La robotique actuelle est principalement limitée à des tâches de positionnement rapide d'outils. En effet, malgré beaucoup d'efforts de recherche et développement, les robots classiques ont peu de succès pour les tâches d'interaction avec des environnements incertains. De plus, la faible densité massique de puissance des systèmes d'actionnement classique (moteur électrique, réducteur et joint) est contraignante pour les robots mobiles et les mécanismes des véhicules où la masse est critique. Le laboratoire CAMUS explore une nouvelle architecture robotique qui consiste à remplacer les composants complexes (joints, roulements, engrenages, moteurs, etc.) par une structure flexible incluant plusieurs éléments actifs (muscles artificiels). Les avantages d'une telle architecture sont la légèreté, la redondance des actionneurs et la faible impédance passive, des atouts particulièrement intéressants pour la robotique et les mécanismes en aérospatiale. Cette approche est étudiée dans un premier temps en développant des robots constitués d'un corps flexible en polymère incluant plusieurs petits muscles pneumatiques intégrés. Ce mémoire documente le développement d'une méthode de contrôle adaptée à cette nouvelle architecture, car les méthodes classiques ne sont pas applicables. La méthode de contrôle proposée, le contrôle par vecteur d'influence, permet de contrôler une sortie vectorielle (multivariable), comme une position où une force, en recrutant des actionneurs selon leurs vecteurs d'influence sur cette sortie. La méthode ne nécessite pas de modèle analytique car les vecteurs d'influence sont identifiés expérimentalement, ce qui s'avère un atout majeur puisque qu'il est très difficile d'obtenir des modèles précis de systèmes cellulaires. Pour le contrôle en position, le contrôleur proposé utilise une approche probabiliste et un algorithme génétique pour déterminer la combinaison optimale d'actionneurs à recruter. Pour le contrôle de mouvements continus, le contrôleur utilise une approche par surface de glissement et une loi de contrôle indépendante pour chacun des actionneurs. La méthode de contrôle proposée est validée expérimentalement sur un robot prototype utilisant vingt muscles pneumatiques binaires intégrés dans une structure souple en polymère. Les résultats expérimentaux confirment 1'efficacité de la méthode et son habileté à tolérer des perturbations massives et des pannes d'actionneurs.

Le vieillissement de la population à travers le monde nous amène à considérer sérieusement l'intégration dans notre quotidien de robots de service afin d'alléger les besoins pour la prestation de soins. Or, il n'existe pas présentement de robots de service suffisamment avancés pour être utiles en tant que véritables assistants à des personnes en perte d'autonomie. Un des problèmes freinant le développement de tels robots en est un d'intégration logicielle. En effet, il est difficile d'intégrer les multiples capacités de perception et d'action nécessaires à interagir de manière naturelle et adéquate avec une personne en milieu réel, les limites des ressources de calculs disponibles sur une plateforme robotique étant rapidement atteintes. Même si le cerveau humain a des capacités supérieures à un ordinateur, lui aussi a des limites sur ses capacités de traitement de l'information. Pour faire face à ces limites, l'humain gère ses capacités cognitives avec l'aide de l'attention sélective. L'attention sélective lui permet par exemple d'ignorer certains stimuli pour concentrer ses ressources sur ceux utiles à sa tâche. Puisque les robots pourraient grandement bénéficier d'un tel mécanisme, l'objectif de la thèse est de développer une architecture de contrôle intégrant un mécanisme d'attention sélective afin de diminuer la charge de calcul demandée par les différents modules de traitement du robot. L'architecture de contrôle utilisé est basée sur l'approche comportementale, et porte le nom HBBA, pour Hybrid Behavior-Based Architecture. Pour répondre à cet objectif, le robot humanoïde nommé IRL-1 a été conçu pour permettre l'intégration de multiples capacités de perception et d'action sur une seule et même plateforme, afin de s'en servir comme plateforme expérimentale pouvant bénéficier de mécanismes d'attention sélective. Les capacités implémentées permettent d'interagir avec IRL-1 selon différentes modalités. IRL-1 peut être guidé physiquement en percevant les forces externes par le bias d'actionneurs élastiques utilisés dans la direction de sa plateforme omnidirectionnelle. La vision, le mouvement et l'audition ont été intégrés dans une interface de téléprésence augmentée. De plus, l'influence des délais de réaction à des sons dans l'environnement a pu être examinée. Cette implémentation a permis de valider l'usage de HBBA comme base de travail pour la prise de décision du robot, ainsi que d'explorer les limites en termes de capacités de traitement des modules sur le robot. Ensuite, un mécanisme d'attention sélective a été développé au sein de HBBA. Le mécanisme en question intègre l'activation de modules de traitement avec le filtrage perceptuel, soit la capacité de moduler la quantité de stimuli utilisés par les modules de traitement afin d'adapter le traitement aux ressources de calculs disponibles. Les résultats obtenus démontrent les bénéfices qu'apportent un tel mécanisme afin de permettre au robot d'optimiser l'usage de ses ressources de calculs afin de satisfaire ses buts. De ces travaux résulte une base sur laquelle il est maintenant possible de poursuivre l'intégration de capacités encore plus avancées et ainsi progresser efficacement vers la conception de robots domestiques pouvant nous assister dans notre quotidien.

Les systèmes d’actionnement couramment utilisés sur les systèmes de robotiques mobiles tels que les exosquelettes ou les robots marcheurs sont majoritairement électriques. Les batteries couplées à des moteurs électriques souffrent toutefois d’une faible densité de stockage énergétique et une faible densité de puissance, ce qui limite l’autonomie de ces dispositifs pour une masse de système donnée. Une étude comparative des systèmes d’actionnement potentiels a permis de déterminer que l’utilisation d’une source d’énergie chimique permettait d’obtenir une densité de stockage énergétique supérieure aux batteries. De plus, il a été déterminé que l’utilisation de la combustion directement dans un actionneur pneumatique souple permettrait d’obtenir une densité de puissance beaucoup plus élevée que celle des moteurs électriques. La conception, la fabrication et la caractérisation de plusieurs types d’actionneurs pneumatiques pressurisés directement par la combustion d’une source d’énergie chimique ont permis d’évaluer la faisabilité de l’approche, dans un contexte de robotique mobile, plus précisément pour des tâches de locomotion. Les paramètres permettant d’obtenir une efficacité énergétique élevée ont été étudiés. Il a été démontré que le ratio de compression et le ratio d’expansion doivent être optimisés. De plus, comme les pertes thermiques sont le mécanisme de perte dominant, le ratio d’équivalence devrait être réduit au minimum. Parmi les carburants usuels, l’hydrogène permet d’atteindre les valeurs de ratio d’équivalence les plus faibles, ce qui en fait un choix de carburant idéal. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour corréler un modèle analytique d’un actionneur pneumatique à combustion. Ce modèle analytique est par la suite utilisé pour vérifier la faisabilité théorique de l’utilisation de l’approche d’actionnement pour fournir la puissance à un dispositif d’assistance à la locomotion.

Un robot social doit être capable d'interagir avec des humains. Pour cela, il est essentiel de savoir communiquer de façon naturelle. L'audition artificielle appliquée en robotique est une approche intéressante puisque la voix est le principal mécanisme de communication des humains entre eux. Au-delà des mots prononcés, il est aussi important de savoir y décoder le contenu paralinguistique qui donne beaucoup de renseignements sur le locuteur. Entre autres, les émotions véhiculées dans la voix du locuteur peuvent aider un robot à comprendre une situation, à savoir si une personne est satisfaite ou non de son travail, si une personne a peur, etc. Pour qu'une interaction par la voix avec un robot soit fonctionnelle et intéressante pour le locuteur, plusieurs éléments matériels et logiciels sont nécessaires. L'interaction doit aussi tenir compte de certaines règles de conduite qui facilitent les échanges d'information et la compréhension lors d'un dialogue. Ce mémoire présente donc un système d'interaction humain-robot par la voix qui intègre ces éléments dans une même plateforme. Il utilise 8SoundsUSB et le système ManyEars pour faire l'acquisition et le prétraitement du signal audio. Un détecteur d'activité vocale vient ensuite distinguer le bruit stationnaire ambiant des sources sonores représentant la voix. Une fois le signal de la voix récupéré, il est analysé pour en décoder les mots prononcés et l'émotion. La reconnaissance de la parole est effectuée à partir de l'outil Google Speech API. La reconnaissance des émotions par la voix est basée sur l'algorithme de [Attabi et Dumouchel, 2013] qui utilise les Anchor Models, et caractérise les émotions perçues en trois catégories : neutre, négatif ou positif. Une nouvelle implémentation de cet algorithme a été validée en simulation, puis dans des essais en temps-réel. Le logiciel Palaver [McClain, 2013] permet ensuite d'interpréter les mots et les émotions en les associant à une réponse que le robot peut prononcer à l'aide d'un module de synthèse vocale. Enfin, le gestionnaire de dialogues Disco [Rich et Sidner, 2012] est utilisé afin de réaliser des interactions plus soutenues sur un même sujet. L'objectif final du projet est de vérifier si l'ajout de la capacité à percevoir les émotions dans la voix améliore l'interaction humain-robot. Pour cela, une interface graphique utilisant des concepts de la bande-dessinée a été développée afin d'illustrer de manière intégrée le contenu linguistique et le contenu paralinguistique détecté. Les résultats d'une étude réalisée auprès de 30 participants suggèrent que l'interaction humain-robot est plus appréciée lorsque le système reconnaît les émotions que lorsqu'il ne les reconnaît pas. Le projet a aussi permis d'identifier des éléments qui permettraient une meilleure intégration des différents éléments du système. Entre autres, l'amélioration du modèle des émotions doit passer par une base de données de voix locales plus grande et annotée par un plus grand nombre de personnes.

Le projet européen ANGELS a pour but de construire un robot anguille capable de naviguer par le sens électrique et de se scinder en plusieurs mono-agents pour des besoins d'exploration. Dans le cadre de ce projet, mon travail a consisté à élaborer un modèle de perception inspiré du poisson électrique, le challenge étant de faire de ce modèle un modèle de perception rapide et embarquable pour une détection en ligne par un engin sous-marin robotisé équipé du modèle. Deux modèles de perception ont été construits, s'appuyant tous deux sur une géométrie simple mais réaliste de capteur. Les deux modèles baptisés "modèle poly-sphérique " et " modèle des réflexions " provenant respectivement d'une intuition physique et d'une méthode mathématique appropriée se calibrent une fois pour toute avec un simulateur électrique, pourrevêtir in fine une forme analytique. Couplés aux modèles existant de réponses électriques d'objets, les modèles de perception ont permis de faire effectuer à un robot capteur des tâches basiques d'évitement et de détection, ce qui est à ce jour une première dans l'histoire. En parallèle, nous avons développé un formalisme générique de réponse d'objet permettant d'étendre le champ d'applicabilité des modèles de perception. Enfin, nous avons commencé à estimerl'impact d'une géométrie complexe de capteur présentant de larges surfaces isolantes sur la mesure pour envisager la modélisation du sens électrique par un capteur de forme arbitraire.

De nombreux outils existent pour résoudre les problèmes de planification sous contraintes. On peut les regrouper en deux classes principales. Les plus anciens planificateurs utilisent une discrétisation préalable de l'espace d'état. Les plus récents, les planificateurs à échantillonnage, permettent une exploration plus efficace. Ces planificateurs sont utilisés dans de nombreux domaines, comme la chimie, la biologie, la robotique, l'automatique ou encore l'intelligence artificielle. La contribution majeure de nos travaux est d'apporter une réponse au problème de planification de trajectoires en présence d'incertitudes en associant une technique de planification moderne, permettant une exploration rapide de l'espace d'état à des méthodes de localisation permettant de caractériser l'incertitude sur l'état du système à un instant donné. Deux approches ont été suivies. Dans la première, le planificateur utilise une représentation probabiliste de l'état du système à un instant donné, par une densité de probabilité gaussienne. La propagation des erreurs est effectuée en utilisant un filtre de Kalman étendu. Dans la deuxième approche, nous englobons dans un ensemble calculable les états que peut prendre le système à un instant donné compte tenu de bornes sur les erreurs commises. Contrairement à l'approche probabiliste précédente, cette approche permet de fournir une garantie sur la sûreté du système, à condition bien sûr que les hypothèses sur les bruits d'états qui la fondent soient satisfaites.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le projet européen ANGELS a pour but de construire un robot anguille capable de naviguer par le sens électrique et de se scinder en plusieurs mono-agents pour des besoins d’exploration. Dans le cadre de ce projet, mon travail a consisté à élaborer un modèle de perception inspiré du poisson électrique, le challenge étant de faire de ce modèle un modèle de perception rapide et embarquable pour une détection en ligne par un engin sous-marin robotisé équipé du modèle. Deux modèles de perception ont été construits, s’appuyant tous deux sur une géométrie simple mais réaliste de capteur. Les deux modèles baptisés «modèle poly-sphérique » et « modèle des réflexions » provenant respectivement d’une intuition physique et d’une méthode mathématique appropriée se calibrent une fois pour toute avec un simulateur électrique, pourrevêtir in fine une forme analytique. Couplés aux modèles existant de réponses électriques d’objets, les modèles de perception ont permis de faire effectuer à un robot capteur des tâches basiques d’évitement et de détection, ce qui est à ce jour une première dans l’histoire. En parallèle, nous avons développé un formalisme générique de réponse d’objet permettant d’étendre le champ d’applicabilité des modèles de perception. Enfin, nous avons commencé à estimerl’impact d’une géométrie complexe de capteur présentant de larges surfaces isolantes sur la mesure pour envisager la modélisation du sens électrique par un capteur de forme arbitraire. / The goal of the European project ANGELS is to build an eel-like robot capable to navigate by the electric sense and to divide itself in several mono-agents for exploration purposes. In the context of this project my work consisted in creating a perception model inspired from the electric fish with the virtue of being fast and so, to be usable in-line. Two models of perception were built and were based on a simple but realistic geometry of sensor. The two models named after the « poly-spherical model » and the « reflexions model » which come respectively from a physical intuition and an appropriate mathematical model are calibrated once for all with an electrical simulator in order to have analytical forms. Coupled with models of the electrical response of objects, the two models of perception permit the robot to achieve some basic tasks like detection and obstacles’ avoidance, which is a novelty in the history. In addition we have built a generic formalism of theelectrical response that extents the application of the models of perception. Finally we have begun to estimate the influence of a complex geometry of sensor, that exhibs large insulating surfaces, on the measurement in order to open the way for the rapid modelling of a sensor of arbitrary shape.

Cette thèse porte sur la conception et la validation expérimentale d’une architecture de téléopération avec retour d’effort pour la chirurgie endoluminale. Dans cette perspective, un robot chirurgical, à échelle mésoscopique, a été utilisé en tant que dispositif téléopéré. Ce robot, nommé SPRINT, a été développé dans le cadre du projet Européen ARAKNES (FP7, bourse no. 224565). L’objectif de ce projet, est d’insérer les degrés de liberté robotisés nécessaires aux manipulations chirurgicales à l’intérieur de la cavité péritonéale, ce qui permet d’apporter une assistance active durant la chirurgie laparoscopique à trocart unique. Pour répondre à cette problématique, plusieurs études ont été menées. Tout d’abord, une analyse détaillée du processus de conception des robots chirurgicaux a été réalisée, afin de garantir le transfert des technologies issues de la recherche vers le bloc opératoire. Puis, la mise en œuvre d’une architecture logicielle générique et temps réel a été décrite, servant de base au système actuel. Ce dernier est constitué d’un contrôleur adaptatif qui utilise un observateur d’état actif (AOB) ainsi qu’un modèle viscoélastique de tissus mous du type Kelvin- Boltzmann. Une telle association permet d’améliorer les performances du système de téléopération par rapport aux contributions précédentes qui utilisaient des modèles moins réalistes de tissus, tel que le modèle élastique. Dans ce contexte, deux schémas de téléopération de type “position-position” et “position-force” ont été proposés afin de répondre aux contraintes matérielles de la plateforme ARAKNES. La transparence et la stabilité, i.e. les deux paramètres qui permettent de quantifier les performances des systèmes téléopérés, des schémas proposés ont été étudiées. De plus, les effets d’une mise à l’échelle des positions qui sont commandées par le chirurgien, ainsi que des efforts ressentis par ce dernier, ont été examinés du point de la performance du système téléopéré. Enfin, la possibilité d’effectuer une commande sans-fil des robots chirurgicaux a été aussi abordée afin d’augmenter les libertés de mouvement des méso-robots et d’explorer les possibilités d’amélioration en termes de performance mécanique et de miniaturisation. / This dissertation deals with the design, implementation and experimental validation of a force-reflecting teleoperation architecture for robotic assisted endoluminal surgery. For this purpose, a meso-scale surgical robot was used as target device to be teleoperated. This robot, codenamed SPRINT, was developed during the ARAKNES European project (FP7, grant agreement no. 224565). The key idea of ARAKNES was to transfer the robot’s degrees of freedom required for surgery inside the peritoneal cavity, allowing to provide robotic assistance in single port laparoscopic surgery. In order to attain the objectives of this work, several studies were carried out : First, the specifics of surgical robotic design were investigated with the objective of guar- anteeing the technology transfer from research centers into the operating room. Second, a generic real-time software architecture for surgical robots was described, serving as support for the current implementation of the teleoperation control system. The latter system employs an adaptive controller which is based on an active state observer (AOB) and a viscoelastic Kelvin-Boltzmann soft-tissue environment model. This com- bination allows improving the performance with respect to previous works in the field that use less realistic soft-tissue environment models, such as the elastic model. In this context, two teleoperation schemes of types “position–position” and “position–force” were proposed in order to fulfill the hardware requirements of ARAKNES. Both schemes were analyzed in terms of their transparency and stability, i.e. the two parameters that allow quantifying the performance of teleoperated systems. Furthermore, the effects of scaling the po- sitions and the forces which are respectively commanded and felt by the surgeon, were examined regarding the surgeon’s performance, and also the system’s performance. Finally, the possibility of performing wireless control of surgical robots was also explored in order to increase the freedom of movement and, possibly, to improve the mechanical performance and/or miniaturization of the surgical robots that were employed.

Avec l’évolution des processus technologiques, l’intérêt pour la robotique mobile n’a de cesse d’augmenter depuis quelques années, notamment pour remplacer l’homme dans des environnements à risque (zones radioactives, robots militaires) ou des zones qui lui sont inaccessibles (exploration planétaire ou sous-marine), ou à des échelles différentes (robot à l’intérieur d’une canalisation, voire robot chirurgical à l’intérieur du corps humain). Dans ce même contexte, les systèmes de navigation destinés plus particulièrement à l’exploration sous-marine suscitent de plus en plus l’intérêt de plusieurs géologues, roboticiens et scientifiques en vue de mieux connaître et caractériser les réseaux sous-marins. Pour des raisons de sécurité optimale, de nouvelles technologies (Radar, Sonar, système de caméras,..) ont été développées pour remplacer les plongeurs humains.C’est dans ce cadre que s’intègre les travaux de cette thèse ayant comme objectif la mise en œuvre d’un système de vision stéréoscopique permettant l’acquisition d’informations utiles et le développement d’un algorithme pour la restitution de la structure 3D d’un environnement confiné aquatique. Notre système est composé d’une paire de capteurs catadioptriques et d’une ceinture de pointeurs lasers permettant d’identifier des amers visuels de la scène et d’une plateforme pour l’exécution du processus de traitement des images acquises. La chaîne de traitement est précédée par une phase d’étalonnage effectuée hors-ligne pour la modélisation géométrique du système complet. L’algorithme de traitement consiste à une analyse pixellique des images stéréoscopiques pour l’extraction des projections lasers 2D et reconstruire leurs correspondants 3D en se basant sur les paramètres d’étalonnage.La mise en œuvre du système complet sur une plateforme logicielle demande un temps d’exécution supérieur à celui exigé par l’application. Les travaux clôturant ce mémoire s’adressent à cette problématique, et proposent une solution permettant de simplifier le développement et l’implémentation d’applications temps-réel sur des plateformes basées sur un dispositif FPGA. La mise en œuvre de notre application a été effectuée et une étude des performances est présentée tout en considérant les besoins de l’application et ses exigences de point de vue précision, rapidité et taux d’efficacité. / With the development of technological processes, interest in mobile robotics is constantly increasing in recent years, particularly to replace human in environments of risk (radioactive areas, military robots) or areas that are inaccessible (planetary or underwater exploration), or at different scales (robot within a pipeline or surgical robot inside the human body). In the same context, navigation systems are designed specifically for underwater exploration which is attracting more and more interest of several geologists, robotics and scientists in order to better understand and characterize submarine environment. For optimal security, new technologies (radar, sonar, camera system, ..) have been developed to replace human.In this context, the work of this thesis is focusing with the aim of implementing a stereoscopic vision system to acquire useful information and the development of an algorithm for the restoration of the 3D structure of a confined aquatic environment. Our system consists of a pair of catadioptric sensors and a laser pointer belt permitting to identify visual landmarks of the scene and a platform for the implementation of the acquired image processing. The processing chain is preceded by an offline calibration phase to generate the geometric modeling of the complete system. The processing algorithm consists of pixel-wise analysis of the stereoscopic images for the extraction of 2D laser projections and rebuilds their 3D corresponding based on the calibration parameters.The implementation of the complete system on a software platform requests an execution time higher than that required by the application. The work closing the memory is addressed to this problem and proposes a solution to simplify the development and implementation of real-time applications on platforms based on a FPGA device. The implementation of our application was performed and a study of performance is presented, considering the requirements of the application in terms of precision, speed and efficiency rate.