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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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72documents trouvés

18395
15/10/2018

Modèles réduits fiables et efficaces pour la planification et l’optimisation de mouvement des robots à pattes en environnements contraints

P.FERNBACH

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Octobre 2018, 245p., Président: M.P.CANI, Rapporteurs: L.RIGHETTI, A.KHEDDAR, Examinateurs: J.PETTRE, Directeurs de thèse: M.TAIX, S.TONNEAU , N° 18395

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Abstract

The automatic synthesis of movements for legged robots is one of the long standing challenge of robotics, and its resolution is a prior to the safe deployment of robots outside of their labs. In this thesis, we tackle it with a divide and conquer approach, where several smaller sub-problems are identified and solved sequentially to generate motions in a computationally efficient manner. This decoupling comes with a feasibility issue : how can we guarantee that the solution of a sub-problem is a valid input for the next sub-problem ? To address this issue, this thesis defines computationally efficient feasibility criteria, focused on the constraints on the Center Of Mass of the robot. Simultaneously, it proposes a new formulation of the problem of computing a feasible trajectory for the Center Of Mass of the robot, given a contact sequence. This formulation is continuous, as opposed to traditional approaches that rely on a discretized formulation, which can result in constraint violations and are less computationally efficient. This general formulation could be straightforwardly used with any existing approach of the state of the art. The framework obtained was experimentally validated both in simulation and on the HRP-2 robot, and presented a higher success rate, as well as computing performances order of magnitudes faster than the state of the art.

Résumé

La synthèse automatique du mouvement de robots à pattes est un enjeu majeur de la robotique : sa résolution permettrait le déploiement des robots hors de leurs laboratoire. Pour y parvenir, cette thèse suit l’approche "diviser pour régner", où le problème est décomposé en plusieurs sous-problèmes résolus séquentiellement. Cette décomposition amène alors la question nouvelle de la faisabilité : comment garantir que la solution d’un sous-problème, permet la résolutiondes suivants (dont elle sert d’entrée) ? Pour y répondre, cette thèse définit des critères de faisabilités efficaces, qui s’appuient sur la définition des contraintes qui s’appliquent au centre de masse du robot. En parallèle, et de manière plus générale, elle propose une nouvelle formulation du problème du calcul d’une trajectoire valide pour le centre de masse du robot. Cette formulation, continue, présente le double avantage (par rapport aux méthodes discrètes classiques) de garantir la validité de la solution en tous points, tout en améliorant, grâce à une réduction de la dimensionnalité du problème, les performances des algorithmes de l’état de l’art. L’architecture de planification de mouvement résultante a été validée en simulation, ain que sur le robot HRP-2, démontrant ainsi sa supériorité en termes de temps de calcul et de taux de succès par rapport à l’existant.

Mots-Clés / Keywords
Planification de mouvement; Robots à pattes; Multi-contact; Planification kinodynamique; Optimisation; Motion and kinodynamic planning; Legged robots; Optimization;

145394
18352
10/10/2018

Descriptive and Explanatory Tools for Human Movement and State Estimation in Humanoid Robotics

F.BAILLY

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 10 Octobre 2018, 168p., Président: J.P.LAUMOND, Rapporteurs: A.IJSPEERT, L.CHEZE, Examinateurs: E.GUIGON, Directeurs de thèse: P.SOUERES, B.WATIER , N° 18352

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01927768

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Abstract

Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d’en étudier les causes motrices et les conséquences physiques qui en résultent, que sont les interactions avec l’environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d’une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classique peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d’altérer le contenu des signaux d’intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment angulaire d’un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynami! que temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu’un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l’estimation d’état et la perception multisensorielle. Le sujet principal de cette thèse est le mouvement des systèmes anthropomorphes, et plus particulièrement la locomotion bipède des humains et des robots humanoïdes. Pour caractériser et comprendre la locomotion bipède, il est instructif d’en étudier les causes motrices et les conséquences physiques qui en résultent, que sont les interactions avec l’environnement. Concernant les causes, par exemple, quels sont les principes qui régissent l'organisation des ordres moteurs pour élaborer une stratégie de déplacement spécifique ? Puis, quelles grandeurs physiques pouvons-nous calculer pour décrire au mieux le mouvement résultant de ces commandes motrices ? Ces questions sont en partie abordées par la proposition d’une extension mathématique de l'approche du Uncontrolled Manifold au contrôle moteur de tâches dynamiques puis par la présentation d'un nouveau descripteur de la locomotion anthropomorphe. En lien avec ce travail analytique vient le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes anthropomorphes. La difficulté d'un tel problème vient du fait que les mesures apportent un bruit qui n'est pas toujours séparable des données informatives, et que l'état du système n'est pas nécessairement observable. Pour se débarrasser du bruit, des techniques de filtrage classique peuvent être employées, mais elles sont susceptibles d’altérer le contenu des signaux d’intérêt. Pour faire face à ce problème, nous présentons une méthode récursive, basée sur le filtrage complémentaire, pour estimer la position du centre de masse et la variation du moment angulaire d’un système en contact, deux quantités centrales de la locomotion bipède. Une autre idée pour se débarrasser du bruit de mesure est de réaliser qu'il résulte en une estimation irréaliste de la dynamique du système. En exploitant les équations du mouvement, qui dictent la dynami! que temporelle du système, et en estimant une trajectoire plutôt qu’un point unique, nous présentons ensuite une estimation du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation différentielle dynamique pour effectuer une estimation optimale de l'état centroidal des systèmes en contact. Finalement, une réflexion pluridisciplinaire est présentée, sur le rôle fonctionnel et computationnel joué par la tête chez les animaux. La pertinence de son utilisation en robotique mobile y est discutée, pour l’estimation d’état et la perception multisensorielle.

Abstract

The substantive subject of this thesis is the motion of anthropomorphic systems, and more particularly the bipedal locomotion of humans and humanoid robots. To characterize and understand bipedal locomotion, it is instructive to study its motor causes and its resulting physical consequences, namely, the interactions with the environment. Concerning the causes, for instance, what are the principles that govern the organization of motor orders in humans for elaborating a specific displacement strategy? And then, which physical quantities can we compute for best describing the motion resulting from these motor orders ? These questions are in part addressed by the proposal of a mathematical extension of the Uncontrolled Manifold approach for the motor control of dynamic tasks and through the presentation of a new descriptor of anthropomorphic locomotion. In connection with this analytical work, comes the problem of state estimation in anthropomorphic systems. The difficulty of such a problem comes from the fact that the measurements carry noise which is not always separable from the informative data, and that the state of the system is not necessarily observable. To get rid of the noise, classical filtering techniques can be employed but they are likely to distort the signals. To cope with this issue, we present a recursive method, based on complementary filtering, to estimate the position of the center of mass and the angular momentum variation of the human body, two central quantities of human locomotion. Another idea to get rid of the measurements noise is to acknowledge the fact that it results in an unrealistic estimation of the motion dynamics. By exploiting the equations of motion, which dictate the temporal dynamics of the system, and by estimating a trajectory versus a single point, we then present maximum likeli! hood estimation using the dynamic differential programming algorithm to perform optimal centroidal state estimation for systems in contact. Finally, a multidisciplinary reflection on the functional and computational role played by the head in animals is presented. The relevance of using this solution in mobile robotics is discussed, particularly for state estimation and multisensory perception.

Mots-Clés / Keywords
humanoid robotics; Biomechanics; Locomotion; State estimation; Motor control; Robotique humanoide; Biomécanique; Contrôle moteur;

145095
18197
23/04/2018

Optimal control and machine learning for humaoid and aerial robots

M.GEISERT

GEPETTO

Doctorat : INSA de Toulouse, 23 Avril 2018, 185p., Président: J.CORTES, Rapporteurs: P.Y.OUDEYER, K.LIU, Examinateurs: J.BUCHLI, S.DONCIEUX, Directeurs de thèse: N.MANSARD , N° 18197

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01886622

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Résumé

Quelle sont les points communs entre un robot humanoïde et un quadrimoteur ? Et bien, pas grand-chose... Cette thèse s’intéresse donc au développement d’algorithmes permettant de contrôler un robot de manière dynamique tout en restant générique par rapport au model du robot et à la tâche que l’on cherche à résoudre. Le contrôle optimal numérique est pour cela un bon candidat. Cependant il souffre de plusieurs difficultés comme un nombre important de paramètres à ajuster et des temps de calcul relativement élevés. Cette thèse présente alors plusieurs améliorations permettant dâAZatténuer ces difficultés. D’un côté, l’ordonnancement des différentes tâches sous la forme d’une hiérarchie et sa résolution avec un algorithme adapté permet de réduire le nombre de paramètres à ajuster. D’un autre côté, l’utilisation de l’apprentissage automatique afin d’initialiser l’algorithme d’optimisation ou de générer un modèle simplifié du robot permet de fortement diminuer les temps de calcul.

Abstract

What are the common characteristics of humanoid robots and quadrotors? Well, not many... Therefore, this document is focused on the development of algorithms allowing to dynamically control a robot while staying generic with respect to the model of the robot and the task that needs to be solved. Numerical optimal control is good candidate to achieve such objective. However, it suffers from several difficulties such as a high number of parameters to tune and a relatively important computation time. This document presents several ameliorations allowing to reduce these problems. On one hand, the tasks can be ordered according to a hierarchy and solved with an appropriate algorithm to lower the number of parameters to tune. On the other hand, machine learning can be used to initialize the optimization solver or to generate a simplified model of the robot, and therefore can be used to decrease the computation time.

Mots-Clés / Keywords
Optimal control; Hierarchical control; Machine learning; Motion planning; Humanoid robots; Aerial robots; Contrôle optimal; Contrôle hiérarchique; Apprentissage automatique; Plannification de mouvement; Robots humanoïdes; Robots aériens;

144093
18097
01/02/2018

Intuitive, iterative and assisted virtual guides programming for human-robot comanipulation

S.SANCHEZ RESTREPO

RIS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Février 2018, 209p., Président: O.BRUNEAU, Rapporteurs: P.FRAISSE, G.MOREL, Examinateurs: J.DUMORA, S.LACROIX, Directeurs de thèse: D.SIDOBRE, X.LAMY , N° 18097

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01785574

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Résumé

Pendant très longtemps, l’automatisation a été assujettie à l’usage de robots industriels traditionnels placés dans des cages et programmés pour répéter des tâches plus ou moins complexes au maximum de leur vitesse et de leur précision. Cette automatisation, dite rigide, possède deux inconvénients majeurs : elle est chronophage dû aux contraintes contextuelles applicatives et proscrit la présence humaine. Il existe désormais une nouvelle génération de robots avec des systèmes moins encombrants, peu coûteux et plus flexibles. De par leur structure et leurs modes de fonctionnement ils sont intrinsèquement sûrs ce qui leurs permettent de travailler main dans la main avec les humains. Dans ces nouveaux espaces de travail collaboratifs, l’homme peut être inclus dans la boucle comme un agent décisionnel actif. En tant qu’instructeur ou collaborateur il peut influencer le processus décisionnel du robot : on parle de robots collaboratifs (ou cobots). Dans ce nouveau contexte, nous faisons usage de guides virtuels. Ils permettent aux cobots de soulager les efforts physiques et la charge cognitive des opérateurs. Cependant, la définition d’un guide virtuel nécessite souvent une expertise et une modélisation précise de la tâche. Cela restreint leur utilité aux scénarios à contraintes fixes. Pour palier ce problème et améliorer la flexibilité de la programmation du guide virtuel, cette thèse présente une nouvelle approche par démonstration : nous faisons usage de l’apprentissage kinesthésique de façon itérative et construisons le guide virtuel avec une spline 6D. Grâce à cette approche, l’opérateur peut modifier itérativement les guides tout en gardant leur assistance. Cela permet de rendre le processus plus intuitif et naturel ainsi que de réduire la pénibilité. La modification locale d’un guide virtuel en trajectoire est possible par interaction physique avec le robot. L’utilisateur peut déplacer un point clé Cartésien ou modifier une portion entière du guide avec une nouvelle démonstration partielle. Nous avons également étendu notre approche aux guides virtuels 6D, où les splines en déplacement sont définies via une interpolation Akima (pour la translation) et une interpolation quadratique des quaternions (pour l’orientation). L’opérateur peut initialement définir un guide virtuel en trajectoire, puis utiliser l’assistance en translation pour ne se concentrer que sur la démonstration de l’orientation. Nous avons appliqué notre approche dans deux scénarios industriels utilisant un cobot. Nous avons ainsi démontré l’intérêt de notre méthode qui améliore le confort de l’opérateur lors de la comanipulation.

Abstract

For a very long time, automation was driven by the use of traditional industrial robots placed in cages, programmed to repeat more or less complex tasks at their highest speed and with maximum accuracy. This robot-oriented solution is heavily dependent on hard automation which requires pre-specified fixtures and time consuming programming, hindering robots from becoming flexible and versatile tools. These robots have evolved towards a new generation of small, inexpensive, inherently safe and flexible systems that work hand in hand with humans. In these new collaborative workspaces the human can be included in the loop as an active agent. As a teacher and as a co-worker he can influence the decision-making process of the robot. In this context, virtual guides are an important tool used to assist the human worker by reducing physical effort and cognitive overload during tasks accomplishment. However, the construction of virtual guides often requires expert knowledge and modeling of the task. These limitations restrict the usefulness of virtual guides to scenarios with unchanging constraints. To overcome these challenges and enhance the flexibility of virtual guides programming, this thesis presents a novel approach that allows the worker to create virtual guides by demonstration through an iterative method based on kinesthetic teaching and displacement splines. Thanks to this approach, the worker is able to iteratively modify the guides while being assisted by them, making the process more intuitive and natural while reducing its painfulness. Our approach allows local refinement of virtual guiding trajectories through physical interaction with the robots. We can modify a specific cartesian keypoint of the guide or re-demonstrate a portion. We also extended our approach to 6D virtual guides, where displacement splines are defined via Akima interpolation (for translation) and quadratic interpolation of quaternions (for orientation). The worker can initially define a virtual guiding trajectory and then use the assistance in translation to only concentrate on defining the orientation along the path. We demonstrated that these innovations provide a novel and intuitive solution to increase the human’s comfort during human-robot comanipulation in two industrial scenarios with a collaborative robot (cobot).

Mots-Clés / Keywords
Virtual guides; Programming by demonstration; Collaborative robotics; Comanipulation; Guides vrituels; Programation par démonstration; Robotique collaborative;

143313
18326
17/01/2018

Models, Algorithms and Architectures for Cooperative Manipulation with Aerial and Ground Robots

N.STAUB

RIS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Janvier 2018, 199p., Président: S.LACROIX, Rapporteurs: A.OLLERO, P.FRAISSE, Examinateurs: P.ROBUFFO GIORDANO, S.HIRCHE, Directeurs de thèse: A.FRANCHI , N° 18326

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01922250

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Résumé

Les dernières années ont vu le développement de recherches portant sur l’interaction physique entre les robots aériens et leur environnement, accompagné de l’apparition de nombreux nouveaux systèmes mécaniques et approches de régulation. La communauté centrée autour de la robotique aérienne observe actuellement un déplacement de paradigmes des approches classiques de guidage, de navigation et de régulation vers des tâches moins triviales, telle le développement de l’interaction physique entre robots aériens et leur environnement. Ceci correspond à une extension des tâches dites de manipulation, du sol vers les airs. Cette thèse contribue au domaine de la manipulation aérienne en proposant un nouveau concept appelé MAGMaS, pour « Multiple Aerial Ground Manipulator System ». Les motivations qui ont conduites à l’association de manipulateurs terrestres et aériens pour effectuer des tâches de manipulation coopérative, résident dans une volonté d’exploiter leurs particularités respectives. Les manipulateurs terrestres apportant leur importante force et les manipulateurs aériens apportant leur vaste espace de travail. La première contribution de cette thèse présente une modélisation rigoureuse des MAGMaS. Les propriétés du système ainsi que ses possibles extensions sont discutées. Les méthodes de planning, d’estimation et de régulation nécessaire à l’exploitation des MAGMaS pour des tâches de manipulation collaborative sont dérivées. Ce travail propose d’exploiter les redondances des MAGMaS grâce à un algorithme optimal d’allocation de forces entre les manipulateurs. De plus, une méthode générale d’estimation de forces pour robots aériens est introduite. Toutes les techniques et les algorithmes présentés dans cette thèse sont intégrés dans une architecture globale, utilisée à la fois pour la simulation et la validation expérimentale. Cette architecture est en outre augmentée par l’addition d’une structure de télé-présence, afin de permettre l’opération à distances des MAGMaS. L’architecture générale est validée par une démonstration de levage de barre, qui est une application représentative des potentiels usages des MAGMaS. Une autre contribution relative au développement des MAGMaS consiste en une étude exploratoire de la flexibilité dans les objets manipulés par un MAGMaS. Un modèle du phénomène vibratoire est dérivé afin de mettre en exergue ses propriétés en termes de contrôle. La dernière contribution de cette thèse consiste en une étude exploratoire sur l’usage des actionneurs à raideur variable dans les robots aériens, dotant ces systèmes d’une compliance mécanique intrinsèque et de capacité de stockage d’énergie. Les fondements théoriques sont associés à la synthèse d’un contrôleur non-linéaire. L’approche proposée est validée par le biais d’expériences reposant sur l’intégration d’un actionneur à raideur variable léger sur un robot aérien.

Abstract

In recent years, the subject of physical interaction for aerial robots has been a popular research area with many new mechanical designs and control approaches being proposed. The aerial robotics community is currently observing a paradigm shift from classic guidance, navigation, and control tasks towards more unusual tasks, for example requesting aerial robots to physically interact with the environment, thus extending the manipulation task from the ground into the air. This thesis contributes to the field of aerial manipulation by proposing a novel concept known has Multiple Aerial-Ground Manipulator System or MAGMaS, including what appears to be the first experimental demonstration of a MAGMaS and opening a new route of research. The motivation behind associating ground and aerial robots for cooperative manipulation is to leverage their respective particularities, ground robots bring strength while aerial robots widen the workspace of the system. The first contribution of this work introduces a meticulous system model for MAGMaS. The system model’s properties and potential extensions are discussed in this work. The planning, estimation and control methods which are necessary to exploit MAGMaS in a cooperative manipulation tasks are derived. This works proposes an optimal control allocation scheme to exploit the MAGMaS redundancies and a general model-based force estimation method is presented. All of the proposed techniques reported in this thesis are integrated in a global architecture used for simulations and experimental validation. This architecture is extended by the addition of a tele-presence framework to allow remote operations of MAGMaS. The global architecture is validated by robust demonstrations of bar lifting, an application that gives an outlook of the prospective use of the proposed concept of MAGMaS. Another contribution in the development of MAGMaS consists of an exploratory study on the flexibility of manipulated loads. A vibration model is derived and exploited to showcase vibration properties in terms of control. The last contribution of this thesis consists of an exploratory study on the use of elastic joints in aerial robots, endowing these systems with mechanical compliance and energy storage capabilities. Theoretical groundings are associated with a nonlinear controller synthesis. The proposed approach is validated by experimental work which relies on the integration of a lightweight variable stiffness actuator on an aerial robot.

Mots-Clés / Keywords
Cyber-physical systems; Aerial manipulation systems; Shared control; Non-linear control and estimation; Manipulation with compliant actuators; Systèmes cyber-physiques; Système de manipulation aérienne; Commande partagée; Commande et observateur non-linéaires; Manipulation avec actionneur souple;

144933
17661
20/12/2017

Apprentissage en ligne de signatures audiovisuelles pour la reconnaissance et le suivi de personnes au sein d’un réseau de capteurs ambiants

F.DECROIX

RAP

Doctorat : 20 Décembre 2017, 123p., Président: S.MIGUET, Rapporteurs: P.LAMBERT, M.VACHER, Examinateurs: I.FERRANE, Directeurs de thèse: F.LERASLE, J.PINQUIER , N° 17661

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Abstract

The neOCampus operation, started in 2013 by Paul Sabatier University in Toulouse, aims to create a connected, innovative, intelligent and sustainable campus, by exploiting the skills of 11 laboratories and several industrial partners. These multidisciplinary skills are combined in order to improve users (students, teachers, administrative sta ) daily comfort and to reduce the ecological footprint of the campus. The intelligence we want to bring to the campus of the future requires to provide to its buildings a perception of its intern activity. Indeed, optimizing the energy resources needs a characterization of the user's activities so that the building can automatically adapt itself to it. Human activity being open to multiple levels of interpretation, our work is focused on extracting people trajectories, its more elementary component. Characterizing users activities, in terms of movement, uses data extracted from cameras and microphones distributed in a room, forming a sparse network of heterogeneous sensors. From these data, we then seek to extract audiovisual signatures and rough localizations of the people transiting through this network of sensors. While protecting person privacy, signatures must be discriminative, to distinguish a person from another one, and compact, to optimize computational costs and enables the building to adapt itself. Having regard to these constraints, the characteristics we model are the speaker's timbre, and his appearance, in terms of colorimetric distribution. The scienti c contributions of this thesis are thus at the intersection of the elds of speech processing and computer vision, by introducing new methods of fusing audio and visual signatures of individuals. To achieve this fusion, new sound source location indices as well as an audiovisual adaptation of a multi-target tracking method were introduced, representing the main contributions of this work. The thesis is structured in 4 chapters, and the rst one presents the state of the art on visual reidenti cation of persons and speaker recognition. Acoustic and visual modalities are not correlated, so two signatures are separately computed, one for video and one for audio, using existing methods in the literature. After a rst chapter dedicated to the state of the art in re-identi cation and speaker recognition methods, the details of the computation of the signatures is explored in chapter 2. The fusion of the signatures is then dealt as a problem of matching between audio and video observations, whose corresponding detections are spatially coherent and compatible. Two novel association strategies are introduced in chapter 3. Spatio-temporal coherence of the bimodal observations is then discussed in chapter 4, in a context of multi-target tracking.

Résumé

L'opération neOCampus, initiée en 2013 par l'Université Paul Sabatier, a pour objectif de créer un campus connecté, innovant, intelligent et durable en exploitant les compétences de 11 laboratoires et de plusieurs partenaires industriels. Pluridisciplinaires, ces compétences sont croisées dans le but d'améliorer le confort au quotidien des usagers du campus (étudiants, corps enseignant, personnel administratif) et de diminuer son empreinte écologique. L'intelligence que nous souhaitons apporter au Campus du futur exige de fournir à ses bâtiments une perception de son activité interne. En effet, l'optimisation des ressources énergétiques nécessite une caract érisation des activités des usagers afin que le âatiment puisse s'y adapter automatiquement. L'activité humaine étant sujet à plusieurs niveaux d'interpétation nos travaux se focalisent sur l'extraction des déplacements des personnes présentes, sa composante la plus élémentaire. La caractérisation de l'activité des usagers, en termes de déplacements, exploite des données extraites de caméras et de microphones disséminés dans une piéce, ces derniers formant ainsi un réseau épars de capteurs hétérogènes. Nous cherchons alors à extraire de ces données une signature audiovisuelle et une localisation grossière des personnes transitant dans ce réseau de capteurs. Tout en préservant la vie privée de l'individu, la signature doit être discriminante, afin de distinguer les personnes entre elles, et compacte, afin d'optimiser les temps de traitement et permettre au bâtiment de s'auto-adapter. Eu égard à ces contraintes, les caractéristiques que nous modélisons sont le timbre de la voix du locuteur, et son apparence vestimentaire en termes de distribution colorimétrique. Les contributions scientifiques de ces travaux s'inscrivent ainsi au croisement des communaut és parole et vision, en introduisant des méthodes de fusion de signatures sonores et visuelles d'individus. Pour réaliser cette fusion, des nouveaux indices de localisation de source sonore ainsi qu'une adaptation audiovisuelle d'une méthode de suivi multi-cibles ont été introduits, représentant les contributions principales de ces travaux. Le mémoire est structuré en 4 chapitres. Le premier présente un état de l'art sur les problèmes de ré-identification visuelle de personnes et de reconnaissance de locuteurs. Les modalités sonores et visuelles ne présentant aucune corrélation, deux signatures, une vidéo et une audio sont générées séparément, à l'aide de méthodes préexistantes de la littérature. Le détail de la génération de ces signatures est l'objet du chapitre 2. La fusion de ces signatures est alors traitée comme un problème de mise en correspondance d'observations audio et vidéo, dont les détections correspondantes sont cohérentes et compatibles spatialement, et pour lesquelles deux nouvelles stratégies d'association sont introduites au chapitre 3. La cohérence spatio-temporelle des observations sonores et visuelles est ensuite traitée dans le chapitre 4, dans un contexte de suivi multi-cibles.

Mots-Clés / Keywords
Traitement automatique de la parole; Vision par ordinateur; Fusio audiovisuelle; Suivi multi-cible; Automatic speech processing; Computer vision; Multi-target tracking;

145175
17519
13/12/2017

Handling uncertainty and variability in robot control

N.GIFTSUN

GEPETTO

Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Décembre 2017, 115p., Président: P.PLOEGER, Rapporteurs: V.PADOIS, Examinateurs: A.DEL PRETE, Directeurs de thèse: F.LAMIRAUX , N° 17519

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01713007

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Abstract

Amidst a lot of research in motion planning and control in concern with robotic applications, the mankind has never reached a point yet, where the robots are perfectly functional and autonomous in dynamic settings. Though it is controversial to discuss about the necessity of such robots, it is very important to address the issues that stop us from achieving such a level of autonomy. Industrial robots have evolved to be very reliable and highly productive with more than 1.5 million operational robots in a variety of industries. These robots work in static settings and they literally do what they are programmed for specific usecases, though the robots are flexible enough to be programmed for a variety of tasks. This research work makes an attempt to address these issues that separate both these settings in a profound way with special focus on uncertainties. Practical impossibilities of precise sensing abilities lead to a variety of uncertainties in scenarios where the robot is mobile or the environment is dynamic. This work focuses on developing smart strategies to improve the ability to handle uncertainties robustly in humanoid and industrial robots. First, we focus on a dynamical obstacle avoidance framework proposed for industrial robots equipped with skin sensors for reactivity. Path planning and motion control are usually formalized as separate problems in robotics. High dimensional configuration spaces, changing environment and uncertainties do not allow to plan real-time motion ahead of time requiring a controller to execute the planned trajectory. The fundamental inability to unify both these problems has led to handle the planned trajectory amidst perturbations and unforeseen obstacles using various trajectory execution and deformation mechanisms. The proposed framework uses ’Stack of Tasks’, a hierarchical controller using proximity information to avoid obstacles. Experiments are performed on a UR5 robot to check the validity of the framework and its potential use for collaborative robot applications. Second, we focus on a strategy to model inertial parameters uncertainties in a balance controller for legged robots. Model-based control has become more and more popular in the legged robots community in the last ten years. The key idea is to exploit a model of the system to compute precise motor commands that result in the desired motion. This allows to improve the quality of the motion tracking, while using lower feedback gains, leading so to higher compliance. However, the main flaw of this approach is typically its lack of robustness to modeling errors. In this paper we focus on the robustness of inverse-dynamics control to errors in the inertial parameters of the robot. We assume these parameters to be known, but only with a certain accuracy. We then propose a computationally-efficient optimization-based controller that ensures the balance of the robot despite these uncertainties. We used the proposed controller in simulation to perform different reaching tasks with the HRP-2 humanoid robot, in the presence of various modeling errors. Comparisons against a standard inverse-dynamics controller through hundreds of simulations show the superiority of the proposed controller in ensuring the robot balance.

142375
17608
12/12/2017

Planification interactive de mouvement avec contact

N.BLIN

GEPETTO

Doctorat : INP de Toulouse, 12 Décembre 2017, 134p., Président: R.ZAPATA, Rapporteurs: V.PERDEREAU, B.FOUAD, Examinateurs: , Directeurs de thèse: J.Y.FOURQUET, M.TAIX, P.FILLATREAU , N° 17608

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01769238

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Abstract

Designing new industrial products requires to develop prototypes prior to their launch phase. An interesting solution to speedup the development phase and reduce its costs is to use virtual prototypes as long as possible. Some steps of the development consist in assembly or disassembly operations. These operations can be done manually or automatically using a motion planning algorithm. Motion planning is a method allowing a computer to simulate the motion of an object from a start point to a goal point while avoiding obstacles. The following research work brings solutions for the interaction between a human operator and a motion planning algorithm of virtual objects for the exploration of free space. Research time is split between the human and the machine according to an authority sharing parameter determining the percentage of time allocated to one or the other entity. The simultaneous use of a human and a machine greatly speedup the exploration in comparison to the time needed by any of the former two alone. This work then presents a new interactive motion planner with contact. This method permits to generate trajectories at the surface of obstacles instead of free space trajectories. Contact motion planning allows specific operations such as sliding or insertion. This greatly diminishes the solving time of motion planning problems in cluttered environments. Detecting the intentions of a user when he interacts with a machine is a good way to convey orders efficiently and intuitively. An algorithm for interactive contact planning with intention detection techniques is proposed. This algorithm uses a haptic robot allowing a user to feel virtual obstacles when manipulating a virtual object in a virtual reality environment. The interactive algorithm adapts to the actions of the user in real time for a pertinent exploration of the surfaces of obstacles. This work has been done partly in LAAS-CNRS laboratory in Toulouse in Gepetto team and partly in LGP-ENIT laboratory in Tarbes in DIDS team. We wish to thank the Midi-Pyrénées region for funding this research.

Résumé

La conception de nouveaux produits industriels nécessite le développement de prototypes avant leur déploiement grand public. Afin d’accélérer cette phase et de réduire les coûts qui en découlent, une solution intéressante consiste a utiliser des prototypes virtuels le plus longtemps possible en particulier dans la phase de conception. Certaines des étapes de la conception consistent à effectuer des opérations d’assemblage ou de désassemblage. Ces opérations peuvent être effectuées manuellement ou automatiquement à l’aide d’un algorithme de planification de mouvement. La planification de mouvement est une méthode permettant à un ordinateur de simuler le déplacement d’un objet d’un point de départ à un point d’arrivée tout en évitant les obstacles. Le travail de recherche de cette thèse apporte des solutions afin d’améliorer l’interaction entre un humain et un algorithme de planification de mouvement pendant l’exploration de l’espace libre. Le temps de recherche est partagé entre l’humain et la machine selon un paramètre de partage d’autorité permettant de déterminer le pourcentage d’allocation du temps à l’une ou l’autre entité. L’utilisation simultanée de ces deux entités permet d’accélérer grandement la vitesse d’exploration par rapport à la vitesse d’un humain seul ou d’un algorithme seul. Ces travaux apportent ensuite une nouvelle méthode de planification de mouvement avec contact permettant de générer des trajectoires à la surface des obstacles au lieu de les générer uniquement dans l’espace libre. La planification au contact permet d’effectuer des opérations spécifiques telles que le glissement ou l’insertion utiles pour la résolution de problèmes de planification dans des environnements encombrés. Enfin, détecter les intentions d’un utilisateur lorsqu’il interagit avec une machine permet de lui fournir des ordres efficacement et intuitivement. Dans le cadre de la planification interactive au contact, un algorithme de détection d’intention est proposé. Ce dernier s’appuie sur l’utilisation d’un robot haptique permettant à un opérateur de ressentir les obstacles virtuels lors de la manipulation d’un objet virtuel dans un environnement de réalité virtuelle. L’algorithme interactif s’adapte en temps réel aux actions de l’opérateur pour une exploration pertinente de la surface des obstacles. Ces travaux ont été menés en partie au laboratoire toulousain LAAS au sein de l’équipe Gepetto et en partie dans le laboratoire LGP de l’ENIT au sein de l’équipe DIDS. Nous remercions la région Midi-Pyrénées pour avoir financé ces recherches.

Mots-Clés / Keywords
Planification au contact; Planification de mouvement; Robotique; Informatique; Réalité virtuelle; Retour haptique; Détection d'intention; Computer science; Robotics; Motion planning; Virtual reality; Haptic feedback; Intention detection;

143213
17643
29/11/2017

Analysis and Generation of Highly Dynamic Motions of Anthropomorphic Systems: Application to Parkour

G.MALDONADO

GEPETTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 29 Novembre 2017, 149p., Président: E.BURDET, Rapporteurs: A.ROBY-BRAMI, F.MULTON, Examinateurs: E.BURDET, Directeurs de thèse: B.WATIER, P.SOUERES , N° 17643

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01922226

Diffusable

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Résumé

Cette thèse fournit une approche interdisciplinaire originale pour le traitement du mouvement humain corps-complet grâce à l’utilisation synergique des approches de la biomécanique, du contrôle moteur et de la robotique. Des méthodes robustes de biomécanique sont utilisées pour l’enregistrement, le traitement et l’analyse du mouvement humain. L’approche "Uncontrolled Manifold" du contrôle moteur est étendue pour étudier des mouvements très dynamiques, traités dans l’étude biomécanique. Ceci permet de déterminer si les tâches dynamiques hypothétiques sont contrôlées de manière stable par le cerveau et d’inférer une organisation hiérarchique des tâches motrices contrôlées. Le formalisme de l’espace des tâches utilisé en robotique pour la génération de mouvement corps-complet et la hiérarchie des tâches extraites dans l’étude du contrôle moteur sont utilisés pour générer mouvement humain très dynamique. Cette approche permet de mieux comprendre le mouvement humain et de générer du mouvement de ce dernier avec des systèmes anthropomorphes. Une étude de cas de mouvements très dynamiques et complexes de Parkour, y compris les sauts et les techniques d’atterrissage, est utilisée pour illustrer l’approche proposée.

Abstract

This thesis provides an original interdisciplinary approach for the treatment of whole-body human movement through the synergistic utilization of biomechanics, motor control and robotics approaches. Robust methods of biomechanics are used for recording, processing and analyzing whole-body human motion. The uncontrolled manifold approach (UCM) of motor control is extended for studying highly dynamic movements, processed in the biomechanics study, in order to determine if hypothesized dynamic tasks are being controlled stably by the brain and to infer a hierarchical organization of the controlled motor tasks. The task space formalism of motion generation in robotics is used for generating whole-body motion taking into account the hierarchy of tasks extracted in the motor control study. This approach allows for better understanding human dynamic motion and for generating whole-body human motion with anthropomorphic systems. A case study of highly dynamic and complex movements of Parkour, including jumps and landing techniques, is utilized for illustrating the proposed approach.

Mots-Clés / Keywords
Redundancy; Whole-body motion; Biomechanics; Motor control; Robotics; Human-inspired motion; Task space; Uncontrolled Manifold; Parkour; Highly dynamic motion; Redondance; Mouvement corps-complet; Biomécanique; Contrôle moteur; Robotique; Mouvement inspiré de l’homme; Espace de tâches; Mouvement hautement dynamique;

144653
17406
17/10/2017

Estimation et stabilisation de l'état d'un robot humanoïde compliant

A.MIFSUD

GEPETTO

Doctorat : INP de Toulouse, 17 Octobre 2017, 113p., Président: C.CHEVALLEREAU, Rapporteurs: T.HAMEL, Examinateurs: J.SOLA, P.B.WIEBER, Directeurs de thèse: F.LAMIRAUX, M.BENALLEGUE , N° 17406

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01653163

Diffusable

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Résumé

Cette thèse traite de l’estimation et de la stabilisation de l’état des compliances passives présentes dans les chevilles du robot humanoïde HRP-2. Ces compliances peuvent être vues comme un degré de liberté unique et observable, sous quelques hypothèses qui sont explicitées. L’estimateur utilise des mesures provenant de la centrale inertielle située dans le torse du robot et éventuellement des capteurs de forces situés dans ses pieds. Un filtre de Kalman étendu est utilisé pour l’estimation d’état. Ce filtre utilise un modèle complet de la dynamique du robot, pour lequel la dynamique interne du robot, considérée comme parfaitement connue et contrôlée, a été découplée de la dynamique de la compliance passive du robot. L’observabilité locale de l’état a été montrée en considérant ce modèle et les mesures provenant de la centrale inertielle seule. Il a de plus été montré que l’ajout des mesures des capteurs de forces dans les pieds du robot permet de compléter l’état avec des mesures d’erreurs dans le modèle dynamique du robot. L’estimateur a été validé expérimentalement sur le robot humanoïde HRP-2. Sur cet estimateur a été construit un stabilisateur de l’état de la compliance d’HRP-2. L’état commandé est la position et vitesse du centre de masse (contrôle indirecte de la quantité de mouvement) du robot, l’orientation et la vitesse angulaire de son tronc (contrôle indirecte du moment cinétique), ainsi que l’orientation et la vitesse angulaire de la compliance. Les grandeurs de commande sont l’accélération du centre de masse du robot et l’accélération angulaire de son tronc. Un régulateur quadratique linéaire (LQR) a été utilisé pour calculer les gains du retour d’état, basé sur un modèle appelé "pendule inverse flexible à roue d’inertie" qui consiste en un pendule inverse dont la base est flexible et où une répartition de masse en rotation autour du centre de masse du robot représente le tronc du robot. Des tests ont été effectués sur le robot HRP-2 en double support, utilisant l’estimateur décrit précédemment avec ou sans les capteurs de forces.

Mots-Clés / Keywords
Estimation; Asservissement; Robotique humanoïde;

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