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Les robots dits « de service » doivent cohabiter avec des humains dans la vie de tous les jours. Ils sont ainsi confrontés à des environnements dynamiques qui ne leur sont pas spécifiquement adaptés. Afin de pouvoir y évoluer efficacement, ils doivent posséder, entre autres, une base capable d’une grande mobilité. Les bases mobiles omnidirectionnelles utilisant des roues conventionnelles orientables (RCO) présentent un bon compromis entre mobilité et complexité mécanique. Possédant généralement plus d’actionneurs que de degrés de liberté, elles nécessitent cependant une coordination rigoureuse de leurs actionneurs afin de garantir un mouvement précis et sécuritaire. La coordination des actionneurs est le rôle du contrôleur d’exécution. Une coordination basée sur le concept du mouvement du châssis autour de son centre instantané de rotation (CIR) est une méthode connue. Cependant, les paramétrisations communément utilisées pour décrire la position du CIR sont toutes entachées de singularités propres, ce qui nuit à la conception d’un contrôleur d’exécution efficace. De plus, la plupart des contrôleurs d’exécution présentés dans la littérature ne sont pas adaptés à l’utilisation de RCO qui possèdent un couplage mécanique entre direction et propulsion (dénommées roues AZIMUT), qui permettent par exemple de ressentir des forces qui seraient appliquées extérieurement sur la base. Enfin, ces contrôleurs d’exécution ne peuvent pas gérer de façon aisée les contraintes de position, vitesse et accélération imposées par les actionneurs. Cette thèse adresse le problème du contrôle d’exécution pour AZIMUT-3, une base mobile omnidirectionnelle non holonome utilisant des roues AZIMUT. Un nouvel espace de configuration pour le mouvement du châssis ainsi qu’une paramétrisation de celui-ci ne possédant aucune singularité propre sont tout d’abord proposés. Afin de garantir la coordination des roues, le contrôle se fait explicitement dans cet espace de configuration, et les modèles cinématiques établis pour le robot permettent de passer de l’espace de configuration du mouvement du châssis à celui du mouvement des actionneurs et réciproquement. Le contrôle ne se faisant pas dans l’espace de configuration du mouvement des actionneurs, il est nécessaire d’estimer le mouvement du châssis à partir des données fournies par les actionneurs. Un nouvel algorithme itératif d’estimation de la position du CIR est ainsi proposé. Le contrôleur d’exécution conçu sur la base de ces éléments permet de respecter les contraintes en position, vitesse et accélération des actionneurs et de gérer le couplage propre aux roues AZIMUT. Il permet aussi de gérer les singularités structurelles inhérentes aux robots mobiles utilisant des RCO. Les résultats de tests effectués avec AZIMUT-3 démontrent les performances du contrôleur d’exécution conçu en termes de respect des contraintes, de précision odométrique et de vitesse d’exécution de commande. L’extension du modèle cinématique et du contrôleur d’exécution à tous les robots mobiles omnidirectionnels non holonomes utilisant des RCO est aussi discutée.

Le sujet traité dans cette thèse concerne la localisation précise et intègre de robots mobiles ( de véhicules routiers en l'occurence) dans un environnement routier cartographié. Pour ceci, nous proposons une approche multisensorielle hybridant les capteurs classiquement utilisés dans ce genre d'application (un GPS naturel, un odomètre et un gyromètre) avec un système de vision. Ce dernier, en outre, est capable de déterminer très précisement la pose locale du véhicule sur la chaussée en détectant les marquages signalétiques au sol. Il peut donc par l'intermèdiaire de la carte de l'environnement routier, fournir des informations à la fois redondantes et complémentaires à celles fournies par le GPS. Ainsi, cette combinaison d'informations doit garantir la précision et l'intégrité du système de localisation et ce notamment dans les zones urbaines denses où les informations du GPS ne sont pas forcément fiables. La mise en oeuvre de ce système a été menée dans deux études distinctes. Dans la première, la fusion de données est effectuée par un filtre de Kalman étendu . Dans ce cas, la précision obtenue est quasi-décimétrique, cependant la gestion d'hypothèses multiples dans le cadre autoroutier ou des fortes non-linéarités introduites par le système de vision nuisent fortement à l'intégrité des résultats de localisation. C'est donc tout naturellement, que dans la seconde étude, le filtre de Kalman est remplacé par un filtre particulaire et plus particulièrement par un filtre particulaire génétique. La précision obtenue est ici similaire à la première étude et l'intégrité des résultats de la localisation assurée. En revanche, cette méthode est gourmande en temps de calcul et ne peut être utilisée en temps réel sur les ordinateurs actuels

Le domaine de l'Interaction Humain-Robot (HRI) est en pleine expansion. En effet, de plus en plus de plateformes robotiques sont mises en oeuvre pour faire évoluer ce domaine. Sur ces plateformes, toujours plus de modalités d'interaction sont mises en place telles que les mouvements corporels, la reconnaissance de gestes ou d'objets, la reconnaissance et la synthèse vocale ou encore la mobilité, pour pouvoir effectuer l'interaction la plus complète et la plus naturelle pour l'humain. Mais ceci amène aussi une complexité croissante de l'intégration de ces modalités sur une seule et même plateforme. Aussi, le domaine HRI étant à ses débuts, la méthodologie expérimentale des travaux se limite le plus souvent à des preuves de concept éprouvées en laboratoire ou en milieux ouverts non contrôlés. Il se trouve que peu de chercheurs présentent une démarche structurée et rigoureuse pour l'évaluation expérimentale d'interaction humain-robot en milieux ouverts, et il en résulte des recherches de types exploratoires qui examinent principalement la complexité technologique des modalités interactives à mettre en oeuvre, et non l'impact de ces modalités sur la qualité des interactions. Le but de l'étude présentée dans ce document est d'étudier l'intégration de plusieurs modalités interactives sur un robot mobile humanoïde telles que la parole, les gestes et la mobilité sur la qualité des interactions humain-robot. Plus spécifiquement, le contexte de l'étude consiste à examiner l'impact de modalités interactives sur la capacité du robot à attirer l'attention d'une personne et à engager une interaction avec elle. Le scénario expérimental consiste à permettre au robot, à partir de la parole, d'expressions faciales, de mouvement de la tête, de gestes avec son bras et de sa mobilité, de demander de l'assistance à une personne à proximité de lui remettre un objet se trouvant au sol. L'hypothèse sous-jacente est que l'intégration de l'ensemble de ces modalités devrait améliorer la capacité du robot à engager des personnes à interagir avec lui. Des expérimentations ont été faites en milieu contrôlé et non-contrôlé selon deux protocoles expérimentaux : une étude des modalités à l'intérieur d'une population, et une étude de variation entre individus. D'une manière générale, il en ressort que l'ajout de modalités améliore la qualité de l'engagement de l'interaction par le robot, mais qu'il faut porter une attention particulière à l'approche de la personne par le robot, principalement pour les personnes non familières avec ce dernier. De plus, les observations indiquent qu'il est plus facile d'obtenir des résultats significatifs en environnement contrôlé, elles permettent d'identifier des pistes d'amélioration pour éventuellement arriver à en obtenir en milieu non-contrôlé. Enfin, ce premier projet d'intégration et d'évaluation de capacités interactives d'un robot mobile servira à alimenter une prochaine itération avec un robot plus sophistiqué présentement en conception.

L'audition artificielle est de plus en plus utilisée en robotique mobile pour améliorer l'interaction humain-robot. La reconnaissance de la parole occupe présentement une place importante tandis qu'un intérêt particulier se développe pour la reconnaissance de locuteurs. Le système ManyEars permet actuellement à un robot mobile de localiser, suivre et séparer plusieurs sources sonores. Ce système utilise un ensemble de huit microphones qui sont disposés en cube. Ce mémoire porte sur la conception et l'évaluation d'un système de reconnaissance de locuteurs, baptisé WISS (Who IS Speaking), couplé au système ManyEars. Le système de reconnaissance de locuteurs conçu est robuste au bruit ambiant et au changement d'environnement. Une technique de combinaison de modèle parallèle (parallel model combination (PMC)) et des masques sont utilisés pour améliorer le taux d'identification dans un milieu bruité. Un indice de confiance est également introduit pour pondérer les identifications obtenues. La simplicité du système proposé fait en sorte qu'il est possible d'exécuter en temps réel l'algorithme sur un processeur généraliste ( General Purpose Processor (GPP)). Les performances du système sont établies à l'aide de plusieurs scénarios. Dans un premier lieu, des enregistrements sont diffusés dans des haut-parleurs pour un ensemble de vingt locuteurs. Le système est ainsi caractérisé en fonction des positions angulaires et radiales des sources sonores. Le taux de reconnaissance est affecté par la qualité du signal (i.e. diminution du rapport signal sur bruit ( Signal-to-Noise Ratio (SNR))) : il passe de 95.6% à 84.3% en moyenne lorsque le SNR passe d'environ 16 dB à 2 dB lorsque le locuteur se situe à 1.5 mètres des microphones. Par la suite, un scénario dit statique est vérifié à l'aide de quatre locuteurs qui récitent chacun leur tour des phrases à un volume de voix naturel. Finalement, un scénario dynamique dans lequel un groupe de quatre locuteurs ont une conversation naturelle avec des chevauchements entre les segments de paroles est étudié. Le taux de reconnaissance varie entre 74.2% et 100.0% (avec une moyenne de 90.6%) avec le scénario statique, et entre 42.6% et 100.0% avec le scénario dynamique (avec des moyennes de 58.3%, 72.8% et 81.4% pour des segments de 1, 2 et 3 secondes respectivement). Des solutions sont identifiées afin d'améliorer les performances lors de travaux futurs. Au meilleur de notre connaissance, il n'existe aucun système qui effectue une reconnaissance de locuteurs dans un environnement contaminé simultanément par des bruits convolutif et additif. De plus, l'utilisation de masques pour estimer ces bruits est un nouveau concept. Ces masques sont d'ailleurs généralement employés pour la reconnaissance de la parole et leur utilisation dans un contexte de reconnaissance de locuteur est une première. De plus, une caractérisation complète du système qui inclue les SNRs est proposée en fonction de la position du locuteur, ce qui est rarement disponible dans la littérature en audition artificielle pour les robots.

For robots to operate in real life settings, they must be able to physically interact with the environment, and for instance be able to react to force-guidance interactions. However, only a few research projects have addressed such capabilities, developing prototypes that have to be pushed from their handle bars. AZIMUT-3 is a novel omnidirectional non-holonomic mobile robot developed at IntRoLab (Intelligent, Interactive and Interdisciplinary Robot Lab, Université de Sherbrooke) with force-controlled active steering. This results in a horizontal suspension effect for which the mechanical impedance of the steering actuators can be controlled. This makes the platform ideal for developing physical guidance algorithms. One such algorithm is secured shared-control, making the platform go in the direction of the user pushing the robot while still making it move safely by avoiding obstacles. Such capability is somewhat novel in the field, and the objective is to provide safe navigation with maximum control to the user. This Master's thesis has two important contributions: an algorithm to estimate the applied efforts on AZIMUT-3 from torque measurements on its wheels; an algorithm to use these efforts with obstacle detection using laser range finder data to implement a safe, shared-control approach. Experimental results using the real platform demonstrate feasibility and safe control of the system, with performances similar to using a six degrees of freedom force sensor but at lower cost and with a broader area for shared control. Our implementation also resulted in coupling the simulation environment Webots with the ROS (Robot Operating System) library from Willow Garage, to help develop our approach in simulation before using AZIMUT-3. Overall, our work is the first in demonstrating how it is possible to naturally interact by physically moving or positioning a mobile platform in real life settings, a capability which could be useful for instance in the design of powered shopping carts or active walkers.

Pour être autonome, un robot mobile doit être capable de décrire l'environnement dans lequel il évolue. Pour ce faire, le robot doit pouvoir se localiser et construire une carte de l'environnement si celle-ci n'existe pas. Grâce à ces informations, il pourra par exemple éviter les obstacles et donc naviguer en toute sécurité. Cette capacité correspond à une étape obligatoire sur la route de son autonomie totale. Le sujet traité dans ce manuscrit répond à cette problématique. Il concerne la localisation d'un véhicule et la cartographie d'un environnement en simultané, SLAM pour simultaneous localization and mapping. Après un etat de l'art des approches proposées durant la dernière décennie, deux points importants ont été constatés lors de l'emploi d'un filtre EKF-SLAM : les estimations obtenues avec ce filtre ne sont pas consistantes et cette approche, telle qu'elle a été introduite, ne répond pas aux critères d'observabilité d'un système. Pour chacun de ces problèmes, une solution est proposée et critiquée à l'aide de résultats de simulation et d'expérimentation

Les robots industriels, bien connus pour être des systèmes de fabrication flexibles et agiles, atteignent leurs limites lorsqu'il s'agit d'effectuer des tâches sur des pièces de grande taille (par exemple: les pièces longues et minces de l'industrie aéronautique). Pour ce type des tâches, les solutions existantes sont à leurs limites: les bras manipulateurs à base fixe souffrent d'un espace de travail trop limité; les bras manipulateurs montés sur véhicule ne sont pas assez précis; les machines-outils conventionnelles doivent être conçus à méga-échelle (plusieurs dizaines de mètres). Dans la cadre de cette thèse de doctorat, nous avons proposé des solutions robotiques innovantes qui combinent la capacité de marcher (ou de grimper) sur la pièce (ou sur le montage d'usinage) avec la capacité d'usiner. De l'analyse de la topologie et de la mobilité à la modélisation géométrique et cinématique, ainsi que la proposition d'algorithmes de contrôle innovants, des robots ont été proposés et étudiés pour la réalisation des tâches d'usinage ainsi que des tâches de locomotion. Un prototype a été construit qui témoigne de la pertinence de ce concept innovant. Il repose sur une architecture parallèle à actionnement redondant (8 moteurs pour 6 degrés de liberté) et combine moteurs, freins, dispositifs de bridage et de nombreux capteurs de position. Le prototype peut se fixer sur le montage d'usinage, réaliser ses tâches de fabrication, puis modifier sa configuration pour devenir un robot marcheur capable d'atteindre la zone de travail suivante. / Industrial robots, well known as flexible and agile manufacturing systems, reach their limits when dealing with very large workpieces (e.g.: very long and slender parts found in aeronautics industry). For such tasks, existing solutions are at their limits: stationary manipulator arms suffer from a too limited workspace; manipulators mounted on a vehicle are not accurate enough; classical machine-tools must be designed at mega-scale (several tens of meters). This thesis work aims at offering an innovative robotic solution that combines the ability to walk (or climb) on the workpiece (or on the tooling that supports the workpieces) together with manufacturing ability. From the topology and mobility analysis to the geometrics and kinematics modeling, as well as innovative control algorithms proposition, the proposed mobile manufacturing robots have been studied for achieving both machining and locomotion tasks. A prototype has been built to show the concept effectiveness . It is based on a parallel mechanism with actuation redundancy (8 motors for 6 degrees-of-freedom), combining motors, brakes, clamping devices and numerous position sensors. The robot can clamp itself on the manufacturing tooling, and then change its configuration to become a walking robot able to reach the next working area.

Dans ce travail de thèse, on s’intéresse au problème de déplacement et de la localisation d'un robot mobile autonome dans son environnement local. La première partie du manuscrit les deux tâches de mouvement de base : c'est-à-dire, la stabilisation et le suivi de trajectoire. Deux stratégies de commande ont été traitées: le mode de glissement intégral, et la méthode dite «Immersion et Invariance». La deuxième partie porte sur l'asservissement visuel, les deux techniques 2D et 3D d'asservissement visuel ont été appliquées. Les moments d'image ont été choisis comme indices visuels car ils sont moins sensibles au bruit d'image et autres erreurs de mesure. Une nouvelle approche de l'asservissement visuel qui repose sur l'image est ici proposée. Elle est basée sur la génération de trajectoires sur le plan de l'image directement (calcul des valeurs des primitives d’image correspondantes à une trajectoire cartésienne donnée). Cette approche garantit que la robustesse et la stabilité bien connues de l'asservissement 2D ont été étendues en raison du fait que les emplacements initial et désiré de la caméra sont proches. Les trajectoires obtenues garantissent aussi que la cible reste dans le champ de vue de la caméra et que le mouvement du robot correspondant est physiquement réalisable. Des tests expérimentaux ont été effectués et des résultats satisfaisants ont été obtenus à partir des implémentations des stratégies de commande et d'asservissement visuel. Bien qu'ils soient développés et expérimentés dans le cadre spécifique d'un robot de type unicycle, ces travaux sont assez génériques pour être appliqués sur autres types de véhicules. / This thesis focuses on the problem of moving and localizing an autonomous mobile robot in its local environments. The first part of the manuscript concerns two basic motion tasks, namely the stabilization and trajectory tracking. Two control strategies were discussed: the integral sliding mode, and the method known as “Immersion and Invariance” for nonlinear control. The second part focuses on both 2D and 3D visual servoing techniques. Image moments were chosen as visual features as they provide a more geometric and intuitive meaning than other features, and they are less sensitive to image noise and other measurement errors. A new approach to visual servoing based on image is herein proposed. It is based on the generation of trajectories directly on the image plane (Calculation of the image features corresponding to a given Cartesian path). This approach ensures that the robustness and stability are extended due to the fact that the initial and desired locations of the camera are close. The trajectories obtained guarantee that the target remains in the field of view of the camera and the corresponding movement of the robot is physically feasible. Experimental tests have been conducted, and satisfactory results have been obtained from both implementations regarding motion control and visual servoing strategies. Although developed and tested in the specific context of a unicycle type robot, this work is generic enough to be applied to other types of vehicles.

Le probleme aborde dans ce mémoire est celui de la planification des mouvements d'un mobile a soumis a des contraintes cinématiques et dynamiques et se déplaçant dans un espace de travail dynamique w. Ce mémoire défend la thèse selon laquelle le probleme considère, connu pour être complexe, peut entre résolu de façon efficace lorsqu'il existe une structuration de w naturelle pour a, i.e. Lorsqu'il est possible de structurer w en un ensemble de zones libres a l'intérieur desquelles a peut se déplacer. Dans ce cas, le probleme peut être aborde suivant deux directions complémentaires: 1) la planification de chemin qui prend en compte les contraintes cinématiques de a et les obstacles fixes de w, et; 2) la planification de trajectoire qui prend en compte les contraintes dynamiques de a et les obstacles mobiles de w. Ce mémoire traite le cas d'une voiture dans le réseau routier. Les zones libres sont alors définies par les voies de circulation. A est soumis a une contrainte cinématique non-holonome qui l'oblige a se déplacer dans une direction perpendiculaire a l'axe de ses roues. De plus, le rayon de braquage, l'accélération et la vitesse de a sont limites. Nous commençons par présenter deux techniques de resolution propres a chacune des deux planifications mentionnées ci-dessus et bien adaptées au contexte dans lequel nous nous plaçons. Puis, nous montrons comment intégrer ces deux techniques au sein d'un système de planification de mouvement qui permet de résoudre efficacement le probleme considéré