Academic literature on the topic 'Interaction physique continue humain-Robot'

Le contexte actuel tel que le dessinent les tendances lourdes de ce troisième millénaire convie à interpeller les outils des science sociales forgés précédemment. La compréhension de l’univers et donc du genre humain s’est appuyée, en Occident, au siècle des Lumières, sur une volonté d’appréhender les phénomènes sociaux non plus dans des lectures théologiques, métaphysiques mais au nom d’une démarche se voulant scientifique. Les explorations à l’extérieur du domaine européen transmises par divers types de voyageurs restaient lacunaires. Pour les appréhender de manière plus rationnelle des disciplines ont émergé telle que l’ethnographie, l’ethnologie et l’anthropologie allant du plus petit agrégat vers des lectures plus généralistes. Les sociétés de là-bas commencent, alors, à se frayer un domaine dans le champ des connaissances. C’est ainsi que peuvent être appréhendés les symboliques, les cosmogonies et les rituels de populations aussi diverses que celle des forêts amazoniennes, de la savane soudanaise ou des régions polaires et ce au delà d’a priori dévalorisants. Se révèlent, par l’ethnographie, l’ethnologie et l’anthropologie, leurs pratiques et leurs usages et les constructions idéelles qu’elles soient celles des Baruya, des Dogon ou des Inuit. L’autonomie prise par ces études et ces recherches contribuent à lutter plus qu’efficacement contre les idées préconçues antérieurement, celles empreintes de xénophobie sinon de racisme. Pour sa part la sociologie s’attache au développement et à la modernisation des sociétés occidentales déclinées suivant divers critères dont la mécanisation des productions de biens, l’urbanisation, les mobilités. Ces valeurs, la sociologie en est l’un des analyseurs comme elle le sera pour la période que Fourastié dénomma les « Trente glorieuses », décennies marquées par le plein emploi, l’élévation des niveaux de vie, le consumérisme du moins dans les sociétés occidentales et que traitent les sociologies de l’action, des organisations, des négociations, des régulations, des critiques de la bureaucratisation mais également des conflits entre catégories et classes sociales (Fourastié 1979). Ceci s’inscrit peu ou prou dans le cadre d’institutions et de valeurs marquées au sceau des Etat-nations. En ce troisième millénaire le cours des évènements modifie ces conditions antérieures. Les temporalités, les pratiques et les représentations changent. La mondialisation suscite des échanges croissants entre des entités et des ensembles populationnels hier fortement distincts. Les migrations non plus seulement idéelles mais physiques de cohortes humaines déstructurent les façons d’être et de faire. De ce fait il apparaît nécessaire de tenir compte de ces mutations en décloisonnant les divisions disciplinaires antérieures. Les processus d’agrégation mettent en place des interactions redéfinissant les valeurs des uns et des autres, hier ignorées voire rejetées par des mondes de la tradition ethnique, religieuse ou politique (Abélès et Jeudy 1997). La mise en réseau interpelle ces ensembles populationnels dorénavant modifiés par l’adjonction de valeurs antérieures étrangères à leurs spécificités. L’anthropologie, l’ethnologie s’avèrent nécessaires pour appréhender ces populations de l’altérité aujourd’hui insérées plus ou moins effectivement au cœur des sociétés post-industrielles (Sahlins 1976). De plus ces populations de là-bas sont elles-mêmes facteurs actifs de réappropriation et de création de nouvelles formes. Elles interpellent les configurations usuelles et reconnues par la sociologie. On ne peut plus leur assigner des valeurs antérieures ni les analyser avec les méthodologies et les paradigmes qui convenaient aux réalités précédentes, celles d’un grande séparation entre les unes et les autres (Descola 2005). Déjà les procédures habituelles privilégiant les notions de classe sociale, celles de mobilité transgénérationnelle, d’intégration, de partage des richesses étaient interpellées. Des individus de plus en plus nombreux ne se retrouvent pas dans ces dynamiques d’autant que ces dernières perdent de leur force. Le sous-emploi, le chômage, la pauvreté et l’exclusion dressent des scènes et des acteurs comme figures oubliées des siècles passés. Bidonvilles entourant les centres de prospérité, abris de fortune initiés par diverses associations constituent autant de figures ne répondant pas aux critères antérieurs. Une décomposition plus ou moins radicale des tissus institutionnels fait émerger de nouvelles entités. Les notions sociologique ne peuvent s’en tenir aux interprétations qui prévalaient sous les auspices du progrès. La fragilisation du lien social implique des pertes de repère (Bouvier, 2005). Face à l’exclusion économique, sociale et symbolique et aux carences des pouvoirs publics des individus essaient de trouver des parades. Quelques-uns mettent en place des pratiques signifiantes leur permettant, dans cet univers du manque, de redonner du sens au monde et à leur propre existence. Ainsi, par exemple, d’artistes, qui non sans difficulté, se regroupent et faute de lieux, investissent des locaux vides : usines, bureaux, immeubles, autant de structures à l’abandon et ce dû aux effets de la crise économique, des délocalisations ou des fermetures de bureau ou d’entreprises. Ces « construits pratico-heuristiques » s’appuient sur des techniques qui leur sont propres : peinture, sculpture, installation, vidéo, etc., facteurs donnant du sens individuel et collectif. Ils en définissent les règles eux-mêmes. Ils en gèrent collectivement l’installation, le fonctionnement et les perspectives en agissant en dehors des institutions. De plus ces configurations cumulent des éléments désormais indissociables compte tenu de la présence croissante, au cœur même des sociétés occidentales, de populations allogènes. Ces dernières n’ont pas laissé derrière elles leurs valeurs et leurs cultures. Elles les maintiennent dans ces périphéries urbaines et dans les arcanes des réseaux sociaux. En comprendre les vecteurs et les effets de leurs interactions avec les valeurs proprement occidentales nécessitent l’élaboration et l’ajustement d’un regard à double focale. Celui-ci permet de discerner ce qui continue de relever de ces mondes extérieurs de ce qui, comme suite à des contacts, fait émerger de nouveaux facteurs d’appréhension et de compréhension du monde. Les thèses sociologiques du progrès, du développement mais également de l’anomie et des marges doivent se confronter et s’affiner de ces rencontres avec ces valeurs désignées hier comme relevant de la tradition, du religieux : rites, mythes et symboliques (Rivière 2001). L’attention socioanthropologique s’attache de ce fait non seulement à cette dualisation mais également à ce qui au sein des sociétés du « premier monde » relève des initiatives des populations majoritaires autochtones et, à l’extérieur de leurs sphères, de leur frottement avec des minorités allogènes. Elle analyse les densités sociétales, celles en particulier des institutions qu’elles se sont données. Elle les conjugue avec les us et les données existentielles dont sont porteurs les effets tant des nouvelles populations que des technologies médiatiques et les mutations qu’elles entraînent dans les domaines du lien social, du travail, des loisirs. De leurs frictions émergent ces « construits de pratiques heuristiques » élaborés par des individualités sceptiques tant face aux idéologies politiques que face à des convictions religieuses ébranlées par les effets des crises économiques mais également par la perte de pertinence des grands récits fondateurs. Ces construits allouent du sens à des rencontres impensables du moins dans le cadre historique antérieur, là où les interventions de l’Etat, du personnel politique, des responsables cléricaux savaient apporter des éléments de réponse et de résolution aux difficultés. De ces « construits de pratiques heuristiques » peuvent émerger et se mettre en place des « ensembles populationnels cohérents » (Bouvier 2000). Ces derniers donnent du sens à un nombre plus élevé de constituants, sans pour autant que ceux-ci s’engagent dans une pratique de prosélytisme. C’est par écho que ces regroupements se constituent. Cet élargissement n’est pas sans être susceptible, à court ou moyen terme, de s’institutionnaliser. Des règles et des principes tendent à encadrer des expressions qui, hier, dans le construit, ne répondaient que de la libre volonté des membres initiateurs. Leur principe de coalescence, empreint d’incertitude quant à toute perspective pérenne, décline de l’existentiel et du sociétal : étude et compréhension des impositions sociales et expressions des ressentis individuels et collectifs. Ces dimensions sont peu conjuguées en sociologie et en anthropologie, chacune de ces disciplines malgré les discours récurrents sur l’interdisciplinarité, veillant à préserver ce qu’elles considèrent comme étant leur spécialisation ou du moins leur domaine (Bouvier 1999). La socioanthropologie est alors plus à même de croiser tant les données et les pesanteurs sociétales, celles portées par diverses institutions, tout en révélant les attentes anthropologiques, symboliques, rituelles et non rationnellement explicites que ces construits et ensembles populationnels produisent. La position du chercheur adhérent, bénévole, militant et réflexif en immersion partielle, en observation impliquée, impliquante et distancée comporte l’enjeu de pouvoir réussir à préserver son autonomie dans l’hétéronomie des discours et des pratiques. Une « autoscopie » est nécessaire pour indiquer les distances entre l’observateur et l’observé et plus encore pour donner un éclairage sur les motivations intimes de l’observateur. La socioanthropologie s’inscrit, de fait, comme advenue d’une relecture à nouveaux frais. Elle conjugue et suscite des modalités s’attachant aux émergences de ces nouveaux construits faisant sens pour leurs protagonistes et aptes à redonner de la signification aux données du contemporain (Bouvier 1995, 2011)

Ces dernières années, l’interaction physique humain-robot est devenue un sujet de recherche important, par exemple pour des applications de rééducation. Cette thèse vise à améliorer ces interactions, dans le cadre du développement de contrôleurs basés modèles, par des approches d’identification paramétrique des modèles des systèmes en interaction. Le but est de développer des méthodes d’identification en tenant compte de la variabilité et de la complexité du corps humain, et en n'utilisant que les capteurs du système robotique pour éviter l'ajout de capteurs externes. Les différentes approches présentées dans cette thèse sont testées expérimentalement avec un système robotique à un degré de liberté (1-DDL) permettant d'interagir avec la main d'une personne.Après un 1er chapitre présentant l'état de l'art, le 2e chapitre aborde les méthodes d'identification développées en robotique ainsi que la problématique du filtrage, analysée en simulation et expérimentalement. La question du réglage du filtre passe-bas est adressée, et en particulier le choix de la fréquence de coupure qui reste délicate pour un système non-linéaire. Pour surmonter ces difficultés, une technique de filtrage utilisant un filtre de Kalman étendu (EKF) est développée à partir du modèle dynamique du robot. La formulation EKF proposée permet un réglage en fonction des propriétés connues du capteur et de la confiance dans l’estimation initiale des paramètres. Cette méthode est comparée en simulation puis expérimentalement avec différentes méthodes existantes en analysant la sensibilité à l’initialisation et au réglage du filtre. Les résultats montrent que la méthode proposée est prometteuse si l’EKF est correctement réglé.Le 3e chapitre porte sur l'identification en continu des paramètres du modèle dynamique d'un système passif en interaction avec un système robotique, en combinant des méthodes d’identification de la charge utile avec des algorithmes en ligne, sans capteurs externes. Ces méthodes sont validées en simulation et expérimentalement en utilisant le système à 1-DDL dont la poignée est attachée à des bandes élastiques pour imiter une articulation humaine passive. L’analyse de l’effet de l’ajustement des méthodes en ligne met en évidence qu’un compromis est nécessaire entre la vitesse de convergence et la précision des estimations des paramètres. Enfin, la comparaison des méthodes d’identification de la charge utile montre que les méthodes identifiant séparément les paramètres du système robotique et de l’humain passif donnent une meilleure précision et une plus faible complexité de calcul.Le 4e chapitre porte sur l'identification durant l'interaction humain-système robotique. Un modèle à raideur quadratique est proposé afin de mieux représenter le comportement de l’articulation humaine passive qu’un modèle linéaire. Par la suite, ce modèle est utilisé avec une méthode d’identification itérative basée sur le rejet d’outliers, pour détecter l’activité musculaire de l’humain sans capteurs externes. Cette méthode est comparée expérimentalement à une méthode non-itérative utilisant des signaux d’électromyographie (EMG), en adaptant le système à 1-DDL pour interagir avec le poignet et permettre d’évaluer l’activité des muscles fléchisseurs et extenseurs de deux sujets. La méthode itérative proposée sans signaux EMG donne des résultats proches de ceux obtenus avec la méthode utilisant les signaux EMG lorsqu’un modèle représentant bien le comportement de l’articulation humaine passive est choisi. Les résultats de détection de l’activité musculaire obtenus avec ces deux méthodes montrent un niveau de similarité satisfaisant avec ceux obtenus directement à partir des signaux EMG
Over the last years, physical human-robot interaction has become an important research subject, for example for rehabilitation applications. This PhD aims at improving these interactions, as part of model-based controllers development, using parametric identification approaches to identify models of the systems in interaction. The goal is to develop identification methods taking into account the variability and complexity of the human body, and only using the sensor of the robotic system to avoid adding external sensors. The different approaches presented in this thesis are tested experimentally on a one degree of freedom (1-DOF) system allowing the interaction with a person’s hand.After a 1st chapter presenting the state-of-the-art, the 2nd chapter tackles the identification methods developed in robotics as well as the issue of data filtering, analyzed both in simulation and experimentally. The question of the low-pass filter tuning is addressed, and in particular the choice of the cut-off frequency which remains delicate for a nonlinear system. To overcome these difficulties, a filtering technique using an extended Kalman filter (EKF) is developed from the robot dynamic model. The proposed EKF formulation allows a filter tuning depending on the known properties of the sensor and on the confidence on the initial parameters estimations. This method is compared in simulation and experimentally to different existing methods by analyzing its sensitivity to initialization and filter tuning. Results show that the proposed method is promising if the EKF is correctly tuned.The 3rd chapter concerns the continuous identification of the parameters of the model of a passive system interacting with a robotic system, by combining payload identification methods with online identification algorithms, without external sensors. These methods are validated in simulation and experimentally with the 1-DOF system whose handle is attached to elastic rubber bands to emulate a passive human joint. The analysis of the effects of the online methods tuning highlights a necessary trade-off between the convergence speed and the accuracy of the parameters estimates. Finally, the comparison of the payload identification methods shows that methods identifying separately the robotic system and the passive human parameters give better accuracy and a lower computation complexity.The 4th chapter deals with the identification during the human-robot interaction. A quadratic stiffness model is proposed to better fit the passive human joint behavior than a linear stiffness model. Then, this model is used with an iterative identification method based on outlier rejection technique, to detect the human user muscle activity without external sensors. This method is compared experimentally to a non-iterative method that uses electromyography (EMG), by adapting the 1-DOF system to interact with the wrist and to allow the detection of the flexor and extensor muscle activity of two human users. The proposed iterative identification method not using EMG signals achieves results close to those obtained with the non-iterative method using EMG signals when a model that correctly represents the passive human joint behavior is selected. The muscle activity detection results obtained with both methods show a satisfactory level of similarity compared to those obtained directly from EMG signals

Les systèmes simples et les systèmes plus évolués tels que les robots aident l’être humain à accomplir plusieurs tâches depuis fort longtemps. Dans certains cas, le système en question remplace carrément l’humain alors que dans d’autres, le système agit en coopération avec celui-ci. Dans le dernier cas, le système représente plus un outil servant à augmenter les performances ou bien à éviter des tâches ingrates. L’avantage principal de cette augmentation humaine est de laisser à l’opérateur une certaine latitude dans le processus décisionnel de la tâche. Les forces propres aux humains et aux robots sont donc combinées afin d’obtenir une synergie, c’est-à-dire d’obtenir un meilleur système que la somme de ses composantes. Cependant, accomplir des tâches de coopération complexes de manière intuitives représente un défi de taille. Alors qu’auparavant les robots étaient isolés et donc conçus et programmés en conséquence, la nouvelle génération de robots doit être capable de comprendre son environnement et les intentions de l’humain, et d’y répondre adéquatement et de manière sécuritaire, intuitive, conviviale et ergonomique. Ceci apporte de nombreux débouchés dans différents domaines tels que la manutention, l’assemblage manufacturier, la réadaptation physique, la chirurgie, l’apprentissage via des simulations haptiques, l’aide aux personnes handicapées et bien d’autres. Cette thèse comporte trois parties. La première traite de la commande des robots d’interaction physique. L’approche pour parvenir à une commande intuitive, les bonnes pratiques, un algorithme d’interaction s’adaptant aux intentions de l’humain et l’adaptation d’une commande par couple pré-calculé à l’interaction humain-robot sont présentés. La deuxième partie traite de systèmes mains sur la charge qui sont plus intuitifs à utiliser pour l’opérateur. Le développement de ces systèmes comprend des innovations mécaniques et de commande avancées. La troisième partie traite finalement d’éléments de sécurité. Elle présente d’abord le développement d’un algorithme d’observation et de contrôle des vibrations et ensuite le développement d’un capteur détectant à distance la proximité humaine. Cette thèse se propose d’apporter plusieurs contributions, tant dans un esprit scientifique que pour des applications industrielles requérant des réponses immédiates.
For a long time, simple and advanced systems such as robots have been helping humans to accomplish several tasks. In some cases, the system simply replaces the operator while in other cases, the system cooperates with him/her. In the latter case, the system is more a tool used to increase performance or to avoid unpleasant tasks. The principal advantage of this human augmentation is to leave a certain latitude to the operator in the task decision process. Specific strengths of humans and robots are then combined to obtain a synergy, that is obtaining a more complete system than the sum of its parts. However, achieving complex tasks in a way that is intuitive to the human represents a huge challenge. While robots were previously segregated from humans and then designed and programmed accordingly, the new generation of robots must be able to perceive their environment and the human intentions and to respond to them safely, adequately, intuitively and ergonomically. This leads to several opportunities in a wide range of fields such as materials handling, assembly, physical rehabilitation, surgery, learning through haptic simulations, help to disabled people and others. This thesis comprises three parts. The first one deals with the control of physical interaction robots. The approach to an intuitive control, good practices, an interaction algorithm adapting to human intentions and the adaptation of a computed-torque control scheme for human-robot interaction are presented. The second part presents hands on payload systems which are more intuitive to use for the operator. These system developments include mechanical and advanced control innovations. The third part introduces safety features. First, the development of a vibration observer/controller algorithm is presented and then the development of a sensor detecting human proximity is reported. This thesis attempts to provide contributions, in a scientific spirit as much as for industrial applications requiring immediate solutions.

Les robots sont de plus en plus amenés à interagir avec des humains ou des environnements anthropiques en vue de collaboration. La connaissance des propriétés visco-élastiques cartésiennes humaines durant des interactions physiques avec des environnements procure un éclairage au champ des sciences du mouvement humain, et aussi à la robotique collaborative pour la conception de commandes innovantes bio-inspirées. Dans cette thèse, la focalisation est placée sur une modélisation linéaire très simple en impédance mécanique du membre supérieur, qui fait entrer en jeu les paramètres cartésiens apparents en raideur, amortissement et masse. Cette modélisation permet d'approcher des comportements en rejet de perturbations qui interviennent notamment lors d'interactions physiques.Une expérience a été mise en œuvre avec un robot articulé piloté en admittance cartésienne, pour permettre des estimations d'impédance mécanique du bras de participants pendant une tâche de référence permettant de générer des mouvements rythmiques, avec des retours haptiques. Une méthode permettant l'estimation des paramètres du modèle en impédance, basée sur l'approximation des trajectoires virtuelles en position et force lors de faibles perturbations ne gênant pas la réalisation de la tâche, est proposée. Les trajectoires virtuelles sont approchées par des interpolations de splines ou des optimisations de sinusoïdes.Une trentaine de participants ont pris part aux expériences proposées pour permettre des estimations significatives de variations des paramètres visco-élastiques apparents et mieux comprendre leurs implications dans la réalisation d'une tâche en interaction avec un robot. Le compromis stabilité-transparence du couplage du robot avec un environnement en impédance a finalement été analysé pour proposer une amélioration des réglages du contrôle en admittance cartésienne
Robots are more inclined to interact with humans or their environment for collaborative purposes. Knowledge on the human endpoint vis-coelastic properties during physical interactions provides insights for the field of human movement science and also for the design of innovative bio-inspired collaborative robotic control strategies. In this work, the focus is placed on a simplistic linear mechanical model of the human arm, with endpoint apparent parameters like stiffness, damping and mass. Perturbation rejection behaviours occuring remarkably during physical interactions can be met using this modelling.In order to estimate those properties for the human arm, an experimental test-bed was designed using an endpoint admittance controled polyarticulated robot. A benchmark task was used so that rhythmic movements emerged, while haptic feedback were introduced by the robot. A methodology to identify the linear parameters of the chosen impedance model was designed, tackling the issue of the estimation of virtual trajectories of the arm during dynamic movements. The estimations of the arm's virtual trajectories both in position and force relied on spline interpolations and sine optimisations, for small deviations that did not alter the performances of the task.A cohort of participants took part in experiments proposed to observe significant variations of the viscoelastic apparent parameters, and improve the understanding of the implications of such variations during a physical interaction with a robot. The famous trade-off between stability and transparency while the robot is coupled with an environment was then study thanks to the obtained estimations, to enhance the tuning of the endpoint admittance control empirically designed

Les robots humanoïdes sont les plus appropriés pour travailler en coopération avec l'homme. En effet, puisque les humains sont naturellement habitués à collaborer entre eux, un robot avec des capacités sensorielles et de locomotion semblables aux leurs, sera le plus adapté. Cette thèse vise à rendre les robot humanoïdes capables d'aider l'homme, afin de concevoir des 'humanoïdes collaboratifs'. On considère ici la tâche de transport collaboratif d'objets. D'abord, on montre comment l'utilisation simultanée de vision et de données haptiques peut améliorer la collaboration. Une stratégie combinant asservissement visuel et commande en admittance est proposée, puis validée dans un scénario de transport collaboratif homme/humanoïde.Ensuite, on présente un algorithme de génération de marche, prenant intrinsèquement en compte la collaboration physique. Cet algorithme peut être spécifié suivant que le robot guide (leader) ou soit guidé (follower) lors de la tâche. Enfin, on montre comment le transport collaboratif d'objets peut être réalisé dans le cadre d'un schéma de commande optimale pour le corps complet
Humanoid robots provide many advantages when working together with humans to perform various tasks. Since humans in general have alot of experience in physically collaborating with each other, a humanoid with a similar range of motion and sensing has the potential to do the same.This thesis is focused on enabling humanoids that can do such tasks together withhumans: collaborative humanoids. In particular, we use the example where a humanoid and a human collaboratively carry and transport objectstogether. However, there is much to be done in order to achieve this. Here, we first focus on utilizing vision and haptic information together forenabling better collaboration. More specifically the use of vision-based control together with admittance control is tested as a framework forenabling the humanoid to better collaborate by having its own notion of the task. Next, we detail how walking pattern generators can be designedtaking into account physical collaboration. For this, we create leader and follower type walking pattern generators. Finally,the task of collaboratively carrying an object together with a human is broken down and implemented within an optimization-based whole-bodycontrol framework

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la commande en couple de manipulateurs redondants.Nous nous intéressons dans ce cadre à deux problématiques. En premier lieu, nous considérons le cas d’imposition d’une contrainte cinématique de point de passage, dite contrainte du RCM, de l’organe terminal (OT) du robot. Nous proposons alors deux approches pour la gestion de cette contrainte. Dans la première approche, la contrainte est garantie dans l’espace nul d’une tâche principale définie en coordonnées de position de l’OT. Cette méthode exploite une définition explicite de la dynamique de l’espace nul et confère un niveau de priorité secondaire à la contrainte. La seconde approche permet de définir la contrainte du RCM comme tâche principale, en lui assignant le niveau de priorité supérieur ou un niveau de priorité défini par le besoin de l’application. Nous proposons pour cela une nouvelle définition de la cinématique du RCM.En second lieu, nous traitons la question des contacts entre le corps du robot et son environnement (ex. l’humain)pendant que l’OT exécute sa tâche « globale ». Nous proposons pour cela une stratégie de compliance appliquée dans l’espace nul du robot afin de préserver la tâche globale lors des contacts. Cette stratégie estdéfinie pour des bras anthropomorphes à 7-DDL, et est formulée en coordonnées de l’angle de bras, paramètre représentant le degré de redondance du robot. Cela permet de définir un intervalle admissible de mouvement de l’angle de bras. Lorsque les limites de cet intervalle sont atteintes, une loi de compliance de type ressort amortisseur oblige le robot à rester dans l’intervalle, malgré les forces externes exercées.Nous évoquons, tout au long de cette thèse, l’application de chirurgie mini-invasive assistée par robot pour illustrer l’utilité de nos contributions
The work developped in this PhD thesis concerns the control of redundant torque-controlled robots,dealing with two main issues. Firstly, we study the presence of a RCM constraint imposed to the end-effector. We propose two control approaches to guarantee this kinematic constraint. In the first one, the constraint is performed in the null-space of a main task defined in cartesian coordinates(position). An explicit definition of the null-space dynamics is applied on this control approach, and provides a secondary priority order to the RCM constraint. The second approach allows to define the constraint as the main task, obtaining the highest priority level, or in any desired priority level,according to the needs of the application. Therefore, we propose a new kinematic formulation of the RCM constraint.Secondly, we study the physical interaction between the robot’s body and its environment (e.g. human) during the cartesian global task execution. A null-space compliance control strategy is then proposed in order to preserve the global task when the contacts occur. This strategy, defined for anthropomorphic 7-DOF robots, is formulated in swivel angle coordinates, which is a direct representation of the robot’s null-space. A desired feasible range for the swivel angle values is defined by the user, and a spring-damping compliance law is used to constraint the robot to remain within the feasible angle values range, despite the external forces applied to the robot’s body. Robot-assisted minimally invasive surgery has been used throughout this thesis as an example of application, allowing to demonstrate the usefulness of our contributions

Un grand défi pour les personnages virtuels est de pouvoir interagir avec des opérateurs humains en effectuant des tâches dans des environnements virtuels physiquement réalistes. Cette thèse s'intéresse particulièrement à l'interaction avec des opérateurs faiblement immergés, c'est-à-dire avec des opérateurs disposant du minimum d'équipement nécessaire à l'interaction, par exemple, une simple capture de mouvement des mains. Cela implique de doter le personnage virtuel de la capacité d'ajuster ses postures de manière autonome, d'accomplir les tâches requises par l'opérateur en temps réel en tâchant de suivre au mieux ses mouvements, tout en gérant de manière autonome les multiples contraintes dues aux interactions avec l'environnement virtuel. Cette thèse présente un système de contrôle hybride original qui permet de réaliser un personnage virtuel interactif avec certains niveaux de l'autonomie. Une approche d'optimisation de posture est proposée, permettant au personnage virtuel de chercher des postures optimales et robustes. Un cadre de contrôle multi-objectif est développé, pouvant gérer plusieurs objectifs de tâches et de multiples contacts. Il permet au personnage d'effectuer les tâches de suivi de mouvement et les tâches de manipulation d'objets dans un environnement virtuel physiquement réaliste, tout en interagissant avec un opérateur en temps réel. Une méthode de type "wrench-bound" est développée. Il s'agit d'une nouvelle approche de contrôle hiérarchisé comportant différents niveaux de priorité, permettant d'imposer des contraintes d'inégalité sur la tâche de haute priorité, tout en assurant la passivité du système pour garantir la stabilité des opérations.

La rééducation neuromotrice est un des nouveaux champs d'application de la robotique en interaction physique. Dans ce domaine, on cherche à concevoir des machines pouvant assister les mouvements de patients atteints de troubles neuromoteurs dans la réalisation d'exercices physiques. Un des enjeux importants est de pouvoir proposer des machines capables de maîtriser des efforts mécaniques distribués le long des membres du patient durant les mouvements. Ceci a conduit la communauté à travailler au développement de structure exosquelettiques. L'essentiel des recherches en cours est focalisé sur les aspects cinématiques plus que sur le problème des transmissions d'efforts. C'est au contraire à ces aspects cruciaux qu'est consacrée la présente thèse. Pour améliorer la qualité du contrôle des efforts dans la mise en oeuvre des exosquelettes robotiques, les principales contributions se situent dans les domaines de la conception et de la commande. S'agissant de la conception, nous avons exploité des résultats existants dans la littérature pour la structure mécanique et la mécatronique d'actionnement, en utilisant l'exosquelette réversible ABLE conçu au CEA LIST. Partant de ce modèle, représentatif de l'existant, nous avons travaillé sur le problème du couplage mécanique entre le robot et le bras. Ce travail a permis de proposer une méthode générale pour synthétiser des mécanismes de fixation articulés passifs entre un exosquelette et un membre humain. Les fixations ainsi conçues garantissent l'isostaticité globale de l'ensemble. L'étude théorique générale est appliquée à ABLE, montrant une amélioration nette de la qualité de l'interaction. S'agissant de la commande, nous avons déployé une commande en efforts multi-contacts, ce qui constitue en soit une originalité, puis proposé de faciliter l'accompagnement des mouvements du sujet en exploitant une anticipation de trajectoire, grâce à un contrôleur mixte force/position. Là encore, l'apport expérimental évalué sur l'exosquelette ABLE est probant. Un dernier résultat important de la thèse concerne l'évaluation de la qualité de l'interaction homme-exosquelette dans des tâches de comanipulation. En effet, pour pouvoir quantifier l'apport des différentes propositions dans le domaine de la conception et de la commande, nous avons dû établir une méthode permettant d'étudier de manière reproductible l'interaction physique homme-robot, en analysant simultanément les efforts et la cinématique des gestes.