grâce à une gestion dynamique du conditionnement des équations qui permet un choix automatique du scénario de résolution. Les applications de l'approche incluent en premier lieu la génération de trajectoires complexes et continues pour des systèmes robotisés quelconques. La mise en place de contraintes peut aussi être exploitée pour accomplir, localement, des évitements d'obstacles. Enfin, cette démarche se prête également à la résolution de tâches de calibration des objets présents dans l'univers du robot. Cette caractéristique est essentielle dans le contexte de manipulation distante où les modèles sont mal connus a priori. Finalement, la présentation d'un scénario expérimental de suivi de joint de soudure, mis en œuvre sur un manipulateur réel, nous permet de formuler une proposition pour l'exécution de tâches robotisées sur sites distants

L'évolution autonome d'un robot dans un environnement évolutif nécessite qu'il soit doté de capacités de perception, d'action et de décision suffisantes pour réaliser la tâche assignée. Une tâche essentielle en robotique est la manipulation d'objets et d'outils. Elle intervient non seulement pour un robot seul mais également dans des situations d'interaction avec un humain ou un autre robot quand il s'agit d'échanger des objets ou de les manipuler conjointement. Cette thèse porte sur la planification de tâches de manipulation d'objets pour un robot autonome dans un environnement humain. Une architecture logicielle susceptible de résoudre ce type de problèmes au niveau géométrique est proposée. Généralement, une tâche de manipulation commence par une opération de saisie dont la qualité conditionne fortement la réussite de la tâche et pour laquelle nous proposons un planificateur basé sur les propriétés inertielles de l'objet et une décomposition en éléments quasi-convexes tout en prenant en compte les contraintes imposées par le système mobile complet dans un environnement donné. Les résultats sont validés en simulation et sur le robot sur la base d'une extension des outils de planification développés au LAAS-CNRS. Le modèle géométrique 3D de l'objet peut être connu a priori ou bien acquis en ligne. Des expérimentations menées sur un robot manipulateur mobile équipé d'une pince à trois points de contacts, de capteurs de force et d'une paire de caméras stéréoscopiques ont montré la validité de l'approche.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotisée pour la chirurgie cardiaque à coeur battant. Une première contribution est la synthèse d'une nouvelle architecture d'asservissement visuel dans l'image en utilisant une commande prédictive non linéaire. Cette structure permet de respecter les contraintes du système en gérant simultanément la planification de trajectoire et le contrôle. La loi de commande a été validée sur une plate-forme robotique en vision standard. La structure a également été adaptée pour la vision échographique. Elle permet ainsi de contrôler les déplacements d'un outil en imposant que celui-ci respecte la contrainte d'intersection avec le plan échographique. Des expérimentations ont également permis de montrer l'efficacité de cette loi de commande. Cette seconde contribution s'intègre dans le cadre de l'assistance à la chirurgie cardiaque endovasculaire, et plus particulièrement la réparation de valve mitrale. Dans ce contexte, la localisation de la valve mitrale en temps réel est obtenue en utilisant une méthode qui repose sur la détection de la jonction entre la paroi et la valve et également d'un modèle à 2 ddl de la valve. L'algorithme proposé a été validé sur une séquence in vivo. Enfin, une estimation in vivo des déplacements 3D du coeur à partir des images endoscopiques a été proposée et représente une première étape d'un projet de compensation automatique des mouvements du coeur pour la chirurgie coronarienne.

Les systèmes robotiques autonomes évoluent dans des environnements fortement imprévisibles, et sont sujets à des très grandes imprécisions des capteurs et de leur connaissance en général. De fait, ils sont construits dans l'objectif de robustesse et non pas de fournir des modèles de leur comportement, qui sont nécessaires à la prise de décision de plus haut niveau, type planification ou contrôle d'exécution. Dans les applications actuelles, ils sont souvent très abstraits et simplifiés par rapport à une application réelle. Nous proposons d'explorer la construction automatique de modèles intermédiaires stochastiques pour des systèmes robotiques réels. Dans un premier temps, nous expliquons la construction de modèles de Markov cachés, des données brutes à la définition d'états inobservables, et leur apprentissage. Nous passons ensuite à des modèles d'expressivité plus grande, et expliquons pourquoi les méthodes de calcul exact sont impossibles à appliquer. Nous montrons alors un algorithme original d'apprentissage quantitatif de tels modèles, et passons en revue différentes méthodes d'apprentissage de la causalité sous-jacente. Nous montrons une utilisation de tels modèles pour optimiser un comportement robotique, et pour que le système puisse décider d'apprendre.