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Les avancées récentes en robotique inspirent des visions de robots domestiques et de service rendant nos vies plus faciles et plus confortables. De tels robots pourront exécuter différentes tâches de manipulation d'objets nécessaires pour des travaux de ménage, de façon autonome ou en coopération avec des humains. Dans ce rôle de compagnon humain, le robot doit répondre à de nombreuses exigences additionnelles comparées aux domaines bien établis de la robotique industrielle. Le but de la planification pour les robots est de parvenir à élaborer un comportement visant à satisfaire un but et qui obtient des résultats désirés et dans de bonnes conditions d'efficacité. Mais dans l'interaction homme-robot (HRI), le comportement robot ne peut pas simplement être jugé en termes de résultats corrects, mais il doit être agréable aux acteurs humains. Cela signifie que le comportement du robot doit obéir à des critères de qualité supplémentaire. Il doit être sûr, confortable pour l'homme, et être intuitivement compris. Il existe des pratiques pour assurer la sécurité et offrir un confort en gardant des distances suffisantes entre le robot et des personnes à proximité. Toutefois fournir un comportement qui est intuitivement compris reste un défi. Ce défi augmente considérablement dans les situations d'interaction homme-robot dynamique, où les actions de la personne sont imprévisibles, le robot devant adapter en permanence ses plans aux changements. Cette thèse propose une approche nouvelle et des méthodes pour améliorer la lisibilité du comportement du robot dans des situations dynamiques. Cette approche ne considère pas seulement la qualité d'un seul plan, mais le comportement du robot qui est parfois le résultat de replanifications répétées au cours d'une interaction. Pour ce qui concerne les tâches de navigation, cette thèse présente des fonctions de coûts directionnels qui évitent les problèmes dans des situations de conflit. Pour la planification d'action en général, cette thèse propose une approche de replanification locale des actions de transport basé sur les coûts de navigation, pour élaborer un comportement opportuniste adaptatif. Les deux approches, complémentaires, facilitent la compréhension, par les acteurs et observateurs humains, des intentions du robot et permettent de réduire leur confusion.

The recent advances in robotics inspire visions of household and service robots making our lives easier and more comfortable. Such robots will be able to perform several object manipulation tasks required for household chores, autonomously or in cooperation with humans. In that role of human companion, the robot has to satisfy many additional requirements compared to well established fields of industrial robotics. The purpose of planning for robots is to achieve robot behavior that is goal-directed and establishes correct results. But in human-robot-interaction, robot behavior cannot merely be judged in terms of correct results, but must be agree-able to human stakeholders. This means that the robot behavior must suffice…

Advisors/Committee Members: Kirsch, Alexandra (thesis director), Alami, Rachid (thesis director).

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Les robots sont tout près d'arriver chez nous. Mais avant cela, ils doivent acquérir la capacité d'interagir physiquement avec les humains, de manière sûre et efficace. De telles capacités sont indispensables pour qu'il puissent vivre parmi nous, et nous assister dans diverses tâches quotidiennes, comme porter une meuble. Dans cette thèse, nous avons pour but de doter le robot humanoïde bipède HRP-2 de la capacité à effectuer des actions haptiques en commun avec l'homme. Dans un premier temps, nous étudions comment des dyades humains collaborent pour transporter un objet encombrant. De cette étude, nous extrayons un modèle global de primitives de mouvement que nous utilisons pour implémenter un comportement proactif sur le robot HRP-2, afin qu'il puisse effectuer la même tâche avec un humain. Puis nous évaluons les performances de ce schéma de contrôle proactif au cours de tests utilisateurs. Finalement, nous exposons diverses pistes d'évolution de notre travail: la stabilisation d'un humanoïde à travers l'interaction physique, la généralisation du modèle de primitives de mouvements à d'autres tâches collaboratives et l'inclusion de la vision dans des tâches collaboratives haptiques.

Robots are very close to arrive in our homes. But before doing so, they must master physical interaction with humans, in a safe and efficient way. Such capacities are essential for them to live among us, and assit us in various everyday tasks, such as carrying a piece of furniture. In this thesis, we focus on endowing the biped humanoid robot HRP-2 with the capacity to perform haptic joint actions with humans. First, we study how human dyads collaborate to transport a cumbersome object. From this study, we define a global motion primitives' model that we use to implement a proactive behavior on the HRP-2 robot, so that it can perform the same task with a human. Then, we assess the performances of our proactive control scheme by perfoming user studies. Finally, we expose several potential extensions to our work: self-stabilization of a humanoid through physical interaction, generalization of the motion primitives' model to other collaboratives tasks and the addition of visionto haptic joint actions.

Advisors/Committee Members: Kheddar, Abderrahmane (thesis director), Crosnier, André (thesis director).

▼ Ce projet de recherche, intitulé Téléopération d'un robot collaboratif par outil haptique traite un des problèmes contemporains de la robotique, à savoir la coopération entre l'humain et la machine. La robotique est en pleine expansion depuis maintenant deux décennies: les robots investissent de plus en plus l'industrie, les services ou encore l'assistance à la personne et se diversifient considérablement. Ces nouvelles tendances font sortir les robots des cages dans lesquelles ils étaient placés et ouvrent grand la porte vers de nouvelles applications. Parmi elles, la coopération et les interactions avec l'humain représentent une réelle opportunité pour soulager l'homme dans des tâches complexes, fastidieuses et répétitives. En parallèle de cela, la robotique moderne s'oriente vers un développement massif du domaine humanoïde. Effectivement, plusieurs expériences sociales ont montré que l'être humain, constamment en interaction avec les systèmes qui l'entourent, a plus de facilités à contribuer à la réalisation d'une tâche avec un robot d'apparence humaine plutôt qu'avec une machine. Le travail présenté dans ce projet de recherche s'intègre dans un contexte d'interaction homme-robot (IHR) qui repose sur la robotique humanoïde. Le système qui en découle doit permettre à un utilisateur d'interagir efficacement et de façon intuitive avec la machine, tout en respectant certains critères, notamment de sécurité. Par une mise en commun des compétences respectives de l'homme et du robot humanoïde, les interactions sont améliorées. En effet, le robot peut réaliser une grande quantité d'actions avec précision et sans se fatiguer, mais n'est pas nécessairement doté d'une prise de décision adaptée à la situation, contrairement à l'homme qui est capable d'ajuster son comportement naturellement ou en fonction de son expérience. En d'autres termes, ce système cherche à intégrer le savoir-faire et la capacité de réflexion humaine avec la robustesse, l'efficacité et la précision du robot. Dans le domaine de la robotique, le terme d'interaction intègre également la notion de contrôle. La grande majorité des robots reçoit des commandes machines qui sont généralement des consignes de trajectoire, qu'ils sont capables d'interpréter. Or, plusieurs interfaces de contrôle sont envisageables, notamment celles utilisant des outils haptiques, qui permettent à un utilisateur d'avoir un ressenti et une perception tactile. Ces outils comme tous ceux qui augmentent le degré de contrôle auprès de l'utilisateur, en ajoutant un volet sensoriel, sont parfaitement adaptés pour ce genre d'applications. Dans ce projet, deux outils haptiques sont assemblés puis intégrés à une interface de contrôle haptique dans le but de commander le bras d'un robot humanoïde. Ainsi, l'homme est capable de diriger le robot tout en ajustant ses commandes en fonction des informations en provenance des différents capteurs du robot, qui lui sont retranscrites visuellement ou sensoriellement. Advisors/Committee Members: Suleiman, Wael (advisor).

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Que ce soit dans un contexte industriel ou quotidien, les robots deviennent de plus en plus présents dans notre environnement et sont désormais capables d'interagir avec des humains. Dans les milieux industriels, des robots viennent notamment assister les opérateurs des chaînes d'assemblage pour des tâches fatigantes et dangereuses. Robots et opérateurs sont alors amenés à partager le même espace physique (coprésence) et à effectuer des tâches en commun (collaboration). Alors que la sécurité des humains à proximité des robots doit être garantie à tout instant, il convient également de déterminer si le travail collaboratif est accepté par les opérateurs, en termes d'utilisabilité et d'utilité.La première problématique de la thèse consiste à déterminer quelles sont les composantes importantes rentrant en jeu dans l'acceptabilité de la collaboration homme-robot, du point de vue des opérateurs. Différents facteurs peuvent influencer cette acceptabilité : l'apparence des robots et leurs mouvements, la distance de sécurité ou encore le mode d'interaction avec le robot.Afin d'étudier le maximum de facteurs, nous proposons d'utiliser la réalité virtuelle pour mener des tests utilisateurs en environnement virtuel. Nous utilisons des questionnaires pour recueillir les impressions subjectives des opérateurs et des mesures physiologiques pour estimer leur état affectif (stress, effort). La deuxième problématique de la thèse consiste à déterminer si une méthodologie utilisant la réalité virtuelle est pertinente pour cette évaluation : les résultats issus des tests en environnement virtuel rendent-ils bien compte de la situation réelle ?Pour répondre aux problématiques de la thèse, trois cas d'étude ont été mis en place et quatre expérimentations ont été menées. Deux de ces expérimentations ont été reproduites à la fois en environnements réel et virtuel afin d'évaluer la pertinence des résultats issus de la situation virtuelle par rapport à la situation réelle.

Either in the context of the industry or of the everyday life, robots are becoming more and more present in our environment and are nowadays able to interact with humans. In industrial environments, robots now assist operators on the assembly lines for difficult and dangerous tasks. Then, robots and operators need to share the same physical space (copresence) and to manage common tasks (collaboration). On the one side, the safety of humans working near robots has to be guaranteed at all time. On the other hand, it is necessary to determine if such a collaborative work is accepted by the operators, in terms of usability and utility.The first problematic of the thesis consists in determining the important criteria that play a role in the acceptability, from the operators' point of view. Different factors can influence this acceptability: robot appearance, robot movements, safety distance or interaction modes with the robot.In order to study as many factors as possible, we intend to use virtual reality to perform user studies in virtual environments. We are using…

Advisors/Committee Members: Fuchs, Philippe (thesis director).

▼ De nos jours, les robots compagnons présentent de réelles capacités et fonctionnalités. Leurs acceptabilité dans nos habitats est cependant toujours un objet d'étude du fait que les motivations et la valeur du companionage entre robot est enfant n'a pas encore été établi. Classiquement, les robots sociaux avaient des comportements génériques qui ne prenaient pas en compte les différences inter-individuelles. De plus en plus de travaux en Interaction Humain-Robot se penchent sur la personnalisation du compagnon. Personnalisation et contrôle du compagnon permettrai une meilleure compréhension de ses comportements par l'utilisateur. Proposer une palette d'expressions du compagnon jouant un rôle social permettrait à l'utilisateur de customiser leur compagnon en fonction de leur préférences.Dans ce travail, nous proposons un système de plasticité pour l'interaction humain-robot. Nous utilisons une méthode de Design Basée Scenario pour expliciter les rôles sociaux attendu des robot compagnons. Puis en nous appuyant sur la littérature de plusieurs disciplines, nous proposons de représenter ces variations de comportement d'un robot compagnon par les styles comportementaux. Les styles comportementaux sont défini en fonction du rôle social grâce à des paramètres d'expressivité non-verbaux. Ces paramètres (statiques, dynamiques et décorateurs) permettent de transformer des mouvements dit neutres en mouvements stylés. Nous avons mener une étude basée sur des vidéos, qui montraient deux robots avec des mouvement stylés, afin d'évaluer l'expressivité de deux styles parentaux par deux types de robots. Les résultats montrent que les participants étaient capable de différentier les styles en termes de dominance et d'autorité, en accord avec la théorie en psychologie sur ces styles. Nous avons constater que le style préféré par les parents n'étaient pas corréler à leur propre style en tant que parents. En conséquence, les styles comportementaux semblent être des outils pertinents pour la personnalisation social du robot compagnon par les parents.Une seconde expérience, dans un appartement impliquant 16 enfants dans des interaction enfant-robot, a montré que parents et enfants attendent plutôt d'un robot d'être polyvalent et de pouvoir jouer plusieurs rôle à la maison. Cette étude a aussi montré que les styles comportementaux ont une influence sur l'attitude corporelle des enfants pendant l'interaction avec le robot. Des dimensions classiquement utilisées en communication non-verbal nous ont permises de développer des mesures pour l'interaction enfant-robot, basées sur les données capturées avec un capteur Kinect 2.Dans cette thèse nous proposons également la modularisation d'une architecture cognitive et affective précédemment proposé résultant dans l'architecture Cognitive et Affective orientées Interaction (CAIO) pour l'interaction social humain-robot. Cette architecture a été implémenter en ROS, permettant son utilisation par des robots sociaux. Nous… Advisors/Committee Members: Pesty, Sylvie (thesis director), Calvary, Gaëlle (thesis director).

▼ Les robots sont les futurs compagnons et équipiers de demain. Que ce soit pour aider les personnes âgées ou handicapées dans leurs vies de tous les jours ou pour réaliser des tâches répétitives ou dangereuses, les robots apparaîtront petit à petit dans notre environnement. Cependant, nous sommes encore loin d'un vrai robot autonome, qui agirait de manière naturelle, efficace et sécurisée avec l'homme. Afin de doter le robot de la capacité d'agir naturellement avec l'homme, il est important d'étudier dans un premier temps comment les hommes agissent entre eux. Cette thèse commence donc par un état de l'art sur l'action conjointe en psychologie et philosophie avant d'aborder la mise en application des principes tirés de cette étude à l'action conjointe homme-robot. Nous décrirons ensuite le module de supervision pour l'interaction homme-robot développé durant la thèse. Une partie des travaux présentés dans cette thèse porte sur la gestion de ce que l'on appelle un plan partagé. Ici un plan partagé est une séquence d'actions partiellement ordonnées à effectuer par l'homme et/ou le robot afin d'atteindre un but donné. Dans un premier temps, nous présenterons comment le robot estime l'état des connaissances des hommes avec qui il collabore concernant le plan partagé (appelées états mentaux) et les prend en compte pendant l'exécution du plan. Cela permet au robot de communiquer de manière pertinente sur les potentielles divergences entre ses croyances et celles des hommes. Puis, dans un second temps, nous présenterons l'abstraction de ces plan partagés et le report de certaines décisions. En effet, dans les précédents travaux, le robot prenait en avance toutes les décisions concernant le plan partagé (qui va effectuer quelle action, quels objets utiliser...) ce qui pouvait être contraignant et perçu comme non naturel par l'homme lors de l'exécution car cela pouvait lui imposer une solution par rapport à une autre. Ces travaux vise à permettre au robot d'identifier quelles décisions peuvent être reportées à l'exécution et de gérer leur résolutions suivant le comportement de l'homme afin d'obtenir un comportement du robot plus fluide et naturel. Le système complet de gestions des plan partagés à été évalué en simulation et en situation réelle lors d'une étude utilisateur. Par la suite, nous présenterons nos travaux portant sur la communication non-verbale nécessaire lors de de l'action conjointe homme-robot. Ces travaux sont ici focalisés sur l'usage de la tête du robot, cette dernière permettant de transmettre des informations concernant ce que fait le robot et ce qu'il comprend de ce que fait l'homme, ainsi que des signaux de coordination. Finalement, il sera présenté comment coupler planification et apprentissage afin de permettre au robot d'être plus efficace lors de sa prise de décision. L'idée, inspirée par des études de neurosciences, est de limiter l'utilisation de la planification (adaptée au contexte de l'interaction homme-robot mais coûteuse) en laissant la main au module d'apprentissage lorsque le robot se trouve… Advisors/Committee Members: Alami, Rachid (thesis director), Ghallab, Malik (thesis director).

▼ La Robotique Sociale met l’accent sur l'amélioration de l’aptitude des robots d’interagir avec les humains, y compris la capacité de comprendre leurs interlocuteurs humains. Munis de telles capacités, les robots sociaux peuvent améliorer la qualité de vie de leurs utilisateurs dans une grande variété de contextes: en tant que guides, partenaires de jeux, assistants à domicile, ou, le plus important, pour des buts therapeutiques.Les Robots Sociaux Assistants (RSA) visent à améliorer la qualité de vie de leurs utilisateurs à travers des interactions sociales. Les populations d’utilisateurs vulnérables, comme ceux qu’ont besoin de réhabilitation, thérapie ou assistance permanente, sont ceux qui bénéficient le plus de l’aide des RSAs. Une des responsabilités de ces robots est de s’assurer que leurs utilisateurs respectent les reccomendations therapeutiques et medicales, tant que les utilisateurs humains ne sont pas toujours coopérants. Comme certaines études ont montré, les humains tentent parfois de tromper leurs robots assistants afin d’éviter de respecter leurs recommandations. Les premiers vont donc finir par détériorer leur état de santé et par rendre les derniers incapables d'accomplir leurs tâches. Par conséquent, les RSAs et d’autant plus leurs utilisateurs bénéficieraient si les robots étaient capables de détecter les mensonges dans le cadre des Interactions Homme-Robot (IHR).Cette thèse explore les manifestations et signaux physiologiques et comportementaux associés au mensonge dans le contexte de l’IHR, à partir de la recherche similaire faite dans le cadre des interactions interhumaines. Compte tenu du fait que nous considérons qu’il est très important de ne pas détériorer la qualité de l’interaction de façon significative, notre travail se concentre sur l’évaluation de ces manifestations uniquement à l’aide des moyens et dispositifs non-invasifs et minimalement-invasifs, comme les caméras RGB, RGB-D et thermales, aussi bien que des capteurs portables.À ce but, nous avons conçu plusieurs scénarios d'interaction in-the-wild pendant lesquelles les participants sont incités à mentir. Pendant ces expériences, nous surveillons et mesurons la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire, la température de la peau, la conductivité de la peau, l’ouverture des yeux, la position et l’orientation de la tête aussi bien que le temps de réponse aux questions des participants, à l’aide de capteurs et dispositifs non-invasifs et minimalement invasifs. Nous avons cherché des corrélations entre les variations des paramètres susmentionnés et la véracité des réponses et des affirmations des participants. En plus, nous avons aussi étudié l’impact de la nature de l’interlocuteur (humain ou robot) sur les manifestations des participants.Nous considérons que cette thèse et nos résultats représentent un grand pas en avant vers le développement de robots capables d’établir si leurs interlocuteurs sont honnêtes ou pas, et ainsi d'améliorer la qualité des IHRs et la capacité des RSAs d’exercer leurs fonctions et d'améliorer la qualité… Advisors/Committee Members: Tapus, Adriana (thesis director).

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Cette thèse a pour objectif de proposer une architecture répondant aux problématiques de conception, de supervision, de pilotage et d’adaptation d’une expérience interactive. Nous proposons donc un framework complet destiné à faciliter la phase de modélisation d’un système interactif et garantissant une souplesse suffisante pour atteindre les objectifs de complexité, d’extensibilité, d’adaptabilité et d’amélioration par apprentissage automatique. Pour cela, le modèle formel, CIT, basé sur deux couches de description a été introduit. Le processus de supervision dynamique consiste à contrôler l’expérience interactive au regard du modèle formel, basé sur des réseaux d’automates temporisés à entrées/sorties. Deux plateformes logicielles, CELTIC (Common Editor for Location Time Interaction and Content) et EDAIN (Execution Driver based on Artificial INtelligence), implémentant respectivement le modèle CIT et le moteur de supervision de l’activité ont été développés au cours de cette thèse.

This thesis aims to propose an architecture that addresses the design, supervision, management and adaptation of an interactive experience. We therefore propose a complete framework to facilitate the modeling phase of an interactive system and guarantee sufficient flexibility to achieve the objectives of complexity, scalability, adaptability and improvement through automatic learning. For this purpose, the formal model, CIT, based on two layers of description was introduced. The dynamic supervision process consists in controlling the interactive experience with regard to the formal model, based on networks of timed input/output automata. Two softwares, CELTIC (Common Editor for Location Time Interaction and Content) and EDAIN (Execution Driver based on Artificial INtelligence), implementing the CIT model and the activity supervision engine respectively, were developed during this thesis.

Advisors/Committee Members: Revel, Arnaud (thesis director).

▼ Les robots souples pourraient permettre une interaction homme-robot intrinsèquement sécuritaire car ils sont fabriqués de matériaux déformables. Les capteurs de mouvement adaptés aux robots souples doivent être compatibles avec les mécanismes déformables comportant plusieurs degrés de liberté (DDL) retrouvés sur les robots souples. Le projet de recherche propose des outils de conception pour ce nouveau genre de systèmes de capteurs de mouvement. Pour démontrer ces outils, un système de capteurs est conçu pour un robot souple existant servant pour des interventions chirurgicales guidées par imagerie. De plus, un algorithme de calibration utilisant des techniques d’apprentissage automatique est proposé pour les capteurs à plusieurs DDL. Un prototype du système de capteurs conçu est fabriqué et installé sur le robot souple existant. Lors d’essais expérimentaux, le prototype du système de capteurs atteint une précision moyenne de 0.3 mm et minimale de 1.2 mm. Advisors/Committee Members: Plante, Jean-Sébastien.

▼ Cette thèse présente deux nouvelles architectures de commande pour les interactions physiques humain-robot (pHRIs). Ces architectures sont spéciquement développées dans une vision d'implantation en industrie pour les manipulations d'assemblage. En effet, deux types de robots collaboratifs adaptés à dfférentes contraintes de l'industrie et ayant des interfaces d'interactions physiques différentes sont étudiés en utilisant chacun leur propre architecture de commande. Le premier robot collaboratif développé est un manipulateur entièrement actionné permettant des pHRIs dans son espace libre, c.-à-d., des interactions unilatérales, et des pHRIs lorsque ses mouvements sont contraints par un environnement quelconque, c.-à-d., des interactions bilatérales. Les interactions de l'humain peuvent s'effectuer sur n'importe quelles parties du robot grâce aux capteurs de couples dans les articulations. Cependant, si une amplication des forces de l'humain sur l'environnement est désirée, alors il est nécessaire d'utiliser le capteur d'efforts supplémentaire attaché au robot. Ceci permet à la commande, en combinant les lectures du capteur d'efforts à l'effecteur, d'utiliser le ratio des forces appliquées indépendamment par l'opérateur et par l'environnement an de générer l'amplication désirée. Cette loi de commande est basée sur l'admittance variable qui a déjà démontré ses bénéces pour les interactions unilatérales. Ici, l'admittance variable est adaptée aux interactions bilatérales an d'obtenir un seul algorithme de commande pour tous les états. Une loi de transition continue peut alors être dénie an d'atteindre les performances optimales pour chaque mode d'interaction qui, en fait, nécessitent chacun des valeurs de paramètres spéciques. Le cheminement et les résultats pour arriver à cette première architecture de commande sont présentés en trois étapes. Premièrement, la loi de commande est implémentée sur un prototype à un degré de liberté (ddl) an de tester le potentiel d'amplication et de transition, ainsi que la stabilité de l'interaction. Deuxièmement, un algorithme d'optimisation du régulateur pour les interactions bilatérales avec un robot à plusieurs ddls est développé. Cet algorithme vérie la stabilité robuste du système en utilisant l'approche des valeurs singulières structurées (- analysis), pour ensuite faire une optimisation des régulateurs stables en fonction d'une variable liée à la conguration du manipulateur. Ceci permet d'obtenir une loi de commande variable qui rend le système stable de façon robuste en atteignant des performances optimales peu iii importe la conguration des articulations du robot. La loi de commande trouvée utilise un séquencement de gain pour les paramètres du régulateur par admittance durant les interactions bilatérales. La stabilité et la performance du système sont validées avec des tests d'impact sur différents environnements. Finalement, la loi de commande en admittance variable optimale est implémentée et validée sur un robot manipulateur à plusieurs ddls (Kuka LWR 4) à l'aide de suivis… Advisors/Committee Members: Gosselin, Clément.

▼ Les robots souples pourraient permettre une interaction homme-robot intrinsèquement sécuritaire car ils sont fabriqués de matériaux déformables. Les capteurs de mouvement adaptés aux robots souples doivent être compatibles avec les mécanismes déformables comportant plusieurs degrés de liberté (DDL) retrouvés sur les robots souples. Le projet de recherche propose des outils de conception pour ce nouveau genre de systèmes de capteurs de mouvement. Pour démontrer ces outils, un système de capteurs est conçu pour un robot souple existant servant pour des interventions chirurgicales guidées par imagerie. De plus, un algorithme de calibration utilisant des techniques d’apprentissage automatique est proposé pour les capteurs à plusieurs DDL. Un prototype du système de capteurs conçu est fabriqué et installé sur le robot souple existant. Lors d’essais expérimentaux, le prototype du système de capteurs atteint une précision moyenne de 0.3 mm et minimale de 1.2 mm. Advisors/Committee Members: Plante, Jean-Sébastien (advisor).

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Autrefois seulement objets de laboratoire, les robots sociaux commencent à arriver dans les foyers, les écoles, les hôpitaux et les maisons de retraite, et deviennent les compagnons de notre éducation, de notre santé et de notre bien-être. Ces premières commercialisations de robots sociaux confirment l'importance de l'interaction homme-robot anticipée par les chercheurs. En effet, la communication non verbale formant une part majeure de la communication chez l'Homme, celui-ci ne peut s’empêcher d'interpréter les mouvements et les comportements des robots comme l'expression d'états mentaux. Cet impact de l'expressivité des robots sociaux implique que leur conception se doit d’être soignée pour ne pas perturber l’interaction.Les domaines du jeu vidéo et des films d'animation se sont intéressés depuis longtemps à la création de tels mouvements expressifs. De nombreux outils et méthodes ont ainsi été développées afin de faciliter la création de mouvements de personnages virtuels. Ces outils ont permis de combiner les avancées technologiques aux talents d'artistes animateurs passés maîtres dans l'art de donner vie à des personnages. Partant de ce constat, l'objet de cette thèse est la conception d'outils et de méthodes permettant d'intégrer des artistes animateurs dans le processus de conception des robots sociaux. Nous explorons en particulier les adaptations minimales du processus créatif des artistes animateurs rendues nécessaires par les spécificités du medium robotique.Les contributions de cette thèse sont les suivantes :- Un framework pour le prototypage de robots sociaux animés, fondé sur la mise en correspondance et la synchronisation du robot physique avec un robot virtuel animé dans un outil d'animation de personnage 3D.- Un second outil d'animation robotique intégrant la manipulation directe dans le processus d'animation par poses clés.- Une méthodologie pour la création d'animation paramétrique au travers de la collaboration d'un artiste animateur et d'un développeur, ainsi que les outils et interface logiciel facilitant cette collaboration.- L'évaluation par des artistes animateurs de l'outil d'animation de robot par manipulation directe et de la méthode de généralisation d'une animation à des nouvelles contraintes géométriques.

Once only experimental devices, social robots are beginning to arrive in homes, schools, hospitals and nursing homes. They are becoming companions of our education, health and well-being. These first commercial launches of social robots confirm the importance of the human-robot interaction anticipated by researchers. Indeed, since non-verbal communication forms a major part of communication in humans, we cannot help but interpret the movements and behaviours of robots as the expression of mental states. This effect of the expressiveness of social robots implies that they must be carefully designed to avoid disrupting the interaction.The fields of video games and animated movies have long been interested in the design of such expressive movements. Many tools and methods have been…

Advisors/Committee Members: Reignier, Patrick (thesis director), Vaufreydaz, Dominique (thesis director).

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Les systèmes de robotique sociale sont de plus en plus présents dans nos vies. Ce ne sont plus des entités isolées, mais on s'attend à ce qu'ils soient capables d'interagir et de communiquer avec les humains. Ils doivent respecter les normes comportementales attendues par les humains avec qui les systèmes robotiques sont en interaction.L'une des principales pistes de recherche dans le domaine de la robotique sociale est représentée par la conception d'une interaction naturelle entre un robot social et un individu. Plus spécifiquement, cette interaction devrait prendre en considération le profil de l'individu, l'état émotionnel, l'état physiologique et l'humeur, entre autres.Dans cette thèse, nous explorons la relation qui existe entre l'échelle de typologie circadienne, la performance cognitive et l'état physiologique au cours de différents scénarios d'interaction homme-robot. L'administration de différents questionnaires psychologiques permet de déterminer le profil d'un individu. En outre, à l’aide de différents capteurs (par exemple, GSR, caméra thermique), de multiples méthodologies ont été développées pour déterminer l’état physiologique d’un individu. Plus spécifiquement, la variation de la température faciale, le clignotement des yeux et la réponse galvanique de la peau ont été étudiés.Plusieurs scénarios d'interaction homme-robot ont été conçus afin de tester le système développé. L'impact de l'empathie a également été étudié. En outre, le système développé a été testé avec succès dans deux environnements réels, avec deux populations vulnérables. La première application d'assistance est représentée par le projet de recherche EU H2020 ENRICHME, dans lequel un robot a été développé pour les personnes âgées atteintes d'un trouble cognitif léger. La deuxième population vulnérable est constituée d'individus souffrant de différents troubles du sommeil.Nous pensons que cette thèse représente une étape importante dans la compréhension de l'état physiologique de l'individu et est liée à la performance cognitive.

Social robotic systems are more and more present in our everyday lives. They are no longer isolated entities, but instead, they are expected to be capable of interacting and communicating with humans. They have to follow the behavioral norms that are expected by the individuals the robotic systems are interacting with.One of the main research directions in the field of social robotics is represented by the design of a natural interaction between a social robot and an individual. More specifically, this interaction should take into consideration the profile of the individual, the emotional state, the physiological internal state, and the mood, among others.In this thesis it is explored the relationship that exists between morningness-eveningness, cognitive performance, and the internal physiological state during different human-robot interaction scenarios. By administering different psychological questionnaires, the profile of an individual can be determined. Moreover, with the help of different sensors…

Advisors/Committee Members: Tapus, Adriana (thesis director).

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La robotique collaborative a pour vocation d'assister physiquement l'opérateur dans ses tâches quotidiennes. Les deux partenaires qui composent un tel système possèdent des atouts complémentaires : physique pour le robot versus cognitif pour l'opérateur. Cette combinaison offre ainsi de nouvelles perspectives d'applications, notamment pour la réalisation de tâches non automatisables. Dans cette thèse, nous nous intéressons à une application particulière qui est l'assistance à la manipulation de pièces de grande taille lorsque la tâche à réaliser et l'environnement sont inconnus du robot. La manutention de telles pièces est une activité quotidienne dans de nombreux domaines et dont les caractéristiques en font une problématique à la fois complexe et critique. Nous proposons une stratégie d'assistance pour répondre à la problématique de contrôle simultané des points de saisie du robot et de l'opérateur liée à la manipulation de pièces de grandes dimensions, lorsque la tâche n'est pas connue du robot. Les rôles du robot et de l'opérateur dans la réalisation de la tâche sont distribués en fonction de leurs compétences relatives. Alors que l'opérateur décide du plan d'action et applique la force motrice qui permet de déplacer la pièce, le robot détecte l'intention de mouvement de l'opérateur et bloque les degrés de liberté qui ne correspondent pas au mouvement désiré. De cette façon, l'opérateur n'a pas à contrôler simultanément tous les degrés de liberté de la pièce. Les problématiques scientifiques relatives à l'interaction physique homme-robot abordées dans cette thèse se décomposent en trois grandes parties : la commande pour l'assistance, l'analyse du canal haptique et l'apprentissage lors de l'interaction. La stratégie développée s'appuie sur un formalisme unifié entre la spécification des assistances, la commande du robot et la détection d'intention. Il s'agit d'une approche modulaire qui peut être utilisée quelle que soit la commande bas niveau imposée dans le contrôleur du robot. Nous avons mis en avant son intérêt au travers de tâches différentes réalisées sur deux plateformes robotiques : un bras manipulateur et un robot humanoïde bipède.

Collaborative robotics aims at physically assisting humans in their daily tasks.The system comprises two partners with complementary strengths : physical for the robot versus cognitive for the operator. This combination provides new scenarios of application such as the accomplishment of difficult-to-automate tasks. In this thesis, we are interested in assisting the human operator to manipulate bulky parts while the robot has no prior knowledge of the environment and the task. Handling such parts is a daily activity in manyareas which is a complex and critical issue. We propose a new strategy of assistances to tackle the problem of simultaneously controlling both the grasping point of the operator and that of the robot. The task responsibilities for the robot and the operator are allocated according to their relative strengths. While the operator decides the plan and applies…

Advisors/Committee Members: Fraisse, Philippe (thesis director).

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Les architectures logicielles de contrôles sont le centre névralgique des robots. Malheureusement les robots et leurs architectures souffrent de nombreuses imperfections qui perturbent et/ou compromettent la réalisation des missions qui leurs sont affectés. Nous proposons donc une méthodologie de conception d'architecture de contrôle adaptative pour la mise en œuvre de la tolérance aux fautes.La première partie de ce manuscrit propose un état de l'art de la sureté de fonctionnement, d'abord générique avant d'être spécifié au contexte des architectures de contrôle. La seconde partie nous permet de détailler la méthodologie proposée permettant d'identifier les fautes potentielles d'un robot et d'y répondre à l'aide des moyens de tolérance aux fautes. La troisième partie présente le contexte expérimental et applicatif dans lequel la méthodologie proposée sera mise en œuvre et qui constitue la quatrième partie de ce manuscrit. Une expérimentation spécifique mettant en lumière les aspects de la méthodologie est détaillée dans la dernière partie.

The software control architectures are the decisional center of robots. Unfortunately, the robots and their architectures suffer from numerous flaws that disrupt and / or compromise the achievement of missions they are assigned. We therefore propose a methodology for designing adaptive control architecture for the implementation of fault tolerance.The first part of this thesis proposes a state of the art of dependability, at first in a generic way before being specified in the context of control architectures. The second part allows us to detail the proposed methodology to identify potential errors of a robot and respond using the means of fault tolerance. The third part presents the experimental context and application in which the proposed methodology will be implemented and described in the fourth part of this manuscript. An experiment highlighting specific aspects of the methodology is detailed in the last part.

Advisors/Committee Members: Crestani, Didier (thesis director).

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Un robot agit sur son environnement par le mouvement, sa capacité à planifier ses mouvements est donc une composante essentielle de son autonomie. L'objectif de cette thèse est concevoir des méthodes algorithmiques performantes permettant le calcul automatique de trajectoires pour des systèmes robotiques complexes dans le cadre de la robotique d'assistance. Les systèmes considérés qui ont pour vocation de servir l'homme et de l'accompagner dans des tâches du quotidien doivent tenir compte de la sécurité et du bien-être de l'homme. Pour cela, les mouvements du robot doivent être générés en considérant explicitement le partenaire humain raisonant sur un modèle du comportement social de l'homme, de ses capacités et de ses limites afin de produire un comportement synergique optimal.Dans cette thèse nous étendons les travaux pionniers menés au LAAS dans ce domaine afin de produire des mouvements considérant l’homme de manière explicite dans des environnements encombrés. Des algorithmes d’exploration de l’espace des configurations par échantillonnage aléatoire sont combinés à des algorithmes d’optimisation de trajectoire afin de produire des mouvements sûrs et agréables. Nous proposons dans un deuxième temps un planificateur de tâche d’échange d’objet prenant en compte la mobilité du receveur humain permettant ainsi de partager l’effort lors du transfert. La pertinence de cette approche a été étudiée dans une étude utilisateur. Finalement, nous présentons une architecture logicielle qui permet de prendre en compte l’homme de manière dynamique lors de la réalisation de tâches de manipulation interactive

A robot act upon its environment through motion, the ability to plan its movements is therefore an essential component of its autonomy. The objective of this thesis is to design algorithmic methods to perform automatic trajectory computation for complex robotic systems in the context of assistive robotics. This emerging field of autonomous robotics applications brings new constraints and new challenges. Such systems that are designed to serve humans and to help in daily tasks must consider the safety and well-being of the surrounding humans. To do this, the robot's motions must be generated by considering the human partner explicitly. For comfort and efficiency, the robot must take into account a model of human social behavior, capabilities and limitations to produce an optimal synergistic behavior.In this thesis we extend to cluttered environments the pioneering work that has been conducted at LAAS in this field. Algorithms that explore the configuration space by random sampling are combined with trajectory optimization algorithms to produce safe and human aware motions. Secondly we propose a planner for object handover taking into account the mobility of the human recipient allowing to share the effort during the transfer. The relevance of this approach has been studied in a user study. Finally, we present a software architecture developed in collaboration with a partner of the European project Dexmart that allows to…

Advisors/Committee Members: Siméon, Thierry (thesis director).

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Comme les robots effectuent de plus en plus de tâches en interaction avec l'homme ou dans un environnement humain, ils doivent assurer la sécurité et le confort des hommes. Dans ce contexte, le robot doit adapter son comportement et agir en fonction des évolutions de l'environnement et des activités humaines. Les robots développés sur la base de l'apprentissage ou d'un planificateur de mouvement ne sont pas en mesure de réagir assez rapidement, c'est pourquoi nous proposons d'introduire un contrôleur de trajectoire intermédiaire dans l'architecture logicielle entre le contrôleur bas niveau et le planificateur de plus haut niveau. Le contrôleur de trajectoire que nous proposons est basé sur le concept de générateur de trajectoire en ligne (OTG), il permet de calculer des trajectoires en temps réel et facilite la communication entre les différents éléments, en particulier le planificateur de chemin, le générateur de trajectoire, le détecteur de collision et le contrôleur. Pour éviter de replanifier toute une trajectoire en réaction à un changement induit par un humain, notre contrôleur autorise la déformation locale de la trajectoire et la modification de la loi d'évolution pour accélérer ou décélérer le mouvement. Le contrôleur de trajectoire peut également commuter de la trajectoire initiale vers une nouvelle trajectoire. Les fonctions polynomiales cubiques que nous utilisons pour décrire les trajectoires fournissent des mouvements souples et de la flexibilité sans nécessiter de calculs complexes. De plus, les algorithmes de lissage que nous proposons permettent de produire des mouvements esthétiques ressemblants à ceux des humains. Ce travail, mené dans le cadre du projet ANR ICARO, a été intégré et validé avec les robots KUKA LWR de la plate-forme robotique du LAAS-CNRS.

In order to perform a large variety of tasks in interaction with human or in human environments, a robot needs to guarantee safety and comfort for humans. In this context, the robot shall adapt its behavior and react to the environment changes and human activities. The robots based on learning or motion planning are not able to adapt fast enough, so we propose to use a trajectory controller as an intermediate control layer in the software structure. This intermediate layer exchanges information with the low level controller and the high level planner. The proposed trajectory controller, based on the concept of Online Trajectory Generation (OTG), allows real time computation of trajectories and easy communication with the different components, including path planner, trajectory generator, collision checker and controller. To avoid the replan of an entire trajectory when reacting to a human behaviour change, the controller must allow deforming locally a trajectory or accelerate/decelerate by modifying the time function. The trajectory controller must also accept to switch from an initial trajectory to a new trajectory to follow. Cubic polynomial functions are used to describe trajectories, they provide smoothness, flexibility and computational…

Advisors/Committee Members: Sidobre, Daniel (thesis director).

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Aujourd'hui, les robots sont de plus en plus présents dans la vie quotidienne. L’étude et le développement de stratégies d'interaction sociale et émotionnelle constitue un point clé de leur insertion dans notre espace social. Ces derniers années, beaucoup de recherches se sont intéressées à la communication homme-robot en exploitant les expressions faciales, posturales ou encore vocales, mais très peu de recherches se sont intéressées à l’interaction physique via le toucher. Cependant, des recherches récentes dans le domaine de la psychologie et des interfaces homme-machine (IHM) ont montré le rôle de la modalité haptique et plus particulièrement tactile dans la perception des émotions et de leurs différentes dimensions (par exemple valence, activation, dominance). L’objectif de ce projet est d’exploiter cette modalité sensorielle dans l'interaction affective homme-robot. Sur la base du robot humanoïde MEKA, un ensemble de capteurs tactiles et physiologiques seront étudiés et développés afin de sensibiliser certaines régions de son corps (ex. bras, épaule, main) et détecter l’état émotionnel de l’utilisateur. Par la suite, une série d’études seront menées afin d'analyser le comportement des utilisateurs dans des situations d’interaction affective avec le robot. Les résultats de ces études nous permettront d’identifier des comportements affectifs haptiques types qui seront utilisés pour modéliser le comportement du robot dans des contextes d’interactions sociales.

Today, robots are more and more present in everyday life. The study and the development of strategies of social and emotional interaction constitutes a key point of their insertion in our social space. The latter years, many researches were carried out in the man-robot communication by exploiting the facial expressions, posturals or still vocal, but very few focused on the physical interaction via the touch. However, recent researches in the field of the psychology and the human-machine interfaces (HMI) showed the role of the haptic modality and more particularly tactile in the perception of the feelings and their various dimensions (for example valence, activation, dominance). The objective of this project is to exploit this sensory modality in the emotional man-robot interaction. On the basis of the robot humanoid MEKA, a set of tactile and physiological sensors will be studied and developed to make sensitive certain regions of its body (eg arm, shoulder, hand) and to detect the emotional state of the user. Afterward, a series of studies will be led to analyze the behavior of the users in situations of emotional interaction with the robot. The results of these studies will allow us to identify typical haptic emotional behavior which will be used to model the behavior of the robot in contexts of social interactions.

Advisors/Committee Members: Tapus, Adriana (thesis director), Ammi, Mehdi (thesis director), Hafez, Moustapha (thesis director).

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Les robots interagissant avec des humains doivent se comporter en adéquation avec certaines de nos règles sociaux-culturelles, qui doivent être considérées par chaque composant du robot. Lorsqu’il décide d’une action à faire et de comment l’exécuter, le système a besoin de communiquer l’information contextuelle pertinente à chacun de ses composants afin qu’ils puissent respecter ces règles. Il est essentiel que de tels robots puissent se coordonner sans accrocs avec leur partenaires humains. Nous humains utilisons de nombreux signaux de synchronisation notamment via le regard, la lisibilité de nos gestes ou par le dialogue. Nous inférons efficacement les possibilités d’actions de nos partenaires, ce qui nous aide à anticiper ce qu’ils vont ou devraient faire afin de mieux planifier nos propres actions. Dans le domaine de l’interaction Homme-robot, ces capacités sont essentielles. Cette thèse présente notre approche pour résoudre deux tâches où humains et robots collaborent étroitement: un problème de transport d’objet où plusieurs robots et humain doivent ou peuvent se faire passer un objet de main à main pour l’amener d’un endroit à un autre, et une tâche de guide où le robot aide des humains à s’orienter en utilisant dialogue, navigation et mouvements déictiques (pointage). Nous présentons notre implantation de ces composants et de leur articulation dans le cadre d’une d’architecture où l’information contextuelle est transmise des plus hauts niveaux de décision vers les plus bas qui l’utilisent pour s’adapter. Le robot planifie aussi pour les actions des humains, comme dans un système multi-robot, ce qui lui permet de ne pas être dans l’attente des actions des humains, mais d’être proactif dans la proposition d’une solution, et d’anticiper leurs actions futures.

When interacting with humans, robotic systems shall behave in compliance to some of our socio-cultural rules, and every component of the robot have to take them into account. When deciding an action to perform and how to perform it, the system then needs to communicate pertinent contextual information to its components so they can plan respecting these rules. It is also essential for such robot to ensure a smooth coordination with its human partners. We humans use many cues for synchronization like gaze, legible motions or speech. We are good at inferring what actions are available to our partner, helping us to get an idea of what others are going to do (or what they should do) to better plan for our own actions. Enabling the robot with such capacities is key in the domain of human-robot interaction. This thesis presents our approach to solve two tasks where humans and robots collaborate deeply: a transport problem where multiple robots and humans need to or can handover an object to bring it from one place to another, and a guiding task where the robot helps the humans to orient themselves using speech, navigation and deictic gestures (pointing). We present our implementation of components and their articulation in a architecture where contextual…

Advisors/Committee Members: Alami, Rachid (thesis director), Cortés, Juan (thesis director).

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Hier fiction, maintenant réalité, le robot humanoïde, machine intelligente créée sur le modèle humain, concrétise des rêves ancestraux, avec pour ambition que la copie puisse égaler ou dépasser son modèle et créateur ; voire effectuer un bond dans l’évolution, par delà l’altérité homme/machine et la finitude. Afin de questionner ce qui sous-tend la réalisation du robot, ses enjeux, et ce que ses caractéristiques disent de l’homme aujourd’hui, cette réflexion revisite ses traces mythologiques et techniques depuis l’Antiquité, puis aborde les principaux axes de recherche en robotique interactive. Au regard de la contextualité contemporaine sous le règne de la science et du néolibéralisme, et marquée par l’imaginaire de la science-fiction, des nouvelles technologies, et par l’héritage de la mort collective du 20e siècle ; sont examinésles fantasmes originaires et la dynamique pulsionnelle (concernant notamment l’emprise et la satisfaction, les interactions précoces, et la formation du double) à l’oeuvre dans l’avènement du robot humanoïde. En approchant ce que l’humain reproduit sciemment dans son double technologique, et tout ce qu’à son insu il y dépose, transparaît l’empreinte de la répétition et des tentatives de subjectivation de la place du sujet dans la filiation et du legs transgénérationnel en ce qu’il a d’irreprésentable ou de traumatique. Tenant de l’invention scientifique, du symptôme, de l’objet transitionnel et de l’oeuvre d’art, le robot humanoïde procède d’une double résistance, se traduisant en potentialités de répétition aliénante ou de subjectivation réparatrice, susceptibles de s’actualiser pendant la réalisation du robot ou dans l’interaction avec lui.

Yesterday a fiction, now a reality, the humanoid robot, an intelligent machine designed after the human model, embodies ancestral dreams, with the aim that the copy meets or exceeds its model and creator, or even makes a jump in evolution, beyond the difference between humans and machines and beyond death. This study addresses what underlies the realization of robots, the challenges they open up to, and what their characteristics may say about humans today.After examining the mythological and technical origins of the robot, it presents today’s key research topics in the field of human-robot interaction. With regards to the contemporary context dominated by science and neoliberalism, and marked by the imagination of science fiction and new technologies, as well as by the 20th century’s collective death inheritance,this work studies the original fantasies and the drive dynamics involved in the advent of the humanoid robot. The repetition compulsion and the human attempts to subjectify their position in the lineage and their transgenerational legacy in its unrepresentable or traumatic parts, show when approaching what humans deliberately reproduce in their artificial double,as well as what they deposit in it unknowingly. Though mainly a scientific invention and a technological tool, the humanoid robot may be regarded as a symptom, a transitional…

Advisors/Committee Members: Salignon, Bernard (thesis director).

▼ Les robots sont de plus en plus utilisés dans un cadre social. Il ne suffit plusde partager l’espace avec des humains, mais aussi d’interagir avec eux. Dansce cadre, il est attendu du robot qu’il comprenne un certain nombre de signauxambiguës, verbaux et visuels, nécessaires à une interaction humaine. En particulier, on peut extraire beaucoup d’information, à la fois sur l’état d’esprit despersonnes et sur la dynamique de groupe à l’œuvre, en connaissant qui ou quoichaque personne regarde. On parle de la Cible d’attention visuelle, désignéepar l’acronyme anglais VFOA. Dans cette thèse, nous nous intéressons auxdonnées perçues par un robot humanoı̈de qui participe activement à une in-teraction sociale, et à leur utilisation pour deviner ce que chaque personneregarde.D’une part, le robot doit “regarder les gens”, à savoir orienter sa tête(et donc la caméra) pour obtenir des images des personnes présentes. Nousprésentons une méthode originale d’apprentissage par renforcement pourcontrôler la direction du regard d’un robot. Cette méthode utilise des réseauxde neurones récurrents. Le robot s’entraı̂ne en autonomie à déplacer sa tête enfonction des données visuelles et auditives. Il atteint une stratégie efficace, quilui permet de cibler des groupes de personnes dans un environnement évolutif.D’autre part, les images du robot peuvent être utilisée pour estimer lesVFOAs au cours du temps. Pour chaque visage visible, nous calculons laposture 3D de la tête (position et orientation dans l’espace) car très fortementcorrélée avec la direction du regard. Nous l’utilisons dans deux applications.Premièrement, nous remarquons que les gens peuvent regarder des objets quine sont pas visible depuis le point de vue du robot. Sous l’hypothèse quelesdits objets soient regardés au moins une partie du temps, nous souhaitonsestimer leurs positions exclusivement à partir de la direction du regard despersonnes visibles. Nous utilisons une représentation sous forme de carte dechaleur. Nous avons élaboré et entraı̂né plusieurs réseaux de convolutions afinde d’estimer la régression entre une séquence de postures des têtes, et les posi-tions des objets. Dans un second temps, les positions des objets d’intérêt, pou-vant être ciblés, sont supposées connues. Nous présentons alors un modèleprobabiliste, suggéré par des résultats en psychophysique, afin de modéliserla relation entre les postures des têtes, les positions des objets, la directiondu regard et les VFOAs. La formulation utilise un modèle markovien à dy-namiques multiples. En appliquant une approches bayésienne, nous obtenonsun algorithme pour calculer les VFOAs au fur et à mesure, et une méthodepour estimer les paramètres du modèle.Nos contributions reposent sur la possibilité d’utiliser des données, afind’exploiter des approches d’apprentissage automatique. Toutes nos méthodessont validées sur des jeu de données disponibles publiquement. De plus, lagénération de scénarios synthétiques permet d’agrandir à volonté la quantitéde données disponibles; les méthodes pour simuler ces données sont… Advisors/Committee Members: Horaud, Radu (thesis director).

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Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la commande d'un robot manipulateur industriel, configuré pour une co-manipulation avec un opérateur humain, en vue de la manutention de charges lourdes. Dans un premier temps, nous avons présenté une vue d'ensemble des études qui ont été menées dans ce cadre. Ensuite, nous avons abordé la modélisation et l'identification des paramètres dynamiques du robot Denso VP-6242G. Nous avons utilisé le logiciel OpenSYMORO pour calculer son modèle dynamique. Après une présentation détaillée de la méthode d'identification des paramètres de robots manipulateurs, nous l'avons appliqué au cas de notre robot. Cela nous a permis d'obtenir un vecteur des paramètres qui garantit une matrice d'inertie définie positive pour n'importe quelle configuration articulaire du robot, tout en assurant une bonne qualité de reconstruction des couples pour des vitesses articulaires constantes, ou variables au cours du temps. Par la suite, nous avons détaillé les nouvelles fonctionnalités proposées pour le générateur de trajectoire en temps réel, sur lequel repose notre schéma de commande. Nous avons présenté une méthode d'estimation de la force de l'opérateur à partir des mesures de la force d'interaction entre le robot et l'opérateur, tout en tenant compte de la pénalisation de la force de l'opérateur afin d'avoir une image de cette dernière permettant de générer une trajectoire qui respecte les limites de l'espace de travail. Des tests du générateur de trajectoire simulant différents cas de figure possibles nous ont permis de vérifier l'efficacité des nouvelles fonctionnalités proposées. Le générateur permet de produire une trajectoire dans l'espace de travail tridimensionnel selon la direction de l'effort appliqué par l'opérateur, ce qui contribue à l'exigence de transparence recherchée en co-manipulation robotique. Dans la dernière partie, nous avons présenté et validé en simulation une commande en impédance dont les trajectoires de référence sont issues du générateur développé. Les résultats obtenus ont donné lieu à une bonne qualité de poursuite des trajectoires désirées. D'autre part, le respect des limites virtuelles de l'espace de travail a également été pris en compte. Cependant, les trajectoires articulaires correspondantes peuvent franchir les limites définies pour préserver l'intégrité du robot.

In this thesis, we were interested in the control of industrial manipulators in co-manipulation mode with a human operator for the handling of heavy loads. First, we have presented an overview of existing studies in this framework. Then, we have addressed the modeling and the identification of dynamic parameters for the Denso VP-6242G robot. We have used the OpenSYMORO software to calculate its dynamical model. After a detailed presentation of the method for identifying the robot's parameters, we have applied it to the case of our robot. This allowed us to obtain a vector of the parameters which guarantees a positive definite inertia matrix for any configuration of the robot, as well…

Advisors/Committee Members: Chitour, Yacine (thesis director).

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Des robots sociaux tels que Pepper sont déjà présents "dans la nature". Leur comportements sont adaptés à chaque cas d'usage par des experts. Permettre au grand public d'enseigner de nouveaux comportements pourrait mener à une meilleure adaptation à moindre coût. Dans cette thèse nous étudions un système cognitif et des comportements robotiques permettant à des utilisateurs de Pepper à domicile de composer de nouveaux comportements à partir de comportements existants, par le langage parlé. Les domiciles sont des mondes ouverts qui ne peuvent pas être prédéterminés. Pepper doit donc, en plus d'apprendre de nouveaux comportements, être capable de découvrir son environnement, et de s'y rendre utile ou de divertir : c'est un scénario riche. L'enseignement de comportements que nous démontrons s'effectue donc dans ces conditions uniques : par le seul langage parlé, dans des scénarios riches et ouverts, et sur un robot Pepper standard. Grâce à la transcription automatique de la parole et au traitement automatique du langage, notre système reconnaît les enseignements de comportement que nous n'avions pas prédéterminés. Les nouveaux comportements peuvent solliciter des entités qui auraient été appris dans d'autres contextes, pour les accepter et s'en servir comme paramètres. Par des expériences de complexité croissante, nous montrons que des conflits entre les comportements apparaissent dans les scénarios riches, et proposons de les résoudre à l'aide de planification de tâche et de règles de priorités. Nos résultats reposent sur des méthodes qualitatives et quantitatives et soulignent les limitations de notre solution, ainsi que les nouvelles applications qu'elle rend possible.

Social robots like Pepper are already found "in the wild". Their behaviors must be adapted for each use case by experts. Enabling the general public to teach new behaviors to robots may lead to better adaptation at lesser cost. In this thesis, we study a cognitive system and a set of robotic behaviors allowing home users of Pepper robots to teach new behaviors as a composition of existing behaviors, using solely the spoken language. Homes are open worlds and are unpredictable. In open scenarios, a home social robot should learn about its environment. The purpose of such a robot is not restricted to learning new behaviors or about the environment: it should provide entertainment or utility, and therefore support rich scenarios. We demonstrate the teaching of behaviors in these unique conditions: the teaching is achieved by the spoken language on Pepper robots deployed in homes, with no extra device and using its standard system, in a rich and open scenario. Using automatic speech transcription and natural language processing, our system recognizes unpredicted teachings of new behaviors, and a explicit requests to perform them. The new behaviors may invoke existing behaviors parametrized with objects learned in other contexts, and may be defined as parametric. Through experiments of growing complexity, we show conflicts between behaviors in rich…

Advisors/Committee Members: Chetouani, Mohamed (thesis director), Pandey, Amit kumar (thesis director).

▼ Le projet porte sur la communication homme-machine. Homme et machine sont pris comme deux espaces cognitifs distincts, naturel et artificiel. Quelle perception ont-ils l'un de l'aulre? Comment interagissent-ils? L'expression sonore constitue un point commun aux deux espèces. Cnidaria est une installation robotique interactive et immersive. Une communauté de robots occupent un territoire public. Le public peut interagir avec l'installation et entrer dans la représentation en usant d'un langage rudimentaire. Le spectacle se crée par la dynamique entre les interacteurs et un système informatique autonome et génératif

▼ Le projet porte sur la communication homme-machine. Homme et machine sont pris comme deux espaces cognitifs distincts, naturel et artificiel. Quelle perception ont-ils l'un de l'aulre? Comment interagissent-ils? L'expression sonore constitue un point commun aux deux espèces. Cnidaria est une installation robotique interactive et immersive. Une communauté de robots occupent un territoire public. Le public peut interagir avec l'installation et entrer dans la représentation en usant d'un langage rudimentaire. Le spectacle se crée par la dynamique entre les interacteurs et un système informatique autonome et génératif

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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…

Advisors/Committee Members: Gosselin, Clément.

▼ Ce mémoire présente le développement d’un algorithme de cinématique d’interaction dans un contexte de coopération humain-robot. Cet algorithme vise à faciliter le contrôle de bras robotiques en évitant les collisions, singularités et limites articulaires du robot lorsqu’il est contrôlé par un humain. La démarche adoptée pour l’ateinte de l’objectif est le prototypage d’un algorithme sur une structure robotique simple, la validation expérimentale de ce prototype, la généralisation de l’algorithme sur une base robotique à 6 degrés de liberté et la validation de l’algorithme final en le comparant expérimentalement avec un algorithme similaire. Premièrement, le prototype d’algorithme est développé sur un bras robotisé Jaco, de l’entreprise Kinova, duquel le poignet a été retiré. Cette architecture permet le déplacement de l’effecteur selon 3 degrés de liberté en translation. L’algorithme développé sur cette base robotique permet : — l’évitement des collisions avec les objets présents dans l’environnement de travail, — l’évitement des limitations articulaires — et l’évitement des singularités propres à l’architecture du robot. Les performances de l’algorithme sont ensuite validées lors d’expérimentations dans lesquelles il a été démontré que l’algorithme a permis une réduction d’approximativement 50% du temps de complétion d’une tâche donnée tout en réduisant l’attention que l’utilisateur doit porter sur le contrôle du robot comparativement à l’attention portée à l’accomplissement de la tâche demandée. Ensuite, des améliorations sont apportées à l’infrastructure : — une méthode de numérisation de l’environnement de travail est ajoutée, — un meilleur algorithme de détection de collisions et de mesure des distances minimales entre les membrures du robot et les obstacles présents dans l’environnement de travail est implémenté. De plus, une méthode de balayage de l’environnement de travail à l’aide d’une caméra Kinect ainsi qu’un algorithme de segmentation de nuage de points en polygones convexes sont présentés. Des tests effectués avec l’algorithme prototype ont été effectués et ont révélé que bien que des imperfections au niveau de la méthode de balayage existent, ces modifications de l’infrastructure peuvent améliorer la facilité avec laquelle l’algorithme de cinématique d’interaction peut être implémenté. Finalement, l’algorithme implémenté sur une architecture robotique à six degrés de liberté est présenté. Les modifications et les adaptations requises pour effectuer la transition avec la version initiale de l’algorithme sont précisées. Les expérimentations ont validé la performance de l’algorithme vis à vis un autre algorithme de contrôle pour l’évitement de collisions. Elles ont démontré une amélioration de 25% en terme de temps requis pour effectuer une tâche donnée comparé aux temps obtenus avec un algorithme de ressorts-amortisseurs virtuels. Advisors/Committee Members: Campeau-Lecours, Alexandre, Gosselin, Clément.

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Ce mémoire présente la conception d’un mécanisme parallèle passif élastique utilisé afin de contrôler un robot sériel à 5 degrés de liberté de façon sécuritaire et intuitive. Ce mémoire présente deux articles qui ont été écrits dans le cadre du projet et qui présentent dans un premier temps l’algorithme de contrôle sur lequel le concept est basé, et dans un deuxième temps le prototype du mécanisme passif servant à détecter les mouvements. L’algorithme de contrôle est inspiré par le concept de manipulateur macro/mini où l’utilisateur interagit avec un mécanisme passif à faible impédance afin de contrôler le mouvement d’un mécanisme actionné qui a une plus grande impédance. Le concept, déjà utilisé pour des manipulateurs de type portique, est étendu à un robot sériel à plusieurs degrés de liberté. L’algorithme utilise une mesure de déplacement du mini-manipulateur passif afin d’appliquer des couples aux moteurs du macromainpulateur actionné. Afin de détecter les déplacements, un capteur à 6 degrés de liberté est conçu. L’architecture du capteur, qui est basée sur la platforme de Gough-Stewart, consiste en un mécanisme parallèle assemblé sur une membrure du robot sériel. Des résultats expérimentaux sont présentés.

This thesis presents the design and experimental validation of a passive elastic parallel mechanism used to control intuitively and safely a five-degree-of-freedom serial robot. The thesis presents two articles which were written in the course of the project. The articles present, firstly, the control algorithm which is the basis of the concept, and secondly, the mechanical design of the passive mechanism. The algorithm is inspired from the macro/mini architecture where the human user interacts with a lowimpedance passive mechanism in order to control the motion of a larger actuated mechanism which has a higher impedance. This concept, used on gantry manipulators, is extended to a serial robot with multiple degrees of freedom. The algorithm uses a displacement measurement from the passive mechanism in order to compute and apply torques to the actuated mechanism. In order to measure the displacements, a passive six-degree-of-freedom mechanism is designed. The architecture of the sensor, based on the Gough-Stewart platform, is in fact a passive parallel mechanism mounted around the link of a serial robot. Experimental results are provided.

Advisors/Committee Members: Gosselin, Clément.

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Au cours des dernières années, nous avons assisté à un changement de paradigme, passant de la fabrication de robots rigides à des robots compliants. Ceci est dû à plusieurs raisons telles que l'amélioration de l'efficacité des robots dans la réalisation des mouvements explosifs ou cycliques. En fait, l'une des premières motivations à l'origine de ce changement est la sécurité. Parlant de la sécurité à la fois du sujet humain et du robot, tout en s'engageant dans des tâches collaboratives. Ainsi la désignation des cobots. Les cobots peuvent aider un opérateur humain expérimenté dans plusieurs domaines où la précision est essentielle, comme les applications industrielles ou les tâches médicales. Jusqu'à présent, les cobots présentent toujours des problèmes de sécurité, même avec des recommandations réglementaires telles que ISO / TS 15066 et ISO 10218-1 et 2 qui limitent leurs avantages économiques. Dans cette vue, plusieurs projets de recherche ont été lancés dans le monde entier pour améliorer la dynamique des cobots par rapport à la sécurité, ANR-SISCob (Safety Intelligent Sensor for cobots) étant l'un de ces projets. Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour but de concevoir des dispositifs de sécurité qui sécuriseront les robots en y introduisant l’aspect de compliance. En effet, nous avons développé deux dispositifs dans lesquels l'aspect sécurité est atteint avec deux approches différentes :- Prismatic Compliant Joint (PCJ) : qui vise à la mise en œuvre dans les articulations linéaires, car peu de travaux ont traité de tels systèmes d'actionnement. Ici, la sécurité est atteinte biomimétiquement tout en faisant face à d'autres critères de sécurité liés aux propriétés mécaniques du corps humain.- Variable Stiffness Safety Oriented Mechanism (V2SOM) : Contrairement au premier dispositif d'inspiration biomimétique qui sert aux systèmes d'actionnement linéaires, le profil de sécurité du V2SOM est axé sur la sécurité selon deux critères de sécurité: force d’impact et HIC. L'aspect ‘orienté sécurité’ est dû à ce que nous appelons la capacité de découplage d'inertie de son profil de rigidité. V2SOM est actuellement dans ses dernières étapes de brevetage.Ces deux appareils seront intégrés dans un robot sériel réalisé dans notre laboratoire.

In the recent years, we witnessed a paradigm shift from making stiff robots toward compliant ones. This is due to several reasons such as enhancing the efficiency of robots in making explosive or cyclic motion. In fact, one of the earliest motivations from which this change stems are safety. Speaking of safety of both the human subject and the robot alike, while engaging in a collaborative task. Thus, the designation of cobots. Cobots may assist well-experienced human operator in several domains where precision is a must, such as industrial applications or medical tasks. Until now cobots still display safety concerns, even with regulatory recommendations such as ISO/TS 15066 and ISO 10218-1 et 2 that limits their economic benefits. In this view, several research projects…

Advisors/Committee Members: Zeghloul, Saïd (thesis director), Laribi, Mohamed Amine (thesis director), Courrèges, Fabien (thesis director).

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Dans le but d’interagir avec des êtres humains, les robots doivent effectuer destâches de perception basique telles que la détection de visage, l’estimation dela pose des personnes ou la reconnaissance de la parole. Cependant, pour interagir naturellement, avec les hommes, le robot doit modéliser des conceptsde haut niveau tels que les tours de paroles dans un dialogue, le centre d’intérêtd’une conversion, ou les interactions entre les participants. Dans ce manuscrit,nous suivons une approche ascendante (dite “top-down”). D’une part, nousprésentons deux méthodes de haut niveau qui modélisent les comportementscollectifs. Ainsi, nous proposons un modèle capable de reconnatre les activitésqui sont effectuées par différents des groupes de personnes conjointement, telsque faire la queue, discuter. Notre approche gère le cas général où plusieursactivités peuvent se dérouler simultanément et en séquence. D’autre part,nous introduisons une nouvelle approche d’apprentissage par renforcement deréseau de neurones pour le contrôle de la direction du regard du robot. Notreapproche permet à un robot d’apprendre et d’adapter sa stratégie de contrôledu regard dans le contexte de l’interaction homme-robot. Le robot est ainsicapable d’apprendre à concentrer son attention sur des groupes de personnesen utilisant seulement ses propres expériences (sans supervision extérieur).Dans un deuxième temps, nous étudions en détail les approchesd’apprentissage profond pour les problèmes de régression. Les problèmesde régression sont cruciaux dans le contexte de l’interaction homme-robotafin d’obtenir des informations fiables sur les poses de la tête et du corpsdes personnes faisant face au robot. Par conséquent, ces contributions sontvraiment générales et peuvent être appliquées dans de nombreux contextesdifférents. Dans un premier temps, nous proposons de coupler un mélangegaussien de régressions inverses linéaires avec un réseau de neurones convolutionnels. Deuxièmement, nous introduisons un modèle de mélange gaussien-uniforme afin de rendre l’algorithme d’apprentissage plus robuste aux annotations bruitées. Enfin, nous effectuons une étude à grande échelle pour mesurerl’impact de plusieurs choix d’architecture et extraire des recommandationspratiques lors de l’utilisation d’approches d’apprentissage profond dans destâches de régression. Pour chacune de ces contributions, une intense validation expérimentale a été effectuée avec des expériences en temps réel sur lerobot NAO ou sur de larges et divers ensembles de données.

In order to interact with humans, robots need to perform basic perception taskssuch as face detection, human pose estimation or speech recognition. However, in order have a natural interaction with humans, the robot needs to modelhigh level concepts such as speech turns, focus of attention or interactions between participants in a conversation. In this manuscript, we follow a top-downapproach. On the one hand, we present two high-level methods that model collective human behaviors. We propose a model able to recognize…

Advisors/Committee Members: Horaud, Radu (thesis director).