Can robots of a swarm cooperate to solve together a complex cognitive problem that none of them can solve alone? TS-Swarm is a robot swarm that autonomously sequences tasks at run time and can therefore operate even if the correct order of execution is unknown at design time. The ability to sequence tasks endows robot swarms with unprecedented autonomy and is an important step towards the uptake of swarm robotics in a range of practical applications. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Les robots ont profondément transformé l’industrie manufacturière et sont susceptibles de délivrer de grands bénéfices pour la société, par exemple en intervenant sur des lieux de catastrophes naturelles, lors de secours à la personne ou dans le cadre de la santé et des transports. Ce sont aussi des outils précieux pour la recherche scientifique, comme pour l’exploration des planètes ou des fonds marins. L’un des obstacles majeurs à leur utilisation en dehors des environnements parfaitement contrôlés des usines ou des laboratoires, est leur fragilité. Alors que les animaux peuvent rapidement s’adapter à des blessures, les robots actuels ont des difficultés à faire preuve de créativité lorsqu’ils doivent surmonter un problème inattendu: ils sont limités aux capteurs qu’ils embarquent et ne peuvent diagnostiquer que les situations qui ont été anticipées par leur concepteurs. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui consiste à laisser le robot apprendre de lui-même un comportement palliant la panne. Cependant, les méthodes actuelles d’apprentissage sont lentes même lorsque l’espace de recherche est petit et contraint. Pour surmonter cette limitation et permettre une adaptation rapide et créative, nous combinons la créativité des algorithmes évolutionnistes avec la rapidité des algorithmes de recherche de politique à travers trois contributions : les répertoires comportementaux, l’adaptation aux dommages et le transfert de connaissance entre plusieurs tâches. D’une manière générale, ces travaux visent à apporter les fondations algorithmiques permettant aux robots physiques d’être plus robustes, performants et autonomes. / Robots have transformed many industries, most notably manufacturing, and have the power to deliver tremendous benefits to society, for example in search and rescue, disaster response, health care, and transportation. They are also invaluable tools for scientific exploration of distant planets or deep oceans. A major obstacle to their widespread adoption in more complex environments and outside of factories is their fragility. While animals can quickly adapt to injuries, current robots cannot “think outside the box” to find a compensatory behavior when they are damaged: they are limited to their pre-specified self-sensing abilities, which can diagnose only anticipated failure modes and strongly increase the overall complexity of the robot. In this thesis, we propose a different approach that considers having robots learn appropriate behaviors in response to damage. However, current learning techniques are slow even with small, constrained search spaces. To allow fast and creative adaptation, we combine the creativity of evolutionary algorithms with the learning speed of policy search algorithms through three contributions: the behavioral repertoires, the damage recovery using these repertoires and the transfer of knowledge across tasks. Globally, this work aims to provide the algorithmic foundations that will allow physical robots to be more robust, effective and autonomous.

Le concept de “Business Rule Management System” (BRMS) a été introduit pour faciliter la création, la vérification, le déploiement et l'exécution des politiques commerciales propres à chaque compagnie. Basée sur une approche symbolique, l'idée générale est de permettre aux utilisateurs métier de gérer les changements des règles métier dans le système sans avoir besoin de recourir à des compétences techniques. Il s'agit donc de fournir à ces derniers la possibilité de formuler des politiques commerciales et d'automatiser leur traitement tout en restant proche du langage naturel. De nos jours, avec l'expansion de ce type de systèmes, il faut faire face à des logiques de décision de plus en plus complexes et à de larges volumes de données. Il n'est pas toujours facile d'identifier les causes conduisant à une décision. On constate ainsi un besoin grandissant de justifier et d'optimiser les décisions dans de courts délais qui induit l'intégration à ses systèmes d'une composante d'explication évoluée. Le principal enjeu de ces recherches est de fournir une approche industrialisable de l'explication des processus de décision d'un BRMS et plus largement d'un système à base de règles. Cette approche devra être en mesure d'apporter les informations nécessaires à la compréhension générale de la décision, de faire office de justification auprès d'entités internes et externes ainsi que de permettre l'amélioration des moteurs de règles existants. La réflexion se portera tant sur la génération des explications en elles-mêmes que sur la manière et la forme sous lesquelles elles seront délivrées. / The concept of “Business Rule Management System” (BRMS) has been introduced in order to facilitate the design, the management and the execution of company-specific business policies. Based on a symbolic approach, the main idea behind these tools is to enable the business users to manage the business rule changes in the system without requiring programming skills. It is therefore a question of providing them with tools that enable to formulate their business policies in a near natural language form and automate their processing. Nowadays, with the expansion of intelligent systems, we have to cope with more and more complex decision logic and large volumes of data. It is not straightforward to identify the causes leading to a decision. There is a growing need to justify and optimize automated decisions in a short time frame, which motivates the integration of advanced explanatory component into its systems. Thus, the main challenge of this research is to provide an industrializable approach for explaining the decision-making processes of business rules applications and more broadly rule-based systems. This approach should be able to provide the necessary information for enabling a general understanding of the decision, to serve as a justification for internal and external entities as well as to enable the improvement of existing rule engines. To this end, the focus will be on the generation of the explanations in themselves as well as on the manner and the form in which they will be delivered.

Les agents virtuels conversationnels ayant un comportement social reposent souvent sur au moins deux disciplines différentes : l’informatique et la psychologie. Dans la plupart des cas, les théories psychologiques sont converties en un modèle informatique afin de permettre aux agents d’adopter des comportements crédibles. Nos travaux de thèse se positionnent au croisement de ces deux champs disciplinaires. Notre objectif est de renforcer la crédibilité des agents conversationnels. Nous nous intéressons aux agents conversationnels orientés tâche, qui sont utilisés dans un contexte professionnel pour produire des réponses à partir d’une base de connaissances métier. Nous proposons un modèle affectif pour ces agents qui s’inspire des mécanismes affectifs chez l’humain. L’approche que nous avons choisie de mettre en œuvre dans notre modèle s’appuie sur la théorie des Tendances à l’Action en psychologie. Nous avons proposé un modèle des émotions en utilisant un formalisme inspiré de la logique BDI pour représenter les croyances et les buts de l’agent. Ce modèle a été implémenté dans une architecture d’agent conversationnel développée au sein de l’entreprise DAVI. Afin de confirmer la pertinence de notre approche, nous avons réalisé plusieurs études expérimentales. La première porte sur l’évaluation d’expressions verbales de la tendance à l’action. La deuxième porte sur l’impact des différentes stratégies de régulation possibles sur la perception de l’agent par l’utilisateur. Enfin, la troisième étude porte sur l’évaluation des agents affectifs en interaction avec des participants. Nous montrons que le processus de régulation que nous avons implémenté permet d’augmenter la crédibilité et le professionnalisme perçu des agents, et plus généralement qu’ils améliorent l’interaction. Nos résultats mettent ainsi en avant la nécessité de prendre en considération les deux mécanismes émotionnels complémentaires : la génération et la régulation des réponses émotionnelles. Ils ouvrent des perspectives sur les différentes manières de gérer les émotions et leur impact sur la perception de l’agent. / Conversational virtual agents with social behavior are often based on at least two different disciplines : computer science and psychology. In most cases, psychological findings are converted into computational mechanisms in order to make agents look and behave in a believable manner. In this work, we aim at increasing conversational agents’ belivielibity and making human-agent interaction more natural by modelling emotions. More precisely, we are interested in task-oriented conversational agents, which are used as a custumer-relationship channel to respond to users request. We propose an affective model of emotional responses’ generation and control during a task-oriented interaction. Our proposed model is based, on one hand, on the theory of Action Tendencies (AT) in psychology to generate emotional responses during the interaction. On the other hand, the emotional control mechanism is inspired from social emotion regulation in empirical psychology. Both mechanisms use agent’s goals, beliefs and ideals. This model has been implemented in an agent architecture endowed with a natural language processing engine developed by the company DAVI. In order to confirm the relevance of our approach, we realized several experimental studies. The first was about validating verbal expressions of action tendency in a human-agent dialogue. In the second, we studied the impact of different emotional regulation strategies on the agent perception by the user. This study allowed us to design a social regulation algorithm based on theoretical and empirical findings. Finally, the third study focuses on the evaluation of emotional agents in real-time interactions. Our results show that the regulation process contributes in increasing the credibility and perceived competence of agents as well as in improving the interaction. Our results highlight the need to take into consideration of the two complementary emotional mechanisms : the generation and regulation of emotional responses. They open perspectives on different ways of managing emotions and their impact on the perception of the agent.

Nous cherchons à équiper un processus d’aide à la décision d’outils permettantde répondre aux exigences de redevabilité. Un décideur fournit de l’information quant à ses préférences au sujet de la façon d’arbitrer entre des points de vue conflictuels. Un analyste, chargé d’éclairer la prise de décision, fait l’hypothèse d’un modèle de raisonnement, et l’ajuste aux informations fournies par le décideur. Nous faisons l’hypothèse d’un processus d’élicitation robuste, dont les recommandations sont déduites des éléments dialectiques. Nous nous sommes donc intéressés à la résolution d’un problème inverse concernant le modèle, ainsi qu’à la production d’explications, si possible correctes, complètes, facile à calculer et à comprendre. Nous avons considéré deux formes de représentation du raisonnement: l’une ayant trait à la comparaison de paires d’alternatives fondée sur un modèle de valeur additive, l’autre ayant trait au tri des alternatives dans des catégories ordonnées fondé sur un raisonnement non-compensatoire. / We consider providing a decision aiding process with tools aiming at complying to the demands of accountability. Decision makers, seeking support, provide preference information in the form of reference cases, that illustrates their views on the way of taking into account conflicting points of view. The analyst, who provides the support, assumes a generic representation of the reasoning with preferences, and fits the aggregation procedure to the preference information. We assume a robust elicitation process, where the recommendations stemming from the fitted procedure can be deduced from dialectical elements. Therefore, we are interested in solving an inverse problem concerning the model, and in deriving explanations, if possible sound, complete, easy to compute and to understand. We address two distinct forms of reasoning: one aimed at comparing pairs of alternatives with an additive value model, the other aimed at sorting alternatives into ordered categories with a noncompensatory model.

Dans cette thèse, nous utilisons des modèles de parties déformables (Deformable Part Models – DPMs) pour apprendre à détecter des parties d’objets. Pour une image d’un objet, l’objectif est de déterminer l’emplacement des parties de cet objet dans l’image. Le problème d’optimisation qui en résulte est non-convexe et difficile en raison de son grand espace de recherche.Notre première contribution consiste à étendre les DPMs à la troisième dimension, grâce à un algorithme par séparation et évaluation (Branchand- Bound). Nous élaborons un algorithme personnalisé qui est deux fois plus rapide qu’une approche naïve et garantit l’optimalité globale. Nous dérivons pour le modèle 3-dimensionnel une structure 3-dimensionnel. Cependant, nous entrainons un algorithme prenant en compte chaque sous point de vue de l’apparence. Nous démontrons notre approche sur la tache de l’estimation 3-dimensionnel de la posture, en déterminant la posture de l’objet dans une fraction de second.Notre deuxième contribution nous permet d’effectuer une inférence efficace sur des modèles où les connexions des parties forment un graphe avec des boucles, étendant ainsi des modèles plus riches. Pour cela, nous utilisons l’algorithme des directions alternées (Alternating Direction Method of Multipliers – ADMM) pour découpler le problème et résoudre itérativement un ensemble de sous-problèmes plus faciles. Nous calculons les paramètres du modèle via un Réseaux Neuronal Convolutif pour la détermination de la posture 3-dimensionnel. L’inférence développée est utilisée comme dernière couche du réseau neural. Cela permet d’obtenir une performance à l’état de l’art pour la tâche d’estimation de pose humaine en 3D. / In this work we use Deformable Part Models (DPMs) to learn and detect object parts in 3 dimensions. Given a single RGB image of an object, the objective is to determine the location of the object’s parts. The resulting optimization problem is non-convex and challenging due to its large solution space.Our first contribution consists in extending DPMs into the third dimension through an efficient Branch-and-Bound algorithm. We devise a customized algorithm that is two orders of magnitude faster than a naive approach and guarantees global-optimality. We derive the model’s 3-dimensional geometry from one 3-dimensional structure, but train viewpoint-specific part appearance terms based on deep learning features. We demonstrate our approach on the task of 3D object pose estimation, determining the object pose within a fraction of a second.Our second contribution allows us to perform efficient inference with part-based models where the part connections form a graph with loops, thereby allowing for richer models. For this, we use the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) to decouple the problem and solve iteratively a set of easier sub-problems. We compute 3-dimensional model parameters in a Convolutional Neural Network for 3D human pose estimation. Then we append the developed inference algorithm as final layer to this neural network. This yields state of the art performance in the 3D human pose estimation task.

Attention is important in learning, Attention-deficit/hyperactivity disorder, Driving, and many other fields. Hence, intelligent tutoring systems, Attention-deficit/hyperactivity disorder diagnosis systems, and distraction detection of driver systems should be able to correctly monitor the attention levels of individuals in real time in order to estimate their attentional state. We study the feasibility of detecting distraction and concentration by monitoring participants' attention levels while they complete cognitive tasks using Electroencephalography and Eye Tracking in a virtual reality environment. Furthermore, we investigate the possibility of improving the concentration of participants using relaxation in virtual reality. We developed an indicator that estimates levels of attention with a real value using EEG data. The participant-independent indicator based on EEG data we used to assess the concentration levels of participants correctly predicts the concentration state with an accuracy (F1 = 73%). Furthermore, the participant-independent distraction model based on Eye Tracking data correctly predicted the distraction state of participants with an accuracy (F1 = 89%) in a participant-independent validation setting. / La concentration est importante dans l’apprentissage, Le trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité, la conduite automobile et dans de nombreux autres domaines. Par conséquent, les systèmes de tutorat intelligents, les systèmes de diagnostic du trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité et les systèmes de détection de la distraction au volant devraient être capables de surveiller correctement les niveaux d’attention des individus en temps réel afin de déduire correctement leur état attentionnel. Nous étudions la faisabilité de la détection de la distraction et de la concentration en surveillant les niveaux d’attention des participants pendant qu’ils effectuent des tâches cognitives en utilisant l’Électroencéphalographie et l’Eye Tracking dans un environnement de réalité virtuelle. En outre, nous étudions la possibilité d’améliorer la concentration des participants en utilisant la relaxation en réalité virtuelle. Nous avons mis au point un indicateur qui estime les niveaux d’attention avec une valeur réelle en utilisant les données EEG. L’indicateur indépendant du participant basé sur les données EEG que nous avons utilisé pour évaluer les niveaux de concentration des participants prédit correctement l’état de concentration avec une précision (F1 = 73%). De plus, le modèle de distraction indépendant des participants, basé sur les données d’Eye Tracking, a correctement prédit l’état de distraction des participants avec une précision (F1 = 89%) dans un cadre de validation indépendant des participants.

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

Quantité de réflexions et de discussions sont en cours au sujet de ce qu'est au juste l'intelligence artificielle et de ce qu'il adviendra de nous, les humains, dans la foulée de son émergence. Tout comme les nanotechnologies, les biotechnologies, la robotique et les autres technologies émergentes, souvent regroupées sous le néologisme technosciences, l'intelligence artificielle est source de spéculation et d'inquiétude concernant la nature de la technique et son impact sur la nature de l'homme. Certains humanistes romantiques pensent que ce que nous sommes pourrait être diminué ou perdu, que la subjectivité humaine est et continuera d'être érodée par la prolifération de processus artificiels de plus en plus autonomes. Certains transhumanistes, de leur côté, provoquent et invoquent ces transformations, les considérant comme des explorations légitimes et souhaitables de nouvelles possibilités et optimisations. L'exercice que ce mémoire propose est de superposer à une présentation de l'IA contemporaine une exploration théorique plus large des notions de technosciences, d'humanisme et de posthumanisme. Pour ce faire, nous présenterons les thèses de trois auteurs qui partagent la crainte de la diminution et de la dénaturation de l'humain dans la foulée de l'émergence des théories cybernétiques et de la recherche et développement technoscientifique. Nous explorerons ensuite un éventail de pensées et réflexions qui nuancent ou contredisent ces thèses. Car si les technologies émergentes nous poussent à mettre en doute notre propre importance et pointent vers notre potentielle obsolescence, elles rendent aussi possibles un éventail d'expériences et de manifestations nouvelles. À travers l'exploration de la notion d'anthropocentrisme chère à l'humanisme, à celle de la co-évolution humain-technologie mise de l'avant par les théoriciens posthumanistes, l'objectif de ce mémoire est d'exposer et d'expliciter les éléments théoriques qui nous semblent centraux à l'exploration de la relation entre l'humain et les technologies émergentes. / There is a great deal of thought and discussion about what exactly artificial intelligence is and what will happen to us humans in the wake of its emergence. As for nanotechnology, biotechnology, robotics, and other emerging technologies, often grouped under the neologism technoscience, artificial intelligence is a source of speculation and concern about the nature of technology and its impact on the nature of man. Some romantic humanists believe that who we are could be diminished or lost, that human subjectivity is and will continue to be eroded by the proliferation of increasingly autonomous artificial processes. Some transhumanists, on the other hand, provoke and invoke these transformations, seeing them as legitimate and desirable explorations of new possibilities and optimizations. The exercise that this dissertation proposes is to superimpose on a presentation of contemporary AI a broader theoretical exploration of the notions of technoscience, humanism and posthumanism. To do so, we will present the theses of three authors who share the fear of the diminution and denaturation of the human in the wake of the emergence of cybernetic theories and technoscientific research and development. We will then explore a range of thoughts and reflections that nuance or contradict these theses. For while emerging technologies cause us to question our own importance and point to our potential obsolescence, they also make possible a range of new experiences and manifestations. Through the exploration of the notion of anthropocentrism dear to humanism, to that of human-technology co-evolution put forward by posthumanist theorists, the objective of this dissertation is to expose and explain the theoretical elements that seem to us central to the exploration of the relationship between the human and emerging technologies.