Le contexte de la robotique de service est caractérisé par la présence de l'homme dans l'espace de travail du robot. Les mouvements de ces robots ne doivent perturber ni la sécurité de l'homme ni son confort. D'un point de vu planification de mouvement, le planificateur doit d'une part éviter de heurter l'homme ou l'environnement et d'autre part adapter les limites cinématiques du robot en fonction de la proximité de l'homme. A chaque niveau du système (planification et exécution/contrôle), le robot doit garantir la sécurité et le confort de l'homme. Nous proposons une approche de la planification et du contrôle de mouvement basée sur des trajectoires polynomiales. Dans une première partie, nous présentons un générateur de trajectoires qui limite la vitesse, l'accélération et le jerk. Il génère des trajectoires composées de suites de segments de courbes cubiques. Le cas mono-dimensionnel est d'abord présenté puis étendu au cas multi-dimensionnel. Dans une deuxième partie, nous proposons d'approximer les trajectoires par des suites de triplets de segments de courbes cubiques. Cette méthode permet de calculer des trajectoires respectant une erreur maximale donnée. Ces générateurs de trajectoire sont intégrés au planificateur de chemin et produisent des trajectoires directement exécutables. Une application originale de l'approximation permet d'approximer une trajectoire définie dans l'espace cartésien par une trajectoire définie dans l'espace articulaire. Cette approche simplifie la structure du contrôleur du robot. La présence de l'homme dans l'espace de travail du robot nécessite une adaptation des trajectoires pendant l'exécution. Nous proposons une méthode pour adapter la loi de mouvement de la trajectoire multidimensionnelle pendant l'exécution. Ces travaux, menés dans le cadre du projet européen DEXMART et du projet ANR ASSIST, ont été intégrés et validés sur les plateformes Jido et PR2 du LAAS-CNRS.

Des méthodes efficaces s'appuyant sur des outils statistiques pour réaliser de la reconnaissance de mouvement ont été développé. Ces méthodes reposent sur l'apprentissage de primitives situé dans des espaces approprié, par exemple l'espace latent de l'espace articulaire et/ou d'espace de tâches adéquat. Les primitives apprises sont souvent séquentielle: un mouvement est segmenté selon l'axe des temps. Dans le cas d'un robot humanoïde, le mouvement peut être décomposé en plusieurs sous-tâches simultanées. Par exemple dans un scénario de serveur, le robot doit placer une assiette sur la table avec une main tout en maintenant son plateau horizontal avec son autre main. La reconnaissance ne peut donc pas se limiter à une seule et unique tâche par segment de temps consécutif. La méthode présenté dans ces travaux utilise la connaissance des tâches que le robot est capable d'accomplir, ainsi que des contrôleurs qui génèreront les mouvements pour réaliser une rétro ingénierie sur un mouvement observé. Cette analyse est destinée à reconnaître des tâches qui ont été exécutées de manière simultanées. La méthode repose sur la fonction de tâche et les projection dans l'espace nul des tâches afin de découpler les contrôleurs. L'approche a été appliquée avec succès sur un vrai robot pour distinguer des mouvements visuellement très proches, mais sémantiquement différents.

L'endomicroscopie confocale laser fibrée (pCLE, pour probe-based Confocal Laser Endomicroscopy) est une modalité d'imagerie qui permet d'obtenir des images d'un tissu en temps-réel, avec une résolution micrométrique, lorsque l'on place la sonde d'imagerie au contact de celui-ci. En chirurgie digestive, cette technologie peut être utilisée pour remplacer les biopsies extemporanées par des biopsies optiques, sans prélèvement de tissu. Ceci permet de réduire le temps opératoire et l'invasivité de l'opération. Généralement, afin de rendre un diagnostic clinique sur l'état cancéreux d'un tissu, les cliniciens analysent non seulement les cellules, mais également leur organisation relative. Cependant, pour des raisons techniques, il n'est pas possible d'avoir une sonde petite, donnant des images grand champ, et avec une résolution de l'ordre du micromètre. Ainsi, les images confocales sont la plupart du temps trop petites pour que les cliniciens puissent poser un diagnostic. Une solution possible à ce problème est de déplacer la sonde sur la surface du tissu afin de collecter une suite d'images que l'on recale afin grâce à un algorithme de mosaicing afin de reconstruire une image grand champ. Cette technique a fait l'objet de nombreuses études. Ces études ont essentiellement porté sur l'algorithme de mosaicing, et peu d'intérêt a été porté jusqu'à présent au mouvement de balayage de la sonde sur le tissu. La plupart du temps, ce mouvement est réalisé à la main en utilisant les manettes d'un fibroscope dans des applications de gastroentérologie. Ce type d'actionnement ne permet pas de contrôler la trajectoire de la sonde correctement, surtout en présence de mouvements physiologiques et de déformations des tissus sous l'action de la sonde. Notre travail porte sur la conception et le développement d'instruments minimalement invasifs robotisés permettant de réaliser des biopsies optiques dans la cavité abdominale. Premièrement, une méthode permettant d'estimer la vitesse dans les images endomicroscopiques est décrite et évaluée (chapitre 2). Cette méthode est alors utilisée pour mettre en évidence et modéliser les déformations des tissus mous lorsque la sonde est en mouvement à leur contact (chapitre 3). Un modèle phénoménologique simple utilisant un seul paramètre est proposé, ainsi qu'une procédure de calibration en ligne. Deux stratégies sont proposées afin de compenser les déformations, l'une utilisant une trajectoire ligne par ligne modifiée et l'autre utilisant un balayage en spirale qui permet de minimiser l'influence des déformations du tissu. Par ailleurs, un algorithme de commande par asservissement visuel est également proposé. Celui-ci est basé sur l'estimation de vitesse présentée dans le chapitre 2, et permet de contrôler précisément la position de la sonde tout en rejetant les déformations du tissus considérées comme une perturbation. Une variante de cet algorithme est également proposée pour contrôler la vitesse d'avance le long d'un balayage contraint à une trajectoire en spirale. On montre, lors d'expériences ex vivo réalisées avec un robot industriel de précision, que le bon contrôle de la position de la sonde le long de la trajectoire permet de réaliser des mosaïques significativement plus grandes que celles que l'on peut trouver dans la littérature existante. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à des instruments minimalement invasifs. On propose ici une structure d'instrument qui combine des mouvements macroscopiques pour la navigation dans l'abdomen, un système passif de compensation des mouvements physiologiques, et un actionnement à l'échelle microscopique pour le balayage de la sonde. Deux systèmes de micro-actionnement sont proposés. Le premier utilise un actionnement hydraulique grâce à des micro-ballons et permet de réaliser des trajectoires arbitraires à la surface du tissu, tandis que le second a comme seul degré de liberté une rotation proximale qui est transformée en un mouvement de spirale grâce à un mécanisme distal. Des essais ex vivo et in vivo ont été menés avec succès afin de tester la précision et la robustesse des systèmes et algorithmes de commande proposés.

Ce travail apporte sa contribution au problème de la reconstruction et de l'exploration de scènes dans un contexte de vision active. À la base du processus de reconstruction, nous avons choisi une méthode qui consiste à contraindre les mouvements de la caméra de manière à obtenir une estimation précise et robuste de primitives géométriques paramétrables telles que les segments et les cylindres. À cet aspect {\em continu} du processus de reconstruction que constitue l'estimation des paramètres des primitives, il est nécessaire de définir des stratégies de reconstruction et d'exploration de la scène que l'on supposera composée de segments, polyèdres et cylindres. Cette reconstruction est de caractère {\em événementiel} et est pilotée par la découverte de nouvelles primitives dans l'image. L'approche que nous avons définie consiste à sélectionner automatiquement les informations images pertinentes puis à focaliser successivement la caméra sur les différentes primitives de la scène afin de les reconnaître et ensuite de les reconstruire. La première étape de l'exploration, qui inclut la reconstruction 3D, permet de reconstruire de manière incrémentale l'ensemble des primitives qui apparaissent dans le champ de vision de la caméra. Nous avons appelé cette phase {exploration locale car elle ne fait appel qu'à des informations disponibles localement. Elle repose sur une approche de prédiction~/~vérification d'hypothèses gérées à l'aide de réseaux Bayesiens. Cette approche permet d'obtenir une représentation de plus haut niveau des objets considérés tout en traitant les problèmes locaux d'occlusion. Par contre, quand toutes les primitives précédemment observées ont été reconstruites, une stratégie différente doit été mise en oeuvre afin de focaliser la caméra sur des zones de la scène n'ayant pas encore été observées. Cette étape d'exploration globale permet d'assurer la complétude de la reconstruction. Cette méthode repose sur l'optimisation par ICM multi-échelle d'une fonction de coût adéquatement modélisée qui prend en compte les obstacles de la scène. Finalement, les algorithmes développés ont été spécifiés et mis en \oe uvre par le langage synchrone \signal\ permettant de l'intégration au sein du même formalisme, \signal\ et \signalgti, de la dualité continu / événementiel inhérente à ce type d'algorithme. Les méthodes que nous avons développées ont été mises en oeuvre sur la cellule de vision robotique de l' Irisa. Elles permettent de reconstruire en temps réel de façon précise, robuste, complète et totalement autonome, un environnement 3D composé de plusieurs primitives.

L'objectif de ces travaux porte sur la navigation de robots autonomes sur de grandes distances dans des environnements extérieurs dynamiques, plus précisément sur le développement et l'évaluation de fonctions avancées de perception, embarquées sur des véhicules se déplaçant en convoi sur un itinéraire inconnu a priori, dans un environnement urbain ou naturel. Nous avons abordé trois problématiques : d'abord nous avons exploité plusieurs méthodes de l'état de l'art, pour qu'un véhicule A, équipé d'un capteur stéréoscopique, apprenne à la fois une trajectoire et un modèle de l'environnement supposé d'abord statique. Puis nous avons proposé deux modes pour l'exécution de cette trajectoire par un véhicule B équipé d'une simple caméra : soit un mode différé, dans lequel B charge toute la trajectoire apprise par A, puis l'exécute seul, soit un mode convoi, dans lequel B suit A, qui lui envoie par une communication HF, les tronçons de la trajectoire au fur et à mesure qu'ils sont appris. Enfin nous avons considéré le cas des environnements évolutifs et dynamiques, en traitant de la détection d'événements depuis les images acquises depuis un véhicule mobile: détection des changements (disparition ou apparition d'objets statiques, typiquement des véhicules garés dans un milieu urbain), ou de la détection d'objets mobiles (autres véhicules ou piétons).

La coopération est un comportement présent en abondance dans le vivant et central à la plupart des transitions majeures en évolution. Pourtant, son évolution est difficile à expliquer. En particulier, l'origine des comportements de coopération mutualiste, qui sont bénéfiques à tous les participants, à été peu étudiés. Dans cette thèse, nous nous intéressons au rôle de la coordination dans l'évolution de la coopération mutualiste à l'aide d'outils en robotique évolutionniste. Dans un premier temps, nous modélisons en robotique évolutionniste l'évolution de la coopération dans une tâche de chasse collective afin d'étudier l'influence des mécanismes sous-jacent aux comportements de coordination sur l'évolution de la coopération. Nous montrons notamment la nécessité d'utiliser des modèles qui considèrent les aspects plus pratiques du comportement. Dans un second temps, nous nous intéressons à la conception de robots coopératifs à l'aide de la robotique évolutionniste. Nous étudions notamment l'influence de la composition génétique des groupes de robots sur l'efficacité des comportements de coordination. Cette thèse contribue donc de deux manières différentes au sujet général de l'évolution de la coopération : par de la modélisation de problèmes biologiques et la conception de robots collectifs. / Cooperation is a behaviour that is prevalent in living beings and is central to most of the major transitions in evolution. Yet explaining its origin is a challenge. In particular, the evolution of mutualistic behaviours, where every individual benefits from this behaviour, has been relatively ignored. In this thesis, we are interested in the role of coordination in the evolution of mutualistic cooperation. To that end, we use tools from evolutionary robotics. First, we model the evolution of cooperation in a collective hunting task with evolutionary robotics. We want to study the influence of the underlying mechanisms of coordination behaviours on the evolution of cooperation. We reveal that it is necessary to consider modeling techniques that account for the more practical aspects of behaviours. Then, we are interested in the design of cooperative robots with evolutionary robotics. We study the influence of genetic team composition on the efficiency of coordination behaviours. Therefore, this thesis contributes to the general subject of the evolution of cooperation in two different manners: modeling biological problems and designing collective robots.

Le développement croissant de la chirurgie robotique pose le problème de la formation. Cette nouvelle technologie tend à suppléer dans les procédures complexes la coelioscopie. Elle nécessite une adaptation du chirurgien. Il est, en effet, nécessaire de maîtriser à la fois le télémanipulateur et les procédures chirurgicales, qui ne sont pas de simples transpositions des gestes coelioscopiques. Initialement, nous avons réalisé un historique du développement de la chirurgie mini-invasive coelioscopique et robotique, ainsi qu'un historique de l'apprentissage de la chirurgie. Puis, nous nous sommes intéressés à l'apprentissage de la robotique. Les simulateurs de chirurgie coelioscopique sont très couramment employés dans l'apprentissage. En robotiques, ils ont fait récemment leur apparition sur le marché. Nous avons étudié la validité du simulateur dV-Trainer dans l'apprentissage de la chirurgie robotique. Nous avons démontré l'intérêt de cet outil dans l'acquisition de la gestuelle et des automatismes propres au robot. Nous avons par ailleurs étudié l'impact d'une formation en micro-chirurgie sur les performances développées en chirurgie robotique car, au cours d'une étude préliminaire nous avions constaté que les micro-chirurgiens présentaient de meilleures aptitudes sur le simulateur de chirurgie robotique que ceux sans expérience en micro-chirurgie. Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés à la téléchirurgie à longue distance qui est impactée par deux contraintes que sont la latence de transmission et le volume des informations à transmettre. Une première étude a étudié l'impact du délai de transmission sur les performances des chirurgiens. Une deuxième étude a consisté à réaliser une évaluation subjective par des chirurgiens de la qualité de vidéos de chirurgie robotique compressées afin de déterminer un seuil de compression maximal acceptable / The huge expansion of minimally invasive robotic devices for surgery ask the question of the training of this new technology. Progress of robotic-assisted surgical techniques allows today mini- invasive surgery to be more accurate, providing benefits to surgeons and patients for complex surgical procedures. But, it resulted from an increasing need for training and development of new pedagogical strategies. Indeed, the surgeon has to master the telemanipulator and the procedure, which is different from a simple transposition of a laparoscopic skill. The first part of this work treats about historical development of minimal invasive surgery from laparoscopy to robotic surgery. We also develop the evolution of training program in surgery. Virtual simulators provide efficient tools for laparoscopy training. The second part of this work, study some possible solutions for robotic training. We assess the validity of a new robotic virtual simulator (dV-Trainer). We demonstrate the usefulness of this tool for the acquisition of the basic gesture for robotic surgery. Then, we evaluate the impact of a previous experience in micro-surgery on robotic training. We propose a prospective study comparing the surgical performance of micro-surgeons to that of general surgeons on a robotic simulator. We want to determine if this experience in micro-surgery could significantly improve the abilities and surgeons performance in the field of basic gesture in robotic surgery. The last part of the study also looks to the future. Currently, telesurgery need sophisticated dedicated technical resources. We want to develop procedures for clinical routine used. Therefore, we evaluate the impact of the delay on the surgical procedure. Also, reducing data volume allow decreasing latency. An appropriate solution to reduce the amount of data could be found by introducing lossy compression for the transmission using the well-known MPEG-2 and H-264 standards

Dans cette thèse, nous proposons d'intégrer la notion d'habitude comportementale au sein d'une architecture de contrôle robotique, et d'étudier son interaction avec les mécanismes générant le comportement planifié. Les architectures de contrôle robotiques permettent à ce dernier d'être utilisé efficacement dans le monde réel et au robot de rester réactif aux changements dans son environnement, tout en étant capable de prendre des décisions pour accomplir des buts à long terme (Kortenkamp et Simmons, 2008). Or, ces architectures sont rarement dotées de capacités d'apprentissage leur permettant d'intégrer les expériences précédentes du robot. En neurosciences et en psychologie, l'étude des différents types d'apprentissage montre pour que ces derniers sont une capacité essentielle pour adapter le comportement des mammifères à des contextes changeants, mais également pour exploiter au mieux les contextes stables (Dickinson, 1985). Ces apprentissages sont modélisés par des algorithmes d'apprentissage par renforcement direct et indirect (Sutton et Barto, 1998), combinés pour exploiter leurs propriétés au mieux en fonction du contexte (Daw et al., 2005). Nous montrons que l'architecture proposée, qui s'inspire de ces modèles du comportement, améliore la robustesse de la performance lors d'un changement de contexte dans une tâche simulée. Si aucune des méthodes de combinaison évaluées ne se démarque des autres, elles permettent d'identifier les contraintes sur le processus de planification. Enfin, l'extension de l'étude de notre architecture à deux tâches (dont l'une sur robot réel) confirme que la combinaison permet l'amélioration de l'apprentissage du robot. / In this work, we study how the notion of behavioral habit, inspired from the study of biology, can benefit to robots. Robot control architectures allow the robot to be able to plan to reach long term goals while staying reactive to events happening in the environment (Kortenkamp et Simmons, 2008). However, these architectures are rarely provided with learning capabilities that would allow them to acquire knowledge from experience. On the other hand, learning has been shown as an essential abiilty for behavioral adaptation in mammals. It permits flexible adaptation to new contexts but also efficient behavior in known contexts (Dickinson, 1985). The learning mechanisms are modeled as model-based (planning) and model-free (habitual) reinforcement learning algorithms (Sutton et Barto, 1998) which are combined into a global model of behavior (Daw et al., 2005). We proposed a robotic control architecture that take inspiration from this model of behavior and embed the two kinds of algorithms, and studied its performance in a robotic simulated task. None of the several methods for combining the algorithm we studied gave satisfying results, however, it allowed to identify some properties required for the planning process in a robotic task. We extended our study to two other tasks (one being on a real robot) and confirmed that combining the algorithms improves learning of the robot's behavior.

L'automobile est un moyen de transport de prédilection puisqu'elle confère beaucoup de liberté aux utilisateurs. Cependant, les coûts sociaux et économiques reliés aux accidents de la route, ainsi que les émissions polluantes produites par la combustion des hydrocarbures, représentent une problématique à laquelle le Réseau de centres d'excellence AUTO21 s'intéresse. Notamment, AUTO21 finance ce projet qui porte sur les architectures décisionnelles appliquées aux trains de véhicules. Un train de véhicule est un système de transport intelligent regroupant un ensemble de véhicules qui se suivent les uns derrière les autres, conservant une faible distance entre eux.L'architecture DCD est une architecture décisionnelle complète avec communication bidirectionnelle responsable de la prise de décision distribuée d'un groupe de véhicules opérant au sein d'un train de véhicules.L'architecture réalise la plupart des manoeuvres réalisables dans les trains de véhicules tels l'insertion ou le retrait d'un véhicule dans le train, ainsi que la gestion des situations d'urgences telles les collisions et la défaillance de certains capteurs. La validation de l'architecture est effectuée avec un groupe de quatre robots mobiles équipés d'un système de positionnement relatif qui permet de localiser les véhicules les uns par rapport aux autres. Un ensemble de 18 scénarios de tests, couvrant un large éventail des situations susceptibles de survenir dans les trains de véhicules, est réalisé. Les résultats obtenus indiquent que la prise de décision des véhicules, ainsi que la coordination des véhicules via la communication sont robustes et permettent l'exécution des manoeuvres attendues.

Le secteur de la robotique domestique est en pleine expansion. Comme toute nouvelle technologie, les capacités offertes aux clients doivent évoluer pour conquérir de nouveaux marchés. Des bras manipulateurs sur ces robots augmenteraient considérablement leurs capacités d'interactions. Mais il faut des bras à la fois performants et sécuritaires avant d'introduire ce type robot dans les domiciles et les hôpitaux. Dans cette optique, le laboratoire IntRoLab a développé un bras muni d'un nouveau type d'actionneur appelé ADE (Actionneur différentiel élastique). Les ADE, de par leur conception, ont une compliance intrinsèque de par l'usage d'un ressort dans leur mécanisme, et permettent un contrôle en force afin d'effectuer les actions sécuritairement. L'objectif de cette maîtrise consiste à développer la partie logicielle permettant de contrôler ce type de bras pour qu'ils puissent réaliser un grand nombre d'actions tout en conservant l'aspect sécuritaire du robot pour les interactions humain-robot. Pour réaliser cela, le système de contrôle développé combine à la fois un contrôle d'impédance articulaire, un contrôle d'impédance cartésien et un contrôle en force. Ces trois types de contrôle permettent au bras d'effectuer des actions dans différentes configurations. Le contrôle d'impédance articulaire permet de placer le bras dans une configuration articulaire précise. Le contrôle cartésien permet de placer la pince à la position souhaitée dans l'espace. Le contrôle en force permet d'appliquer une force cartésienne dans une direction souhaitée ce qui permet de faire des actions comme écrire, repasser, etc. Un système de compensation de gravité a également été ajouté à ce contrôle afin d'améliorer la précision et que le bras soit plus simple à bouger. En effet, sans la compensation ces contrôles présentent une erreur statique causée par le poids du bras. Les tests réalisés permettent de démontrer les caractéristiques et les limites des différents types de contrôles réalisables. Ainsi, l'influence des coefficients de raideur et d'amortissement sur les contrôles et notamment sur leur bande passante est analysée. La précision des contrôles est également déterminée. Pour vérifier la sécurité des bras, des tests sur la vitesse atteignable sont réalisés à l'aide du contrôleur d'impédance articulaire et du contrôleur d'impédance cartésien.