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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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587documents trouvés

18353
26/02/2019

A Truly Redundant Aerial Manipulator System with Application to Push-and-Slide Inspection in Industrial Plants

M.TOGNON, H.TELLO CHAVEZ, E.GASPARIN, Q.SABLE, D.BICEGO, A.MALLET, M.LANY, G.SANTI, B.REVAZ, J.CORTES, A.FRANCHI

RIS, Sensima Inspection, IDEA

Revue Scientifique : IEEE Robotics and Automation Letters, Février 2019, DOI 10.1109/LRA.2019.2895880 , N° 18353

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01910343

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Abstract

We present the design, control and motion planning of an aerial manipulator for a non-trivial physical interaction task, namely pushing while sliding on curved surfaces. The proposed robotic system is motivated by the increasing interest on autonomous Non-Destructive Tests used for the integrity assessment of industrial plants. The proposed aerial manipulator consists of a multidirectional-thrust aerial vehicle to enhance physical interaction capabilities, endowed with a 2-DoFs lightweight arm to enlarge its workspace. This combination constitutes a truly redundant manipulator that goes beyond standard aerial manipulators with collinear multirotors. The robot controller is based on a PID method with 'displaced' positional part inspired by controllers for manipulators with elastic joints and grounded on several experimental trial-and-error tests. In this work we experimentally show that the proposed aerial manipulator system, equipped with an Eddy Current probe, is able to scan a metallic pipe sliding the sensor over its surface and preserving the contact. From the acquired data, a weld on the pipe is successfully detected and mapped.

146705
18427
21/12/2018

A Novel Experimental Model and a Drag-optimal Allocation Method for Variable-Pitch Propellers in Multirotors

V.ARELLANO, E.A.MERCHAN-CRUZ, A.FRANCHI

IPN Mexique, RIS

Revue Scientifique : IEEE Access, pp.68155-68168, Décembre 2018 , N° 18427

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01940465

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Abstract

This paper proposes a new mathematical model to map the rotational speed and angle of attack (pitch) of small-size propellers typically used in multirotors and the aerodynamic thrust force and drag moment produced by the propeller itself. The new model is inspired by standard models using the blade-element and momentum theories, which have been suitably modified in order to allow for explicit fast computation of the direct and inverse map (useful for high-frequency control) and obtain a better adherence to experimental data. The new model allows and captures all the main nonlinear characteristics of the thrust/drag generation. An extensive experimental comparison shows that the prediction capability of the proposed model outperforms the most commonly used models at date. In the second part of the paper, two optimization methods are proposed in order to exploit the redundancy of the inputs of variable-pitch propellers to decrease the power consumption due to the drag dissipation. The first method deals with the optimal allocation for thrust generation on a single propeller, while the second method is aimed at solving the optimal allocation of the rotational speed and pitch of all the propellers in a multi-rotor with any number of propellers. Simulations results show the viability and effectiveness of the proposed methods

145730
18594
17/12/2018

Vérification Formelle des Modules Fonctionnels de Systèmes Robotiques et Autonomes

M.FOUGHALI

RIS

Doctorat : INSA de Toulouse, 17 Décembre 2018, 195p., Président: J.MALENFANT, Rapporteurs: C.PECHEUR, H.BRUYNINCKX, Examinateurs: J.CARDOSO, S.DAL ZILIO, J.COMBAZ, Directeurs de thèse: M.GHALLAB, F.F.INGRAND , N° 18594

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02080063

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Résumé

Les systèmes robotiques et autonomes ne cessent d’évoluer et deviennent de plus en plus impliqués dans les missions à coût considérable (e.g. exploration de l’espace) et/ou dans les milieux humains (e.g. chirurgie, assistance handicap). Cette implication remet en question les pratiques adoptées par les développeurs et ingénieurs pour donner un certain degré de confiance à ces systèmes. En effet, les simulations et campagnes de tests ne sont plus adaptées à la problématique de sûreté et fiabilité des systèmes robotiques et autonomes compte tenu (i) du caractère sérieux des défaillances éventuelles dans les contextes susmentionnés (un dommage à un robot très coûteux ou plus dramatiquement une atteinte aux vies humaines) et (ii) de la nature non exhaustive de ces techniques (les tests et simulations peuvent toujours passer à côté d’un scénario d’exécution catastrophique. Les méthodes formelles, bien qu’elles offrent une solution mathématique élégante aux problèmes de sûreté de fonctionnement et de fiabilité, peinent à s’imposer, de leur côté, dans le domaine de la robotique autonome. Cette limitation devient encore plus visible au niveau fonctionnel des robots, i.e. les composants logiciels interagissant directement avec les capteurs et les actionneurs. Elle est due à plusieurs facteurs. D’abord, les composants fonctionnels reflètent un degré de complexité conséquent, ce qui mène souvent à une explosion combinatoire de l’espace d’états atteignables (comme l’exploration se veut exhaustive). Ce problème force les spécialistes soit à se limiter à des applications très simples, soit à recourir à des abstractions qui s’avèrent fréquemment exagérées, ce qui nuit à la véracité des résultats de la vérification (e.g. l’oubli des contraintes temporelles, la non inclusion des spécificités du hardware). En outre, les composants fonctionnels sont décrits à travers des languages et frameworks informels (ROS, GenoM, etc.). Leurs spécifications doivent alors être traduites en des modèles formels avant de pouvoir y appliquer les méthodes formelles associées. Cette opération, nommée formalisation, est souvent pénible, lente, et exposée à des erreurs vu la complexité des comportements que représentent les composants fonctionnels des robots. La formalisation fait face également à un autre problème également pesant, à savoir le manque de portabilité. Cela se résume au fait que chaque traduction doit être refaite dès qu’un composant change ou évolue, sans parler des nouvelles applications faites de nouveaux composants, ce qui implique un investissement dans le temps aux limites de la rentabilité. A noter que cette thèse ne s’intéresse pas aux composants du haut niveau dits “décisionnels” des systèmes robotiques et autonomes. En effet, ces composants sont souvent basés sur des modèles bien définis, même formels, ce qui facilite leur connexion aux méthodes formelles. Le lecteur intéressé peut trouver dans lalittéature de nombreuses contributions y étant pertinentes. Aux limitations décrites précédemment, s’ajoute le problème de l’indécidabilité visà- vis les formalismes et les techniques de vérification. Par example, les travaux comparant les Réseaux de Petri Temporels “à la , Merlin” et les Automates Temporisés, deux formalismes phares de modélisation des systèmes concurrents, demeurent trop formels pour les communautés autres que celle des méthodes formelles. Il existe néanmoins des travaux qui présentent des techniques qui permettent de bénéficier des deux formalismes, bien qu’elles ne soient (i) appliquées qu’à des exemples académiques classiques, loin de la complexité des composants fonctionnels robotiques et autonomes et (ii) restreintes aux classes des réseaux non-interprétés (pas de possibilité d’avoir des données/variables partagées). Nous proposons, dans ce travail de recherche, de connecter GenoM3, un framework de développement et déploiement de composants fonctionnels robotiques, à des langages formels et leurs outils de vérification respectifs. Cette connexion se veut automatique pour pallier aux problème de non portabilité, décrit au paragraphe précédent. GenoM3 offre un mécanisme de synthèse automatique pour assurer l’indépendance des composants du middleware. Nous exploitons ce mécanisme pour développer des templates en mesure de traduire n’importe quelle spécification de GenoM3 en langages formels. Ceci passe par une formalisation de GenoM3: une sémantique formelle opérationnelle est donnée au langage. Une traduction à partir de cette sémantique est réalisée vers des langages formels et prouvée correcte par bisimulation. Nous comparons de différents langages cibles, formalismes et techniques et tirerons les conclusions de cette comparaison. La modélisation se veut aussi, et surtout, efficace. Un modèle correct n’est pas forcément utile. En effet, le passage à l’échelle est particulièrement important. Cette thèse porte donc sur l'applicabilité des méthodes formelles aux composants fonctionnels des systèmes robotiques et autonomes. Le but est d'aller vers des robots autonomes plus sûrs avec un comportement plus connu et prévisible. Cela passe par la mise en place d'un mécanisme de génération automatique de modèles formels à partir de modules fonctionnels de systèmes robotiques et autonomes. Ces modèles sont exploités pour vérifier des propriétés qualitatives ou temps-réel, souvent critiques pour les systèmes robotiques et autonomes considérés. Parmi ces propriétés, on peut citer, à titre d'exemple, l'ordonnançabilité des tâches périodiques, la réactivité des tâches sporadiques, l'absence d’interblocages, la vivacité conditionnée (un évènement toujours finit par suivre un autre), la vivacité conditionnée bornée (un évènement toujours suit un autre dans un intervalle de temps borné), l'accessibilité (des états “indésirables” ne sont jamais atteints), etc. Parmi les défis majeurs freinant l'atteinte de tels objectifs, on cite notamment: - Contrairement aux spécifications décisionnelles, les modules fonctionnels sont décrits dans de langages informels. La formalisation est dure, inévidente, et sujette à des erreurs compte tenu des comportements atypiques qui peuvent se présenter à ce niveau. Cette formalisation est aussi non réutilisable (besoin de re-formaliser pour chaque nouvelle application). Il existe une multitude de techniques de vérification et de formalismes mathématiques pour la modélisation. Le choix n'est pas évident, chaque formalisme et chaque technique présentant des avantages et des inconvénients. La complexité des modules fonctionnels (nombre de composants, mécanismes de communication et d'exécution, contraintes temporelles, etc.) mène à des problèmes sérieux de passage à l'échelle (explosion de l'espace d'états atteignables). - Il existe une déconnexion importante entre les deux communautés (de robotique et de vérification formelle). D'une part, les roboticiens n'ont ni la connaissance ni les moyens (en terme de temps surtout mais aussi de background) de s'investir dans les méthodes formelles, qui sortent de leur domaine. D'autre part, les spécialistes des méthodes formelles restent loin de s'attaquer à des problématiques si complexes faute de connaissances en robotique. Cette thèse tacle la totalité de ces problèmes en proposant une approche de traduction prouvée mathématiquement et automatisée de GenoM vers: - Fiacre/TINA (model checking) - UPPAAL (model checking) - UPPAAL-SMC (statistical model checking) - BIP/RTD-Finder (SAT solving) - BIP/Engine (enforcement de propriétés en ligne) La thèse propose également une analyse du feedback expérimental afin de guider les ingénieurs à exploiter ces méthodes et techniques de vérification efficacement sur les modèles automatiquement générés.

Abstract

The goal of this thesis is to add to the efforts toward the long-sought objective of secure and safe robots with predictable and a priori known behavior. For the reasons given above, formal methods are used to model and verify crucial properties, with a focus on the functional level of robotic systems. The approach relies on automatic generation of formal models targeting several frameworks. For this, we give operational semantics to a robotic framework, then several mathematically proven translations are derived from such semantics. These translations are then automatized so any robotic functional layer specification can be translated automatically and promptly to various frameworks/languages. Thus, we provide a mathematically correct mapping from functional components to verifiable models. The obtained models are used to formulate and verify crucial properties on real-world complex robotic and autonomous systems. This thesis provides also a valuable feedback on the applicability of formal frameworks on real-world, complex systems and experiencebased guidelines on the efficient use of formal-model automatic generators. In this context, efficiency relates to, for instance, how to use the different model checking tools optimally depending on the properties to verify, what to do when the models do not scale with model checking (e.g. the advantages and drawbacks of statistical model checking and runtime verification and when to use the former or the latter depending on the type of properties and the order of magnitude of timing constraints).

Mots-Clés / Keywords
Robotics; Computer science; Software engineering; Formal methods; Verification; Real-time; Robotique; Informatique; Méthode formelle; Vérification; Temps réel;

146855
18417
11/12/2018

The Tele-MAGMaS: An Aerial-Ground Comanipulator System

N.STAUB, M.MOHAMMADI, D.BICEGO, Q.DELAMARE, H.YANG, D.PRATTICHIZZO, P.R.GIORDANO, D.LEE, A.FRANCHI

RIS, University of Siena, IRISA, Seoul, IIT, Genova, INRIA Rennes

Revue Scientifique : IEEE Robotics and Automation Magazine, 10p., Décembre 2018, DOI 10.1109/MRA.2018.2871344 , N° 18417

Lien : https://hal.inria.fr/hal-01935127

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145549
18438
01/12/2018

On the Pertinence of Social Practices for Social Robotics

A.CLODIC, J.VAZQUEZ-SALCEDA, F.DIGNUM, S.MASCARENHAS, V.DIGNUM, A.AUGELLO, M.GENTILE, R.ALAMI

IDEA, UPC, Utrecht, INESC, Delft, CNR, RIS

Ouvrage (contribution) : Envisioning Robots in Society – Power, Politics, and Public Space, IOS Press, N°ISBN 978-1-61499-931-7, Décembre 2018, pp.63-74 , N° 18438

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01943774

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Abstract

In the area of consumer robots that need to have rich social interactions with humans, one of the challenges is the complexity of computing the appropriate interactions in a cognitive, social and physical context. We propose a novel approach for social robots based on the concept of Social Practices. By using social practices robots are able to be aware of their own social identities (given by the role in the social practice) and the identities of others and also be able to identify the different social contexts and the appropriate social interactions that go along with those contexts and identities.

145834
18263
23/11/2018

A Study on Force-based Collaboration in Flying Swarms

C.GABELLIERI, M.TOGNON, L.PALLOTTINO, A.FRANCHI

RIS, Pise

Manifestation avec acte : International Conference on Swarm Intelligence ( ANTS ) 2018 du 29 octobre au 31 octobre 2018, Rome (Italie), Novembre 2018, 13p. , N° 18263

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01846465

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Abstract

This work investigates collaborative aerial transportation by swarms of agents based only on implicit information, enabled by the physical interaction among the agents and the environment. Such a coordinating mechanism in collaborative transportation is a basic skill in groups of social animals. We consider cable-suspended objects transported by a swarm of flying robots and we formulate several hypothesis on the behavior of the overall system which are validated thorough numerical study. In particular, we show that a nonzero internal force reduces to one the number of asymptotically stable equilibria and that the internal force intensity is directly connected to the convergence rate. As such, the internal force represents the cornerstone of a communication-less cooperative manipulation paradigm in swarms of flying robots. We also show how a swarm can achieve a stable transportation despite the imprecise knowledge of the system parameters.

145258
18532
01/11/2018

ON-LINE TRAJECTORY GENERATION CONSIDERING KINEMATIC MOTION CONSTRAINTS FOR ROBOT MANIPULATORS

R.ZHAO, D.SIDOBRE

RIS

Revue Scientifique : International Journal of Robotics and Automation, Vol.33, N°6, Novembre 2018 , N° 18532

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01994696

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Abstract

This paper aims to propose an on-line trajectory generation algorithm that is able to address not only constant but also time-variant kinematic motion constraints for multi-DOFs robot manipulators. By using a concatenation of cubic polynomials, the proposed method can provide a smooth trajectory that is synchronized and bounded in the robot kinematic motion constraints which are expressed as upper bounds on the absolute values of velocity, acceleration, and jerk. An additional decision tree will select intermediate motion profiles when the motion constraints are abruptly changed. Due to direct computation without optimization computation or randomized algorithms, the proposed solution requires only a short execution time. Simulations and experiments were conducted to verify the feasibility and effectiveness of this algorithm in smooth trajectory generation from arbitrary states of motion. With the proposed approach, robot motion can be limited by the kinematic motion constraints which will reduce manipulator wear and improve tracking accuracy and speed. The proposed algorithm can be used in real time due to the low computational complexity.

146337
18439
31/10/2018

Variable Neighborhood Search with Cost Function Networks To Solve Large Computational Protein Design Problems

A.CHARPENTIER, D.MIGNON, S.BARBE, J.CORTES, T.SCHIEX, T.SIMONSON, D.ALLOUCHE

Atos Origin, BIOC, LISBP, RIS, INRA Castanet

Revue Scientifique : Journal of Chemical Information and Modeling, Octobre 2018 , N° 18439

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01943616

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Abstract

Computational protein design (CPD) aims to predict amino acid sequences that fold to specific structures and perform desired functions. CPD depends on a rotamer library, an energy function, and an algorithm to search the sequence/conformation space. Variable neighborhood search (VNS) with cost function networks is a powerful framework that can provide tight upper bounds on the global minimum energy. We propose a new CPD heuristic based on VNS in which a subset of the solution space (a “neighborhood”) is explored, whose size is gradually increased with a dedicated probabilistic heuristic. The algorithm was tested on 99 protein designs with fixed backbones involving nine proteins from the SH2, SH3, and PDZ families. The number of mutating positions was 20, 30, or all of the amino acids, while the rest of the protein explored side-chain rotamers. VNS was more successful than Monte Carlo (MC), replica-exchange MC, and a heuristic steepest-descent energy minimization, providing solutions with equal or lower best energies in most cases. For complete protein redesign, it gave solutions that were 2.5 to 11.2 kcal/mol lower in energy than those obtained with the other approaches. VNS is implemented in the toulbar2 software. It could be very helpful for large and/or complex design problems.

145838
18324
24/10/2018

Exhaustive exploration of the conformational landscape of small cyclic peptides using a robotics approach

M.JUSOT, D.STRATMANN, M.VAISSET, J.CHOMILIER, J.CORTES

RIS, IMPMC, IDEA

Revue Scientifique : Journal of Chemical Information and Modeling, 42p., Octobre 2018, DOI: 10.1021/acs.jcim.8b00375 , N° 18324

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01893751

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Abstract

Small cyclic peptides represent a promising class of therapeutic molecules with unique chemical properties. However, the poor knowledge of their structural characteristics makes their computational design and structure prediction a real challenge. In order to better describe their conformational space, we developed a method, named EGSCyP, for the exhaustive exploration of the energy landscape of small head-to-tail cyclic peptides. The method can be summarized by (i) a global exploration of the conformational space based on a mechanistic representation of the peptide and the use of robotics-based algorithms to deal with the closure constraint, (ii) an all-atom refinement of the obtained conformations. EGSCyP can handle D-form residues and N-methylations. Two strategies for the side-chains placement were implemented and compared. To validate our approach, we applied it to a set of three variants of cyclic RGDFV pentapeptides, including the drug candidate Cilengitide. A comparative 1 analysis was made with respect to replica exchange molecular dynamics simulations in implicit solvent. It results that the EGSCyP method provides a very complete characterization of the conformational space of small cyclic pentapeptides.

144917
18304
16/10/2018

Shared Planning and Control for Mobile Robots with Integral Haptic Feedback

C.MASONE, M.MOHAMMADI, P.R.GIORDANO, A.FRANCHI

Max Planck, IIT, Genova, INRIA Rennes, RIS

Revue Scientifique : International Journal of Robotics Research, 27p., Octobre 2018, doi 10.1177/0278364918802006 , N° 18304

Lien : https://hal.inria.fr/hal-01878912

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Abstract

This paper presents a novel bilateral shared framework for online trajectory generation for mobile robots. The robot navigates along a dynamic path, represented as a B-spline, whose parameters are jointly controlled by a human supervisor and by an autonomous algorithm. The human steers the reference (ideal) path by acting on the path parameters which are also affected, at the same time, by the autonomous algorithm in order to ensure: i) collision avoidance, ii) path regularity and iii) proximity to some points of interest. These goals are achieved by combining a gradient descent-like control action with an automatic algorithm that re-initializes the traveled path (replanning) in cluttered environments in order to mitigate the effects of local minima. The control actions of both the human and the autonomous algorithm are fused via a filter that preserves a set of local geometrical properties of the path in order to ease the tracking task of the mobile robot. The bilateral component of the interaction is implemented via a force feedback that accounts for both human and autonomous control actions along the whole path, thus providing information about the mismatch between the reference and traveled path in an integral sense. The proposed framework is validated by means of realistic simulations and actual experiments deploying a quadrotor UAV supervised by a human operator acting via a force-feedback haptic interface. Finally, a user study is presented in order to validate the effectiveness of the proposed framework and the usefulness of the provided force cues.

144738
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