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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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33documents trouvés

16479
22/12/2016

Design, modeling and control of inherently compliant actuators with a special consideration on agonist-antagonist anthropomorphic configuration

G.HARI SHANKAR LAL DAS

GEPETTO

Doctorat : 22 Décembre 2016, 140p., Président: P.FRAISSE, Rapporteurs: Y.AOUSTIN, B.VANDERBORGHT, Examinateurs: , Directeurs de thèse: B.TONDU, P.SOUERES, membre invité: O.STASSE , N° 16479

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Abstract

Design, modeling and control of inherently compliant actuators with a special consideration on agonist- antagonist anthropomorphic configuration" The research aims at the design, modeling and control of inherently compliant actuators for anthropomorphic systems. The first part of the work focuses on the study of various existing designs and look for the possibility of alternative actuators other than the conventional electric motors. Special attention is given to elctroactive polymer based soft actuators which have good potential in future robotic applications. In parallel, a model of the actuator dynamics and the model-based controller (MPC and optimal control) have been synthesized for an anthropomorphic 7 Dofs arm actuated by antagonist-agonist pair of Pneumatic Artificial Muscles (PAMs) at each joint. Such model and controller is then integrated within the software environment developed by the team. Using the PAMs based anthropomorphic manipulator arm and the numerical simulator, tests are done in order to evaluate the potential of this actuator and compare with the human body capabilities.

Mots-Clés / Keywords
Pneumatic systems; Mckibben muscles; iLQR control; Nonlinear control; Agonist-antagonist actuation; Bio-inspired robots; Anthropomorphic systems;

138579
16328
04/10/2016

Using human-inspired model for guiding robot locomotion

C.VASSALLO

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Octobre 2016, 139p., Président: P.FRAISSE, Rapporteur: F.NORI, , Examinateur: J.PETTRE, Directeurs de thèse: P.SOUERES, O.STASSE , N° 16328

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01393217

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Résumé

Cette thèse a été effectuée dans le cadre du projet européen Koroibot dont l’objectif est le développement d’algorithmes de marche avancés pour les robots humanoïdes. Dans le but de contrôler les robots d’une manière sûre et efficace chez les humains, il est nécessaire de comprendre les règles, les principes et les stratégies de l’ homme lors de la locomotion et de les transférer à des robots. L’objectif de cette thèse est d’étudier et d’identifier les stratégies de locomotion humaine et créer des algorithmes qui pourraient être utilisés pour améliorer les capacités du robot. La contribution principale est l’analyse sur les principes de piétons qui guident les stratégies d’évitement des collisions. En particulier, nous observons comment les humains adapter une tâche de locomotion objectif direct quand ils ont à interférer avec un obstacle en mouvement traversant leur chemin. Nous montrons les différences entre la stratégie définie par les humains pour éviter un obstacle non-collaboratif et le stratégie pour éviter un autre être humain, et la façon dont les humains interagissent avec un objet si se déplaçant en manier simil à l’humaine. Deuxièmement, nous présentons un travail effectué en collaboration avec les neuroscientifiques de calcul. Nous proposons une nouvelle approche pour synthétiser réalistes complexes mouvements du robot humanoïde avec des primitives de mouvement. Trajectoires humaines walking-to-grasp ont été enregistrés. L’ensemble des mouvements du corps sont reciblées et proportionnée afin de correspondre à la cinématique de robots humanoïdes. Sur la base de cette base de données des mouvements, nous extrayons les primitives de mouvement. Nous montrons que ces signaux sources peuvent être exprimées sous forme de solutions stables d’un système dynamique autonome, qui peut être considéré comme un système de central pattern generators (CPGs). Sur la base de cette approche, les stratégies réactives walking-to-grasp ont été développés et expérimenté avec succès sur le robot humanoïde HRP-2 au LAAS-CNRS. Dans la troisième partie de la thèse, nous présentons une nouvelle approche du problème de pilotage d’un robot soumis à des contraintes non holonomes par une porte en utilisant l’asservissement visuel. La porte est représentée par deux points de repère situés sur ses supports verticaux. La plan géométric qui a été construit autour de la porte est constituée de faisceaux de hyperboles, des ellipses et des cercles orthogonaux. Nous montrons que cette géométrie peut être mesurée directement dans le plan d’image de la caméra et que la stratégie basée sur la vision présentée peut également être lié à l’homme. Simulation et expériences réalistes sont présentés pour montrer l’efficacité de nos solutions.

Abstract

This thesis has been done within the framework of the European Project Koroibot which aims at developing advanced algorithms to improve the humanoid robots locomotion. It is organized in three parts. With the aim of steering robots in a safe and efficient manner among humans it is required to understand the rules, principles and strategies of human during locomotion and transfer them to robots. The goal of this thesis is to investigate and identify the human locomotion strategies and create algorithms that could be used to improve robot capabilities. A first contribution is the analysis on pedestrian principles which guide collision avoidance strategies. In particular, we observe how humans adapt a goal-direct locomotion task when they have to interfere with a moving obstacle crossing their way. We show differences both in the strategy set by humans to avoid a non-collaborative obstacle with respect to avoid another human, and the way humans interact with an object moving in human-like way. Secondly, we present a work done in collaboration with computational neuroscientists. We propose a new approach to synthetize realistic complex humanoid robot movements with motion primitives. Human walking-to-grasp trajectories have been recorded. The whole body movements are retargeted and scaled in order to match the humanoid robot kinematics. Based on this database of movements, we extract the motion primitives. We prove that these sources signals can be expressed as stable solutions of an autonomous dynamical system, which can be regarded as a system of coupled central pattern generators (CPGs). Based on this approach, reactive walking-to-grasp strategies have been developed and successfully experimented on the humanoid robot HRP at LAAS-CNRS. In the third part of the thesis, we present a new approach to the problem of vision-based steering of robot subject to non-holonomic constrained to pass through a door. The door is represented by two landmarks located on its vertical supports. The planar geometry that has been built around the door consists of bundles of hyperbolae, ellipses, and orthogonal circles. We prove that this geometry can be directly measured in the camera image plane and that the proposed vision-based control strategy can also be related to human. Realistic simulation and experiments are reported to show the effectiveness of our solutions.

Mots-Clés / Keywords
Human-inspired models; Robot locomotion; Human-robot interaction; Motion capture system; Modèles inspirés de l’humain; Locomotion des robots; Interaction homme-robot; Robots humanoïdes; Système de capture de mouvement;

137753
16324
28/09/2016

Stratégies de marche avancées et inspirées de l'être humain pour les robots humanoïdes

M.NAVEAU

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 28 Septembre 2016, Président: F.LAMIRAUX, Rapporteurs: C.CHEVALLEREAU, C.OTT, Examinateurs: P.B.WIEBER, Directeurs de thèse: O.STASSE , N° 16324

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Résumé

Cette thèse traite du problème de la locomotion des robots humanoïdes dans le contexte du projet européen KoroiBot. En s’inspirant de l’être humain, l’objectif de ce projet est l’amélioration des capacités des robots humanoïdes à se mouvoir de façon dynamique et polyvalente. Le coeur de l’approche scientifique repose sur l’utilisation du controle optimal, à la fois pour l’identification des couts optimisés par l’être humain et pour leur mise en oeuvre sur les robots des partenaires roboticiens. Cette thèse s’illustre donc par une collaboration à la fois avec des mathématiciens du contrôle et des spécialistes de la modélisation des primitives motrices. Les contributions majeures de cette thèse reposent donc sur la conception de nouveaux algorithmes temps-réel de contrôle pour la locomotion des robots humanoïdes avec nos collégues de l’université d’Heidelberg et leur intégration sur le robot HRP-2. Deux contrôleurs seront présentés, le premier permettant la locomotion multi-contacts avec une connaissance a priori des futures positions des contacts. Le deuxième étant une extension d’un travail réalisé sur de la marche sur sol plat améliorant les performances et ajoutant des fonctionnalitées au précédent algorithme. En collaborant avec des spécialistes du mouvement humain nous avons implementé un contrôleur innovant permettant de suivre des trajectoires cycliques du centre de masse. Nous présenterons aussi un contrôleur corps-complet utilisant, pour le haut du corps, des primitives de mouvements extraites du mouvement humain et pour le bas du corps, un générateur de marche. Les résultats de cette thèse ont été intégrés dans la suite logicielle "Stack-of-Tasks" du LAAS-CNRS.

Mots-Clés / Keywords
Contrôle; Contrôle de marche; Robot; Robot humanoïde; Walking;

137735
15679
24/11/2015

Development of ionic electroactive actuators with improved interfacial adhesion: towards the fabrication of inkjet printable artificial muscles

A.SIMAITE

NBS, GEPETTO

Doctorat : INSA de Toulouse, 24 Novembre 2015, 215p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: E.CATTAN, S.REGNIER, Examinateurs: R.M.SAUVAGE, Directeurs de thèse: C.BERGAUD, B.TONDU, Membre invité: P.SOUERES , N° 15679

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01292026

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Résumé

Les actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques constituent une alternative prometteuse par rapport aux actionneurs conventionnels, en particulier lorsqu’une réponse comparable à celle d’un muscle naturel est recherché. Parmi eux, les actionneurs à base de polymères conducteurs constituent une voie prometteuse pour des applications biomédicale où la biocompatibilité, la compacité et un positionnement précis sont requis. Néanmoins, l’essor de dispositifs fonctionnels est fortement ralenti en raison de la faible efficacité d’actionnement et de la rapide dégradation des performances de ce type d’actionneurs. L’absence de rétroaction sur la force ou sur la position est également un autre aspect limitant le développement de cette approche. L’objectif de cette thèse est de proposer une technique de fabrication à grande échelle pour l’élaboration d’actionneurs à base de polymères électroactifs ioniques et permettant également l’intégration de capteurs pour un contrôle rétroactif. L’impression par jet d’encre est une technologie clé pour le dépôt de polymères et une des plus alternatives les plus prometteuses pour la production d’actionneurs à base de polymères conducteurs. Cependant, la fabrication d’actionneurs par technique jet d’encre n’est pas encore totalement maîtrisée à cause des propriétés rhéologiques des solutions de polymères conducteurs qui rendent difficile le contrôle de l’éjection de gouttes mais également en raison de la nature complexe des interactions entre la solution et l’échantillon qui peut conduire à une faible adhésion et un mauvais contrôle de l’infiltration de l’encre. Pour optimiser cette méthode de fabrication, des membranes hybrides contenant des ions ont été développées. Le greffage d’un monomère hydrophile par plasma argon avec un dépôt contrôlé en profondeur a été utilisé pour obtenir des membranes en polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec des surfaces hydrophiles tout en conservant une zone centrale hydrophobe. Ces membranes hybrides ont permis d’obtenir, par dépôt de gouttes, des actionneurs de morphologies très variées à base de polymères conducteurs. En outre, la durée de vie d’actionneurs obtenus avec une solution conductrice de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) a été sensiblement augmentée avec des déformations de plus de 0.6% sans qu’aucun signe de délamination ne soit perceptible. Enfin, la nature complexe des mécanismes physico-chimiques à l’origine des interactions entre le film polymère et la membrane poreuse a été mieux appréhendée durant ce travail. Les conditions nécessaires pour assurer une forte adhésion et les effets conduisant à un mauvais contrôle de l’infiltration ont été partiellement identifiés. Ces résultats ont permis de définir les paramètres clés concernant la préparation de la membrane et la composition de la solution polymère. En associant l’ensemble de ces résultats avec les exigences liées à l’utilisation de l’impression de solutions par jet d’encre, nous avons réalisé, en utilisant cette technique de dépôt, les premiers actionneurs ioniques à base de PEDOT:PSS.

Abstract

Ionic electroactive polymer based artificial muscles are promising alternative to traditional actuators, especially where compliant muscle-like response is desirable. Among them, conducting polymer actuators (CPAs) are most promising for biomedical applications, where biocompatibility, compactness and accurate positioning is essential. Nevertheless, development of applicable devices is hold down by their low efficiency and fast performance deterioration. The absence of a tactile, force or position feed-back is another feature limiting the development of functional devices. The goal of this thesis is to develop a fabrication technique for conducting polymer based actuators that could be up-scalable and enable facile integration of sensory feedback. Inkjet printing is key technology in the field of defined polymer deposition as well as in fabrication of strain sensors. It is also one of the most promising alternatives to prevalent fabrication of conducting polymer actuators. Nevertheless, inkjet printed actuators were not yet realized due to rheological properties of conducting polymer solutions that challenge jetting and the complex solution - membrane interactions, that lead to poor adhesion or uncontrolled infiltration. In order to enable this fabrication method, hybrid ion-storing membranes were developed. Argon plasma induced grafting-to of hydrophilic macromonomer with limited-indepth deposition was used to obtain polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes with hydrophilic upper surfaces and hydrophobic centre. Functionalized PVDF membranes were shown to withhold good adhesion to the conducting polymer films and preserve electrically insulating layer in between them. Hybrid membranes were demonstrated to be advantageous in fabrication of CPAs by drop casting and enable production of actuators with various morphologies. Furthermore, fabricated poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) based actuators demonstrated long lifetime with no signs of delamination as well as large strain of more than 0.6%. In addition, the complex nature of the physico-chemical mechanisms of the interactions between the polymer film and the porous membrane was better understood during this work. The conditions necessary in order to ensure strong adhesion as well as circumstances leading to uncontrolled infiltration were partially identified. These were used to set up limits to membrane preparation and polymer solution composition. Combining obtained knowledge with known requirements for inkjet printable solutions lead to the realization of the first inkjet printed PEDOT:PSS based ionic actuators.

136344
15682
16/11/2015

De l'analyse du mouvement in-vitro à la génération de mouvements des systèmes anthropomorphes

B.WATIER

GEPETTO

Habilitation à diriger des recherches : Novembre 2015, 117p., Président: P.FRAISSE, Rapporteurs: L.CHEZE, E.BERTON, F.MULTON, Examinateurs: P.BRANCHER, P.SOUERES, P.G.ZANONE , N° 15682

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136380
15656
05/10/2015

Planification de mouvement pour tiges élastiques

O.ROUSSEL

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 5 Octobre 2015, 131p., Président: P.DANES, Rapporteurs: S.HUTCHINSON, F.BOYER, Examinateurs: B.BAYLE, P.SOUERES, Directeurs de thèse: M.TAIX , N° 15656

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01280258

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Abstract

The motion planning problem has been broadly studied in the case of articulated rigid body systems but so far few work have considered deformable bodies. In particular, elastic rods such as electric cables, hydraulic or pneumatic hoses, appear in many industrial contexts. Due to complex models and high number of degrees of freedom, the extension of motion planning methods to such bodies is a dificult problem. By taking advantage of the properties of static equilibrium configurations, this thesis presents several approaches to the motion planning problem for elastic rods.

Résumé

Le problème de la planification du mouvement a été largement étudié dans le cas de corps rigides articulés mais peu de travaux considèrent les corps déformables. En particulier, les tiges élastiques telles que cables électriques, exibles hydrauliques et pneumatiques, apparaissent dans de nombreux contextes industriels. Du fait d'une modélisation complexe et d'un grand nombre de degrés de liberté, l'extension des méthodes de planification de mouvement à de tels corps est un problème particuli èrement difficile. En se basant sur les propriétés des configurations à l'équilibre statique, cette thèse propose plusieurs approches au problème de planification de mouvement pour des tiges élastiques.

136212
15460
24/09/2015

Exploiting Structure in Humanoid Motion Planning

A.ORTHEY

GEPETTO

Doctorat : INP de Toulouse, 24 Septembre 2015, 124p., Président: P.SOUERES, Rapporteurs: M.BENNEWITZ, P.FRAISSE, Examinateurs: S.VIJAYAKUMAR, Directeurs de thèse: O.STASSE , N° 15460

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01241406

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Résumé

Afin que les robots humanoïdes puissent travailler avec les humains et être en mesure de résoudre des tâches répétitives, nous devons leur permettre de planifier leurs mouvements de façon autonome. La planification de mouvement est un problème de longue date en robotique, et tandis que sa fondation algorithmique a été étudiée en profondeur, la planification de mouvement est encore un problème NP-difficile et qui manque de solutions efficaces. Nous souhaitons ouvrir une nouvelle perspective sur le problème en mettant en évidence sa structure: le comportement du robot, le système mécanique du robot et l’environnement du robot. Nous allons nous intéresser à l’hypothèse que chaque composante structurelle peut être exploitée pour créer des algorithmes de planification de mouvement plus efficaces. Nous présentons trois algorithmes exploitant la structure, basés sur des arguments géométriques et topologiques: d’abord, nous exploitons le comportement d’un robot de marche en étudiant la faisabilité des transitions des traces de pas. L’algorithme qui en résulte est capable de planifier des traces de pas tout en évitant jusqu’à 60 objets situés sur une surface plane 6 mètres carrés. Deuxièmement, nous exploitons le système mécanique d’un robot humanoïde en étudiant les structures des liaisons linéaires de ses bras et de ses jambes. Nous introduisons le concept d’une trajectoire irréductible, qui est une technique de réduction de dimension préservant la complétude. L’algorithme résultant est capable de trouver des mouvements dans des environnements étroits, où les méthodes d’échantillonnage ne pouvaient pas être appliquées. Troisièmement, nous exploitons l’environnement en raisonnant sur la structure topologique des transitions de contact. Nous montrons que l’analyse de l’environnement est une méthode efficace pour pré-calculer les informations pertinentes pour une planification de mouvement efficace. En s’appuyant sur ces résultats, nous arrivons à la conclusion que l’exploitation de la structure est une composante essentielle de la planification de mouvement efficace. Il en résulte que tout robot humanoïde, qui veut agir efficacement dans le monde réel, doit être capable de comprendre et d’exploiter la structure.

Abstract

If humanoid robots should work along with humans and should be able to solve repetitive tasks, we need to enable them with a skill to autonomously plan motions. Motion planning is a longstanding core problem in robotics, and while its algorithmic foundation has been studied in depth, motion planning is still an NP-hard problem lacking efficient solutions. We want to open up a new perspective on the problem by highlighting its structure: the behavior of the robot, the mechanical system of the robot, and the environment of the robot. We will investigate the hypothesis that each structural component can be exploited to create more efficient motion planning algorithms. We present three algorithms exploiting structure, based on geometrical and topological arguments: first, we exploit the behavior of a walking robot by studying the feasibility of footstep transitions. The resulting algorithm is able to plan footsteps avoiding up to 60 objects on a 6 square meters planar surface. Second, we exploit the mechanical system of a humanoid robot by studying the linear linkage structures of its arms and legs. We introduce the concept of an irreducible motion, which is a completeness-preserving dimensionality reduction technique. The resulting algorithm is able to find motions in narrow environments, where previous sampling-based methods could not be applied. Third, we exploit the environment by reasoning about the topological structure of contact transitions. We show that analyzing the environment is an efficient method to precompute relevant information for efficient motion planning. Based on those results, we come to the conclusion that exploiting structure is an essential component of efficient motion planning. It follows that any humanoid robot, who wants to act efficiently in the real world, needs to be able to understand and to exploit structure.

Mots-Clés / Keywords
humanoid robotics; Motion planning;

135638
14690
09/10/2014

Generation of the whole-body motion for humanoid robots with the complete dynamics

O.RAMOS PONCE

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Octobre 2014, 137p., Président: P.DANES, Rapporteurs: C.CHEVALLEREAU, F.NORI, Examinateurs: L.RIGHETTI, R.TEDRAKE, Directeurs de thèse: P.SOUERES, N.MANSARD , N° 14690

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01134313

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Abstract

This thesis aims at providing a solution to the problem of motion generation for humanoid robots. The proposed framework generates whole-body motion using the complete robot dynamics in the task space satisfying contact constraints. This approach is known as operational-space inverse-dynamics control. The specification of the movements is done through objectives in the task space, and the high redundancy of the system is handled with a prioritized stack of tasks where lower priority tasks are only achieved if they do not interfere with higher priority ones. To this end, a hierarchical quadratic program is used, with the advantage of being able to specify tasks as equalities or inequalities at any level of the hierarchy. Motions where the robot sits down in an armchair and climbs a ladder show the capability to handle multiple non-coplanar contacts. The generic motion generation framework is then applied to some case studies using HRP-2 and Romeo. Complex and human-like movements are achieved using human motion imitation where the acquired motion passes through a kinematic and then dynamic retargeting processes. To deal with the instantaneous nature of inverse dynamics, a walking pattern generator is used as an input for the stack of tasks which makes a local correction of the feet position based on the contact points allowing to walk on non-planar surfaces. Visual feedback is also introduced to aid in the walking process. Alternatively, for a fast balance recovery, the capture point is introduced in the framework as a task and it is controlled within a desired region of space. Also, motion generation is presented for CHIMP which is a robot that needs a particular treatment.

Résumé

Cette thèse propose une solution au problème de la génération de mouvements pour les robots humanoïdes. Le cadre qui est proposé dans cette thèse génère des mouvements corps-complet en utilisant la dynamique inverse avec l’espace des tâches et en satisfaisant toutes les contraintes de contact. La spécification des mouvements se fait à travers objectifs dans l’espace des tâches et la grande redondance du système est gérée avec une pile de tâches où les tâches moins prioritaires sont atteintes seulement si elles n’interfèrent pas avec celles de plus haute priorité. À cette fin, un QP hiérarchique est utilisé, avec l’avantage d’être en mesure de préciser tâches d’égalité ou d’inégalité à tous les niveaux de la hiérarchie. La capacité de traiter plusieurs contacts non-coplanaires est montrée par des mouvements où le robot s’assoit sur une chaise et monte une échelle. Le cadre générique de génération de mouvements est ensuite appliqué à des études de cas à l’aide de HRP-2 et Romeo. Les mouvements complexes et similaires à l’humain sont obtenus en utilisant l’imitation du mouvement humain où le mouvement acquis passe par un processus cinématique et dynamique. Pour faire face à la nature instantanée de la dynamique inverse, un générateur de cycle de marche est utilisé comme entrée pour la pile de tâches qui effectue une correction locale de la position des pieds sur la base des points de contact permettant de marcher sur un terrain accidenté. La vision stéréo est également introduite pour aider dans le processus de marche. Pour une récupération rapide d’équilibre, le capture point est utilisé comme une tâche contrôlée dans une région désirée de l’espace. En outre, la génération de mouvements est présentée pour CHIMP, qui a besoin d’un traitement particulier.

Mots-Clés / Keywords
humanoid robotics; Whole-body motion; Inverse dynamics; Task space; Motion imitation; Dynamic walking; Robotique humanoïde; Mouvement corps-complet; Dynamique inverse; Espace des tâches; Imitation du mouvement; Marche dynamique;

134205
13810
01/07/2013

Semiotics of motion: toward a robotics programing language

N.MANSARD

GEPETTO

Habilitation à diriger des recherches : 1er Juillet 2013, 170p., Président: J.B.HIRIART-URRUTY, Rapporteurs: A.DE LUCA, P.FRAISSE, E.TODOROV, Examinateurs: F.CHAUMETTE, A.KEDDAR, J.P.LAUMOND , N° 13810

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01061112

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Abstract

My work is aiming at establishing the bases of a semiotics of motion, in order to facilitate the programing of complex robotics systems. The objective is to build a symbolic model of the action, based on the analysis of the numerical functions that drive the motion (control and planning). The methodology comes from the well-known robotics concepts: motion-planning algorithms, control of redundant systems and task-function approach. The originality of the work is to consider the "task" as the unifying concept both to describe the motion and to control its execution. The document is organized in two parts. In the first part, the task-function control framework is extended to cover all the possible modalities of the robot. The objective is to absorb from the lowest-possible functional level the maximum of uncertainty factors. It is then not any more necessary to model these factors at the higher functional levels. This sensorimotor layer is then used as a basic action "vocabulary" that enables the system to be controlled with a higher-level interface. In the second part, this action vocabulary is used to provide a dedicated robotics programing language, to build motion-planning methods and to describe an observed movement. The proposed methods are generic and can be applied to a various systems, from robotics (redundant robots) to computer animation (virtual avatars). Nonetheless, the work is more specifically dedicated to humanoid robotics. Without forgetting other possible outlets, humanoid robotics provides a tangible applicative and experimental framework. It also leads toward the natural human motion, as presented in the end of the document.

Résumé

Mes travaux se prop osent d'étudier les fondements d'une sémiotique du mouvement p our fa- ciliter la programmation de systèmes rob otiques complexes. Il s'agit d'établir des mo dèles symb oliques de l'action sur la base de l'analyse des fonctions numériques qui préludent au mouvement (planication et contrôle). Ce travail s'appuie sur la maîtrise de concepts rob o- tiques bien établis en algorithmique de la planication de mouvements, en commande des systèmes redondants et en mo délisation de tâches. L'originalité de l'appro che consiste à éten- dre le concept de tâche comme un cadre unicateur p our décrire le mouvement à eectuer et p our réaliser son exécution. Le do cument est organisé en deux axes. Dans un premier temps, on cherche à étendre le cadre de la commande par fonction de tâche, de manière à absorb er au plus bas niveau un maximum d'incertitudes qui n'auront ainsi plus à être traitées au niveau décisionnel. C'est de cette couche sensori-motrices que j'entends faire émerger un  vo cabulaire de l'action  p ermettant une commande  haut niveau  du système. Dans un second temps, on s'intéresse à l'organisation de ce vo cabulaire p our la programmation et la plannication automatique de mouvement, ou encore comme cadre descripteur de mouvements observés. Les métho des prop osées se veulent génériques. Elles p euvent être appliquées à une grande variété de systèmes allant de la rob otique (rob ots redondants) à l'animation graphique (avatars virtuels). Néanmoins, le travail est délib érément orienté plus sp éciquement vers la rob otique humanoïde. Sans condamner d'autres déb ouchés, cela p ermet de xer à la fois un cadre exp érimental et un cadre applicatif précis, et comme présenté dans la n du do cument, d'ouvrir le pro jet vers la thématique plus générale du mouvement humain

Mots-Clés / Keywords
Redundant systems; Anthropomorphic mouvement; Sensor-based control; Task sequencing; Obstacle avoidance; Robotique; Systèmes redondant; Mouvement anthropomorphe; Robotics; Asservissement référencé capteur; Enchaînement de tâches; Evitement d'obstacles;

133084
13212
03/06/2013

Planification de mouvements optimaux pour des systèmes anthropomorphes

A.EL KHOURY

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 3 Juin 2013, 155p., Président: P.DANES, Rapporteurs: M.BENNEWITZ, A.KHEDDAR, Examinateurs: B.D'ANDREA NOVEL, T.BRETL, R.GELIN, Directeurs de thèse: F.LAMIRAUX, M.TAIX , N° 13212

Lien : http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00833019

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Abstract

This thesis deals with the development and study of algorithms for planning optimal motions for anthropomorphic systems, which are underactuated and highly redundant systems, such as humanoid robots and digital actors. Randomized motion planners and optimal control methods are proposed and discussed. A rst contribution concerns the use of an ecient graph search algorithm in order to optimize walk trajectories that were previously obtained for a bounding-box representation of the system using randomized motion planners. The second contribution develops the use of constrained randomized motion planners in order to plan in a generic way whole-body motions that involve both walking and manipulation. Finally we develop an algorithmic approach which combines constrained randomized motion planners and optimal control methods; this approach allows the generation of dynamic, fast and collision-free motions for anthropomorphic systems in the presence of obstacles.

Résumé

L'objet de cette thèse est le développement et l'étude d'algorithmes de planification de mouvements optimaux pour des systèmes anthropomorphes sous-actionnés et hautement dimensionnés, à l'instar des robots humanoïdes et des acteurs virtuels. Des méthodes de planification aléatoires et de commande optimale sont proposées et discutées. Une première contribution concerne l'utilisation d'une méthode efficace de recherche dans un graphe pour l'optimisation de trajectoires de marche planifiées pour un système modélisé par sa boîte englobante. La deuxième contribution concerne l'utilisation de méthodes de planification aléatoires sous contraintes afin de planifier de façon générique des mouvements corps-complet de marche et manipulation. Enfin nous développons une approche algorithmique qui combine des méthodes de planification aléatoires sous contraintes et de commande optimale. Cette approche permet de générer des mouvements dynamiques, rapides, et sans collision, en présence d'obstacles dans l'environnement du système.

Mots-Clés / Keywords
Planification de mouvement; Commande optimale; Système anthropomorphe; Robot humanoïde; Motion planning; Optimal control; Anthropomorphic system; Humanoid robot ;

129836
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