La robotique humanoide arrive a maturité avec des robots plus rapides et plus précis. Pour faire face à la complexité mécanique, la recherche a commencé à regarder au-delà du cadre habituel de la robotique, vers les sciences de la vie, afin de mieux organiser le contrôle du mouvement. Cette thése explore le lien entre mouvement humain et le contrôle des systèmes anthropomorphes tels que les robots humanoides. Tout d'abord, en utilisant des méthodes classiques de la robotique, telles que l'optimisation, nous étudions les principes qui sont à la base de mouvements répétitifs humains, tels que ceux effectués lorsqu'on joue au yoyo. Nous nous concentrons ensuite sur la locomotion en nous inspirant de résultats en neurosciences qui mettent en évidence le rôle de la tête dans la marche humaine. En développant une interface permettant à un utilisateur de commander la tête du robot, nous proposons une méthode de contrôle du mouvement corps-complet d'un robot humanoide, incluant la production de pas et permettant au corps de suivre le mouvement de la tête. Cette idée est poursuivie dans l'étude finale dans laquelle nous analysons la locomotion de sujets humains, dirigée vers une cible, afin d'extraire des caractéristiques du mouvement sous forme invariants. En faisant le lien entre la notion "d'invariant" en neurosciences et celle de "tâche cinématique" en robotique humanoide, nous développons une méthode pour produire une locomotion réaliste pour d'autres systèmes anthropomorphes. Dans ce cas, les résultats sont illustrés sur le robot humanoide HRP2 du LAAS-CNRS. La contribution générale de cette thèse est de montrer que, bien que la planification de mouvement pour les robots humanoides peut être traitée par des méthodes classiques de robotique, la production de mouvements réalistes nécessite de combiner ces méthodes à l'observation systématique et formelle du comportement humain.

Ce manuscrit met en avant la capacité d'un robot humanoïde à effectuer une tâche difficilement réalisable par d'autres types de robots. On s'intéresse ici à la manipulation d'objets dits encombrants. De telles tâches de manipulation s'effectuent avec beaucoup de difficultés et font appel à plusieurs aptitudes, telles la prise en compte du mouvement du corps dans son ensemble (ou mouvement corps complet) et une parfaite synchronisation entre les différents membres, bras et jambes. Nous introduisons ici un planificateur de mouvements corps complet qui donne à un robot humanoïde la capacité de mettre en place, automatiquement, une stratégie de déplacement d'objets encombrants par pivotement, tout en prenant en compte un certain nombre de contraintes : évitement de collisions, coordination des membres, bras et jambes, et contrôle de la stabilité pendant tout le déplacement. Basé sur des résultats formels, définis en amont, prouvant la contrôlabilité en temps petit d'un système se déplaçant par pivotement. Le planificateur hérite aussi de la complétude probabiliste des méthodes d'échantillonnage aléatoire de planification sur lesquelles il est construit. Les capacités géométriques et cinématiques du planificateur proposé sont aussi démontrées à travers des simulations et des expérimentations réelles. Nous nous intéressons ensuite à résoudre des problèmes plus complexes, en offrant au robot la possibilité de lâcher et de reprendre l'objet à manipuler si celui-ci est bloqué dans un passage étroit.

Le chapitre 1 est pour l'essentiel une brève introduction générale qui donne le contexte générale de la planification et présente l'organisation du document dans son ensemble et quelques uns des points clés retenus : robot humanoïde, environnement non statique, perception par vision artificielle, et représentation de cet environnement par grilles d'occupation. Dans le chapitre 2, après une revue de littérature bien menée, l'auteur propose de considérer les points de repère de l'environnement dès la phase de planification de chemin afin de rendre plus robuste l'exécution des déplacements en cas d'évolution de l'environnement entre le moment où la planification est menée et celui où le robot se déplace ( évolution étant entendu comme liée à une amélioration de la connaissance par mise à jour, ou due à un changement de l'environnement lui-même). Le concept est décrit et une formalisation proposée. Le chapitre 3 s'intéresse en détail à la planification dans le cas d'environnements dynamiques. Les méthodes existantes, nombreuses, sont tout d'abord analysées et bien présentées. Le choix est fait ici de décrire l'environnement comme étant décomposé en cellules, regroupant elles-mêmes des voxels, éléments atomiques de la représentation. l'environnement étant changeant, l'auteur propose de réévaluer le plan préétabli à partir d'une bonne détection de la zone qui a pu se trouver modifiée dans l'environnement. L'approche est validée expérimentalement en utilisant une des plateformes robotiques du LAAS qui dispose de bonnes capacités de localisation : le manipulateur mobile Jido étant à ce jour plus performant sur ce plan que l'humanoïde HRP2, c'est lui qui a été utilisé. Ces expérimentations donnent des indications concordantes sur l'efficacité de l'approche retenue. Notons également que la planification s'appuie sur une boite englobante de l'humanoïde, et non pas sur une représentation plus riche (multi-degré-deliberté). En revanche, c'est bien de planification pour l'humanoï de considéré dans toute sa complexité qu'il s'agit au chapitre 4 : on s'intéresse ici à tous les degrés de liberté du robot. L'auteur propose des évolutions de méthodes existantes et en particulier sur la manière de tirer profit de la redondance cinématique. L'approche est bien décrite et permet d'inclure une phase d'optimisation de la posture globale du robot. Des exemples illustrent le propos et sont l'occasion de comparaison avec d'autres méthodes. Le chapitre 5 s'intéresse à la manière de modéliser l'environnement, sachant qu'on s'intéresse ici au cas d'une perception par vision artificielle, et précisément au cas de l'humanoïde, robot d'assurer lui-même cette perception au fur et à mesure de son avancée dans l'environnement. On est donc dans le cadre de la recherche de la meilleure vue suivante qui doit permettre d'enrichir au mieux la connaissance qu'a le robot de son environnement. L'approche retenue fait à nouveau appel à la boite englobante de l'humanoïde et non à sa représentation complète ; il sera intéressant de voir dans le futur ce que pourrait apporter la prise en compte des degrés de liberté de la tête ou du torse à la résolution de ce problème. Le chapitre 6 décrit la phase d'intégration de tous ces travaux sur la plateforme HRP2 du LAAS-CNRS, partie importante de tout travail de roboticien.

Les robots sont tout près d'arriver chez nous. Mais avant cela, ils doivent acquérir la capacité d'interagir physiquement avec les humains, de manière sûre et efficace. De telles capacités sont indispensables pour qu'il puissent vivre parmi nous, et nous assister dans diverses tâches quotidiennes, comme porter une meuble. Dans cette thèse, nous avons pour but de doter le robot humanoïde bipède HRP-2 de la capacité à effectuer des actions haptiques en commun avec l'homme. Dans un premier temps, nous étudions comment des dyades humains collaborent pour transporter un objet encombrant. De cette étude, nous extrayons un modèle global de primitives de mouvement que nous utilisons pour implémenter un comportement proactif sur le robot HRP-2, afin qu'il puisse effectuer la même tâche avec un humain. Puis nous évaluons les performances de ce schéma de contrôle proactif au cours de tests utilisateurs. Finalement, nous exposons diverses pistes d'évolution de notre travail: la stabilisation d'un humanoïde à travers l'interaction physique, la généralisation du modèle de primitives de mouvements à d'autres tâches collaboratives et l'inclusion de la vision dans des tâches collaboratives haptiques.

Nous proposons une approche de planification unifiée pour robots humanoïdes réalisant des tâches de locomotion et de manipulation nécessitant une dextérité propre aux systèmes anthropomorphes. Ces tâches sont basées sur des transitions de contacts ; contacts entre les extrémités des membres locomoteurs et l'environnement dans le cas du problème de locomotion par exemple, ou entre les extrémités de l'organe préhensible effecteur et l'objet manipulé dans le cas du problème de manipulation. Nous planifions ces transitions de contacts pour des systèmes abstraits constitués d'autant de robots, d'objets, et de supports dans l'environnement que désiré/nécessaire pour la modélisation du problème. Cette approche permet de s'affranchir de la distinction de nature entre tâches de locomotion et de manipulation et s'étend à une variété d'autres problèmes tels que la coopération entre plusieurs agents. Nous introduisons notre paradigme de planification non-découplée de locomotion et de manipulation en exhibant la stratification induite dans l'espace des configurations de systèmes simplifiés pour lesquels nous résolvons analytiquement le problème en comparant des méthodes de planification géométrique, non-holonome, et dynamique. Nous présentons ensuite l'algorithme de planification de contacts basé sur une recherche best-first. Cet algorithme fait appel à un solveur de cinématique inverse qui prend en compte des configurations de contacts générales dans l'espace pouvant être établis entre robots, objets, et environnement dans toutes les combinaisons possibles, le tout sous contraintes d'équilibre statique et de respect des limitations mécaniques des robots. La génération de mouvement respectant l'équation de dynamique Lagrangienne est obtenue par une formulation en programme quadratique. Enfin nous envisageons une extension à des supports de contact déformables en considérant des comportements linéaires-élastiques résolus par éléments finis. / We propose a unified planning approach for autonomous humanoid robots that perform dexterous locomotion and manipulation tasks. These tasks are based on contact transitions; for instance between the locomotion limbs of the robot and the environment, or between the manipulation end-effector of the robot and the manipulated object. We plan these contact transitions for general abstract systems made of arbitrary numbers of robots, manipulated objects, and environment supports. This approach allows us to erase distinction between the locomotion and manipulation nature of the tasks and to extend the method to various other planning problems such as collaborative manipulation and locomotion between multiple agents. We introduce our non-decoupled locomotion-and-manipulation planning paradigm by exhibiting the induced stratification of the configuration space of example simplified systems for which we analytically solve the problem comparing geometric path planning, kinematic non-holonomic planning, and dynamic trajectory planning methods. We then present the contact planning algorithm based on best-first search. The algorithm relies on an inverse kinematics solver that handles general robot-robot, robot-object, robot-environment, object-environment, non-horizontal, non-coplanar, friction-based, multi-contact configurations, under static equilibrium and physical limitation constraints. The continuous dynamics-consistent motion is generated in the locomotion case using a quadratic programming formulation. We finally envision the extension to deformable environment contact support by considering linear elasticity behaviours solved using the finite element method.

Cette thèse traite du problème de la localisation et de la navigation de robots humanoïdes à bas coût dans un environnement dynamique non contraint. Elle a été réalisée en collaboration entre le laboratoire de robotique CAOR de Mines ParisTech et Aldebaran, dont les robots NAO et Pepper sont utilisés comme plateformes.On verra ici comment il est possible de déduire des informations d'orientation et de position du robot malgré les fortes contraintes de puissance de calcul, de champ de vision et de généricité de l'environnement. L'environnement est représenté sous une forme topologique : les lieux sont stockés dans des nœuds, reliés par des transitions. On apprend l'environnement dans une phase préalable permettant de construire une référence. Les contributions principales de la thèse reposent sur les méthodes de calcul de l'orientation et d'une mesure de position du robot à l'aide des caméras monoculaires à faible champ de vision,et leur intégration dans une structure topologique. Pour se localiser dans le graphe, on utilise principalement les données de vision fournies par les caméras monoculaires du robot, tout en laissant la possibilité de compléter à l'aide de caméras 3D. Les différentes méthodes de localisation sont combinées dans une structure hiérarchique qui permet à la fois d'améliorer la robustesse et de fusionner les données de localisation. Un contrôle de la trajectoire est également mis en place pour permettre d'effectuer de façon fiable les transitions d'un nœud à l'autre, et accessoirement fournir un système de retour pour la marche du robot.Les travaux de cette thèse ont été intégrés dans la suite logicielle d'Aldebaran, et testés intensivement dans différents environnements afin de valider les résultats obtenus et préparer une livraison aux clients. / This thesis covers the topic of low cost humanoid robots localization and navigation in a dynamic unconstrained environment. It is the result of a collaboration between the Centre for Robotics of Mines ParisTech and Aldebaran, whose robots, NAO and Pepper, are used as experimental platforms.We will describe how to derive information on the orientation and the position of the robot, under high constraints on computing power, sensor field of view and environment genericity. The environment is represented using a topological formalism : places are stored in vertices, and connected by transitions. The environment is learned in a preliminary phase, which allows the robot to construct a reference.The main contribution of this PHD thesis lies in orientation and approximate position measurement methods, based on monocular cameras with a restricted field of view, and their integration into a topological structure. To localize the robot in the robot, we use mainly data providing by the monocular cameras of the robot, while also allowing extensions, for example with a 3D camera. The different localization methods are combined into a hierarchical structure, which makes the whole process more robust and merges the estimations. A trajectory control has also been developped in order to transition accurately from one vertex to another, and incidently to provide a feedback on the walk of the robot.The results of this thesis have been integrated into Aldebaran software suite, and thoroughly tested in various conditions, in order to validate the conclusions and prepare a client delivery.

Le travail développé dans cette thèse a pour objectif la génération de trajectoires de marches dynamiques optimales qui puissent être validées sur une plateforme expérimentale.Le dispositif mis en oeuvre est le système locomoteur d'un robot humanoïde de petite taille (80cm pour 15kg) nommé Tidom. Ses caractéristiques mécaniques et son architecture de commande sont présentées dans le premier chapitre.Pour générer les trajectoires sur un pas de marche, nous avons utilisé une méthode d'optimisation paramétrique. Cette technique repose sur l'approximation des paramètres de configuration du mouvement par des fonctions splines de classe C3 constituées de polynômes de degré 4 raccordés en des instants équirépartis sur la durée du mouvement jusqu'aux suraccélérations. Les efforts de contact entre le pied balancé et le sol en phase bipodale sont également paramétrés par des fonctions splines, de classe C0. Les accélérations et les couples articulaires sont raccordés aux instants de transition entre les différentes phases du mouvement pour améliorer le contrôle et éviter la détérioration de la mécanique. Le vecteur des paramètres d'optimisation est ainsi composé des coordonnées articulaires aux points de jonction, des vitesses et accélérations aux extrémités des phases de la marche, des efforts de contact pied/sol en double appui auxquels s'ajoutent la longueur de pas et la durée de chaque phase. Il est à noter que la seule donnée d'une vitesse de marche permet d'engendrer un pas optimal cyclique.Plusieurs expérimentations présentées dans le dernier chapitre permettront à terme d'implémenter les trajectoires optimales sur le robot. / The work developed in this thesis aims at generating optimal trajectories for dynamic walking motions that can be validated on an experimental platform.The device used is the locomotion system of a small size humanoid robot (80cm and 15kg) named Tidom. Its mechanical characteristics and control architecture are presented in the first chapter.A parametric optimization method is developed to generate walking step trajectories. It consists in approximating joint motion coordinates using C3-spline functions, made up of 4-order polynomials linked at times equally distributed along the motion time, up to jerk linking. The contact forces between stance foot and ground are approximated using spline functions of class C0. Joint acceleration and joint torques are continuous at the transitions between single and double support phases of a step to improve the robot control and to prevent mechanical damage. The optimization variables are discrete values of joint coordinates at connecting points, joint velocities and accelerations at phase bounds, discrete values of contact forces at connecting points during the double support phase. The step length and the relative length of the step phases are also accounted for. The walking velocity is the only data required for generating an optimal cyclic step.Some experiments presented in the last chapter are the first steps towards the implementation of optimal trajectories on the humanoid robot.

Hier fiction, maintenant réalité, le robot humanoïde, machine intelligente créée sur le modèle humain, concrétise des rêves ancestraux, avec pour ambition que la copie puisse égaler ou dépasser son modèle et créateur ; voire effectuer un bond dans l'évolution, par delà l'altérité homme/machine et la finitude. Afin de questionner ce qui sous-tend la réalisation du robot, ses enjeux, et ce que ses caractéristiques disent de l'homme aujourd'hui, cette réflexion revisite ses traces mythologiques et techniques depuis l'Antiquité, puis aborde les principaux axes de recherche en robotique interactive. Au regard de la contextualité contemporaine sous le règne de la science et du néolibéralisme, et marquée par l'imaginaire de la science-fiction, des nouvelles technologies, et par l'héritage de la mort collective du 20e siècle ; sont examinésles fantasmes originaires et la dynamique pulsionnelle (concernant notamment l'emprise et la satisfaction, les interactions précoces, et la formation du double) à l'oeuvre dans l'avènement du robot humanoïde. En approchant ce que l'humain reproduit sciemment dans son double technologique, et tout ce qu'à son insu il y dépose, transparaît l'empreinte de la répétition et des tentatives de subjectivation de la place du sujet dans la filiation et du legs transgénérationnel en ce qu'il a d'irreprésentable ou de traumatique. Tenant de l'invention scientifique, du symptôme, de l'objet transitionnel et de l'oeuvre d'art, le robot humanoïde procède d'une double résistance, se traduisant en potentialités de répétition aliénante ou de subjectivation réparatrice, susceptibles de s'actualiser pendant la réalisation du robot ou dans l'interaction avec lui.

La principale limitation du modèle connexionniste (réseau neuronal artificiel) CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) et son applicabilité à la résolution des problèmes inhérents au systèmes automatisés complexes (robots, véhicules autonomes, etc.) est liée à la taille de mémoire requise par ce type de modèle connexionniste. Il est pertinent de rappeler que la capacité de mémoire exigée par le CMAC dépend, en premier lieu, de la précision de la quantification des signaux d'entrée, puis, de la dimension de l'espace des entrées (espace caractéristique) du système modélisé. Dans le cas des applications requérant une exécution en temps-réel, la tendance est à la réduction de l'espace caractéristique (aussi petit que possible) et la précision (de la quantification : aussi faible que possible). Cependant, souvent, les systèmes complexes impliquent plusieurs entrées. Pour résoudre le problème inhérent à cet antagonisme et la taille de la mémoire, nous nous sommes intéressés, dans la présente thèse, à l'influence des paramètres intervenant dans la précision de la quantification et dans la capacité de la généralisation sur la qualité d'approximation du modèle CMAC. L'objectif escompté était d'arriver à des structures optimales du CAMC pour le contrôle des systèmes dynamiques complexes. Les robots bipèdes (humanoïdes) et des véhicules volants hypersoniques sont deux domaines d'applications très actuelles impliquant des systèmes complexes. Nous avons appliqué des concepts étudiés aux problèmes soulevés par les deux domaines précités. Des résultats obtenus à partir de la simulation ont montré que des structures optimales ou quasi-optimales conduisant à une réduction sensible d'erreur de modélisation peuvent être obtenues. Ces résultats ont montré que les choix effectués dans l'optimisation de la structure permet une réduction de la taille de la mémoire requise (par le CMAC) et une réduction du temps d'exécution à la fois / The main limitation of the CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) network in realistic applications for complex automated systems (robots, automated vehicles, etc…) is related to the required memory size. It is pertinent to remind that the memory used by CMAC depends firstly on the input signal quantification step and secondly on the input space dimension. For real CMAC based control applications, on the one hand, in order to increase the accuracy of the control the chosen quantification step must be as small as possible; on the other hand, generally the input space dimension is greater than two. In order to overcome the problem relating the memory size, how both the generalization and step quantization parameters may influence the CMAC's approximation quality has been discussed. Our goal is to find an optimal CMAC structure for complex dynamic systems' control. Biped robots and Flight control design for airbreathing hypersonic vehicles are two actual areas of such systems. We have applied the investigated concepts on these two quite different areas. The presented simulation results show that an optimal or sub-optimal structure carrying out a minimal modeling error could be achieved. The choice of an optimal structure allows decreasing the memory size and reducing the computing time as well

Les grands robots marcheurs sont des systèmes mécatroniques poly-articulés complexes qui cristallisent la volonté des humains de conférer leurs capacités à des artefacts, l’une d’entre elle étant la locomotion bipède, et plus particulièrement la conservation de l’équilibre face à des perturbations extérieures. Cette thèse propose un stabilisateur postural ainsi que sa mise en œuvre sur le système locomoteur BIP 2000.Ce robot anthropomorphique possède quinze degrés de libertés actionnés par moteurs électriques et a reçu un nouvel automate ainsi que des variateurs industriels lors de la mise à jour réalisée dans le cadre de ces travaux. Un contrôleur a été conçu et implémenté en suivant les principes de la programmation orientée objet afin de fournir une modularité qui s’inspire de la symétrie naturelle des humanoïdes. Cet aspect a conduit à l’élaboration d’un ensemble d’outils mathématiques permettant de calculer l’ensemble des modèles d’un robot composé de sous-robots dont on connaîtrait déjà les modèles. Le contrôleur permet notamment à la machine de suivre des trajectoires calculées hors ligne par des algorithmes de génération de marches dynamiques ainsi que de tester le stabilisateur postural.Ce dernier consiste en un contrôle en position du robot physique par la consigne d’un robot virtuel de modèle dégradé, commandé en effort, soumis à des champs électrostatiques contraignant sa configuration articulaire. Les tests effectués ont permis de montrer la faisabilité de la méthode. / Big walking robots are complex multi-joints mechanical systems which crystallize the human will to confer their capabilities on artefacts, one of them being the bipedal locomotion and more especially the balance keeping against external disturbances. This thesis proposes a balance stabilizer under operating conditions displayed on the locomotor system BIP 2000.This anthropomorphic robot has got fifteen electrically actuated degree of freedom and an Industrial controller. A new software has been developed with an object-oriented programming approach in order to propose the modularity required by the emulated and natural human symmetry. This consideration leads to the development of a mathematical tool allowing the computation of every modelling of a serial robot which is the sum of multiple sub robots with already known modelling. The implemented software also enables the robot to run offline generated dynamic walking trajectories and to test the balance stabilizer.We explore in this thesis the feasibility of controlling the center of gravity of a multibody robotic system with electrostatic fields acting on its virtual counterpart in order to guarantee its balance. Experimental results confirm the potential of the proposed approach.