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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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416documents trouvés

18288
15/01/2019

The Pinocchio C++ library – A fast and flexible implementation of rigid body dynamics algorithms and their analytical derivatives

J.CARPENTIER, G.SAUREL, G.BUONDONNO, J.MIRABEL, F.LAMIRAUX, O.STASSE, N.MANSARD

GEPETTO

Manifestation avec acte : IEEE/SICE International Symposium on System Integration ( SII ) 2019 du 14 janvier au 16 janvier 2019, Paris (France), Janvier 2019, 6p. , N° 18288

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01866228

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Abstract

We introduce Pinocchio, an open-source software framework that implements rigid body dynamics algorithms and their analytical derivatives. Pinocchio does not only include standard algorithms employed in robotics (e.g. forward and inverse dynamics) but provides additional features essential for the control, the planning and the simulation of robots. In this paper, we describe these features and detail the programming patterns and design which make Pinocchio efficient. We also offer a short tutorial for easy handling of the framework.

145395
18101
01/01/2019

An overview of humanoid robots technologies

O.STASSE, T.FLAYOLS

GEPETTO

Ouvrage (contribution) : Biomechanics of Anthropomorphic Systems, Springer, N°ISBN 978-3-319-93870-7, Vol.281, N°310, Janvier 2019 , N° 18101

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01759061

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Abstract

Humanoid robots are challenging mechatronics structures with several interesting features. Choosing a humanoid robot to develop applications or pursue research in a given direction might be difficult due to the strong interdependence of the technical aspects. This paper aims at giving a general description of this interdependence and highlight the lessons learned from the impressive works conducted in the past decade. The reader will find in the annex a table synthesizing the characteristics of the most relevant humanoid robots. Without focusing on a specific application we consider two main classes of humanoid robots: the ones dedicated to industrial application and the ones dedicated to human-robot interaction. The technical aspects are described in a way which illustrates the humanoid robots bridging the gap between these two classes. Finally this paper tries to make a synthesis on recent technological developments 1. 1 Mechanical structure 1.1 General design principal Humanoid robots are complex mechatronic systems. As such, it is necessary to consider the the mechanical structure, the computational system and the algorithms as a whole and for a given application. The robot's size, weight and strength are important factors when designing its structure. Let us consider two general classes of applications: physical performances while doing motion generation and validation of biological and/or cognitive models. The ATLAS robot from Boston Dynamics is an example of the first category, while the Kenshiro robot [45] from Tokyo University is an example of the second category

144064
17381
27/11/2018

2PAC: Two point attractors for center of mass trajectories in multi contact scenarios

S.TONNEAU, A.DEL PRETE, J.PETTRE, N.MANSARD

GEPETTO, IRISA

Revue Scientifique : ACM Transactions on Graphics, Vol.37, N°5, 176p., Novembre 2018 , N° 17381

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01609055

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Abstract

Synthesizing motions for legged characters in arbitrary environments is a long-standing problem that has recently received a lot of attention from the computer graphics community. We tackle this problem with a procedural approach that is generic, fully automatic and independent from motion capture data. The main contribution of this paper is a point-mass-model-based method to synthesize Center Of Mass trajectories. These trajectories are then used to generate the whole-body motion of the character. The use of a point mass model often results in physically inconsistent motions and joint limit violations. We mitigate these issues through the use of a novel formulation of the kinematic constraints which allows us to generate a quasi-static Center Of Mass trajectory, in a way that is both user-friendly and computationally efficient. We also show that the quasi-static constraint can be relaxed to generate motions usable for applications of computer graphics (on average 83% of a given trajectory remain physically consistent). Our method was integrated in our open-source contact planner and tested with different scenarios-some never addressed before-featuring legged characters performing non-gaited motions in cluttered environments. The computational efficiency of our trajectory generation algorithm (under ten ms to compute one second of motion) enables us to synthesize motions in a few seconds, one order of magnitude faster than state-of-the-art methods.

145315
18345
09/11/2018

Cross-cultural (France and Japan) and Multidisciplinary Discussion on Artificial Intelligence and Robotics: Tendencies and Research Prospects

N.ABE

GEPETTO

Rapport LAAS N°18345, Novembre 2018, 24p.

Lien : https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-01907840

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Abstract

Artificial Intelligence (AI) is rapidly developing through a “Deep Learning model” that is based on a neural network and more powerful learning system than a traditional algorithm system. Our society is facing rapid technological changes that could lead to dramatic social impact in the economic, societal, educational and ethical landscape. In this context, the importance of multidisciplinary discussion and research in the field of Intelligent Systems (AI and Robot) is increasingly recognized. The present discussion paper aims to summarize the current state and research on Intelligent Systems and social impact and proposes multidisciplinary projects covering both engineering and social science studies. It presents three promising research topics that can provide us with a better understanding of Intelligent Systems and our attitude or relationship towards the technology: 1) international and national (France and Japan) initiatives with regard to the social impact of AI, 2) trust and acceptability in Intelligent Systems, and 3) Human-Machine Interaction.

Résumé

L'intelligence artificielle (IA) se développe rapidement grâce au « Deep learning », un modèle d'apprentissage automatique basé sur un réseau neuronal qui est plus puissant qu'un système algorithmique traditionnel. Notre société est confrontée à des changements technologiques rapides qui pourraient avoir un impact social dramatique dans les paysages économique, sociétal, éducatif et éthique. Dans ce contexte, l'importance de la discussion et de la recherche multidisciplinaires dans le domaine des systèmes intelligents (IA et robot) est de plus en plus reconnue. Le présent document vise à récapituler l'état actuel de la recherche sur les systèmes intelligents et leur impact social et à proposer des projets multidisciplinaires couvrant à la fois les études en ingénierie et en sciences sociales. Il présente trois thèmes de recherche prometteurs qui peuvent nous permettre de mieux comprendre les systèmes intelligents et notre attitude ou notre relation vis-à-vis de la technologie : 1) les initiatives internationales et nationales (France et Japon) concernant l'impact social de l'IA, 2) la confiance et l'acceptabilité des systèmes intelligents et 3) l'interaction homme-machine.

145045
18278
01/11/2018

Motion Planning in Irreducible Path Spaces

A.ORTHEY, O.ROUSSEL, O.STASSE, M.TAIX

AIST, GEPETTO

Revue Scientifique : Robotics and Autonomous Systems, Vol.109, pp.97-108, Novembre 2018 , N° 18278

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01873197

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Abstract

The motion of a mechanical system can be defined as a path through its configuration space. Computing such a path has a computational complexity scaling exponentially with the dimensionality of the configuration space. We propose to reduce the dimensionality of the configuration space by introducing the irreducible path --- a path having a minimal swept volume. The paper consists of three parts: In part I, we define the space of all irreducible paths and show that planning a path in the irreducible path space preserves completeness of any motion planning algorithm. In part II, we construct an approximation to the irreducible path space of a serial kinematic chain under certain assumptions. In part III, we conduct motion planning using the irreducible path space for a mechanical snake in a turbine environment, for a mechanical octopus with eight arms in a pipe system and for the sideways motion of a humanoid robot moving through a room with doors and through a hole in a wall. We demonstrate that the concept of an irreducible path can be applied to any motion planning algorithm taking curvature constraints into account.

144598
18330
26/10/2018

C-CROC: Continuous and Convex Resolution of Centroidal dynamic trajectories for legged robots in multi-contact scenarios

P.FERNBACH, S.TONNEAU, O.STASSE, J.CARPENTIER, M.TAIX

GEPETTO

Rapport LAAS N°18330, Octobre 2018, 16p.

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01894869

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Abstract

Synthesizing legged locomotion requires planning one or several steps ahead (literally): when and where, and with which effector should the next contact(s) be created between the robot and the environment? Validating a contact candidate implies \textit{a minima} the resolution of a slow, non-linear optimization problem, to demonstrate that a Center Of Mass (COM) trajectory, compatible with the contact transition constraints, exists. We propose a conservative reformulation of this trajectory generation problem as a convex 3D linear program, CROC. It results from the observation that if the COM trajectory is a polynomial with only one free variable coefficient, the non-linearity of the problem disappears. This has two consequences. On the positive side, in terms of computation times CROC outperforms the state of the art by at least one order of magnitude, and allows to consider interactive applications (with a planning time roughly equal to the motion time). On the negative side, in our experiments our approach finds a majority of the feasible trajectories found by a non-linear solver, but not all of them. Still, we demonstrate that the solution space covered by CROC is large enough to achieve the automated planning of a large variety of locomotion tasks for different robots, demonstrated in simulation and on the real HRP-2 robot, several of which were rarely seen before. Another significant contribution is the introduction of a Bezier curve representation of the problem, which guarantees that the constraints of the COM trajectory are verified continuously, and not only at discrete points as traditionally done. This formulation is lossless, and results in more robust trajectories. It is not restricted to CROC, but could rather be integrated with any method from the state of the art.

144942
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
18065
05/10/2018

CROC: Convex Resolution Of Centroidal dynamics trajectories to provide a feasibility criterion for the multi contact planning problem

P.FERNBACH, S.TONNEAU, M.TAIX

GEPETTO

Manifestation avec acte : IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems ( IROS ) 2018 du 01 octobre au 05 octobre 2018, Madrid (Espagne), Octobre 2018, 7p. , N° 18065

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01726155

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Abstract

We present a novel method for computing centroidal dynamic trajectories in multi-contact planning context. With dynamic motion it is necessary to respect kinematic and dynamic constraints during the contact planning step. Verifying the feasibility of a transition between contacts increase the success rate of the motion generation along the planned contacts. Our approach is based on a conservative but convex reformulation of the problem where we represent the center of mass trajectory as a Bezier curve, with control points constrained by the initial and final states and one free control point. Thanks to the convexity of this formulation, we can solve it efficiently with a Linear Program of low dimension. We use this LP as a feasibility criterion to test the contact transition candidates during multi-contact planning. By incorporating this criterion in an existing sampling-based contact planner, we are able to produce more robust contact sequences. We illustrate this application on various multi-contact scenarios. We also show that we can compute valuable initial guess, used to warm-start non-linear solvers for motion generation methods. This method could also be used for the 0 and 1-Step capturability problem.

145037
18021
01/10/2018

Historical Perspective of Humanoid Robot Research in Europe

Y.AOUSTIN, C.CHEVALLEREAU, J.P.LAUMOND

LS2N, GEPETTO

Ouvrage (contribution) : Humanoid Robotics: A Reference, Springer, N°ISBN 978-94-007-6045-5, Octobre 2018 , N° 18021

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01697135

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142457
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