Analyse, commande et intégration d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles pour la réalisation d'une interface haptique comme métaphore de navigation dans un environnement virtuel PDF Download
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Author: Martin Otis Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 474
Book Description
Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI (Cable Driven Locomotion Interface), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.
Author: Martin Otis Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 474
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Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI (Cable Driven Locomotion Interface), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.
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Les robots parallèles à câbles sont de plus en plus utilisés et étudiés, particulièrement dans le domaine de la recherche. Une des applications d'intérêts est leur usage en tant qu'interface haptique. Leur grand espace de travail et leur faible inertie en font de bons candidats pour en faire des interfaces de taille humaine. Une des applications intéressantes serait d'utiliser ce type d'interfaces dans le domaine de la santé, plus spécifiquement en réadaptation physique. Comme ces interfaces sont capables de reproduire des efforts à l'utilisateur, celles-ci peuvent être utilisées pour faire travailler les muscles. C'est dans cette optique que les recherches rapportées dans cette thèse ont été accomplies. Cette thèse présente donc premièrement des avancées plus générales aux mécanismes parallèles à câbles permettant leur utilisation en tant qu'interface haptique, pour ensuite se spécialiser dans la création d'un prototype d'interface haptique entraîné par câble combiné à un retour visuel immersif comme un casque de réalité virtuelle par exemple. La thèse se termine avec l'évaluation préliminaire du prototype développé qui est installé dans un centre de recherche en réadaptation physique et qui, dans un avenir rapproché, pourra servir à l'avancement de la recherche dans le domaine de la réadaptation physique.
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Une interface haptique est développée pour fournir le retour d'effort d'interaction dans un environnement virtuel à échelle humaine. L'interface est composée d'une plate-forme à câbles et d'un exosquelette de préhension. La plate-forme comprend 8 câbles qui sont actionnés par 8 blocs d'actionnement. Chaque bloc contient un moteur électrique, un encodeur rotatif et un capteur de force. Le moteur tire sur le câble, pendant que le capteur de force mesure la tension du câble et l'encodeur détermine sa longueur. Les blocs d'actionnement sont d'une conception novatrice qui augmente la force maximale et la précision de l'interface. L'exosquelette est connecté et actionné par les câbles et permet aux 5 doigts d'une main de l'utilisateur d'accomplir le geste de préhension. L'interface fournit au total 7 degrés d'action pour l'utilisateur en interaction avec les objets virtuels : 3 degrés de translation, 3 degrés de rotation et 1 degré de préhension. L'interface à retour d'effort a été modélisée pour déterminer précisément la distribution des tensions dans les câbles en fonctions des forces et des couples désirés. Les blocs d'actionnement peuvent se déplacer sur un cadre cubique autour de l'environnement virtuel. Une configuration optimale est alors trouvée pour les positions des blocs afin de maximiser l'espace de travail de l'interface. Une méthode de commande hybride basée sur les tensions des câbles, mesurées par les capteurs, est également proposée. Cette méthode mène à résoudre les problèmes classiques des interfaces à câbles. L'application considérée pour cette interface est l'interaction haptique avec l'espace intérieur simulé d'une automobile. Une scène virtuelle correspondante à cette application a été développée et l'interface a été testée dans différents cas de retour d'effort. Les résultats des tests démontrent la performance de l'interface pour fournir des efforts appropriés avec une transparence de mouvement pour l'utilisateur.
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Depuis l'introduction des premiers robots interactifs en industrie, qui étaient à la base des systèmes collaboratifs supposés assister les humains dans les tâches pénibles et éprouvantes physiquement, le domaine de l'interaction humain-robot a fait des progrès considérables. Actuellement, les robots et les humains peuvent coexister conjointement dans un espace hybride afin de partager des tâches de production ou de partager le temps dans l'exécution d'une activité. Cependant, les nouveaux besoins industriels doivent conduire à des recherches pour adapter les chaînes de production et les rendre plus flexible et réactive à la modification des caractéristiques des produits. L'une des solutions consiste à adapter le manipulateur industriel présent dans les lignes de production à des fins d'interaction et de collaboration. Toutefois, la présence de l'humain dans l'espace de travail d'un manipulateur (cellule de travail hybride) représente un réel défi dans le domaine de l'interaction humain-robot puisque cela consiste à l'intégration d'une multitude de variétés de capteurs dits intelligents, surtout dans le cas de l'utilisation d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles. Pour cette raison, plusieurs problématiques ont été soulevées, pour lesquelles peu ou pas de recherches sont réalisées : cette nouvelle technologie est introduite sans entraînement de l'opérateur, l'évaluation de la sécurité a été très peu explorée lors de l'interaction et la performance de son utilisation demeure peu évaluée dans un contexte de réduction des troubles musculosquelettiques (TMS). Le projet de recherche vise l'étude et la conception d'un système interactif permettant d'améliorer la sécurité et l'intuitivité des personnes qui interagissent avec des mécanismes parallèles entraînés par des câbles. Deux modes d'interaction sont étudiés dans le système interactif, à savoir le partage des activités et l'interaction physique. En premier lieu, une méthode de génération de trajectoires avec évitement de collisions appliquée pour le mode de partage des activités est proposée. L'effecteur du manipulateur suit un chemin dans l'espace opérationnel à travers des points de passage. Ces derniers sont générés par un réseau de neurones rétropropagation (Back-propagation), et sont reliés par un polynôme quintique (de degré cinq). En outre, la géométrie déformable de l'obstacle et l'environnement dynamique sont pris en compte dans la méthode. En second lieu, une approche est abordée pour déterminer la distance minimale entre les câbles et identifier ceux qui sont en interférence. Le calcul de distance est exécuté en temps réel à travers un algorithme. En outre, les contraintes physiques des câbles ont été prises en compte dans la modélisation mathématique et formulées en un problème d'optimisation non linéaire. Ce dernier est résolu en utilisant l'approche de Karush-Kuhn-Tucker (KKT). Cette méthode de calcul de distance est intégrée à une loi de commande interactive permettant de gérer les câbles en interférence pendant l'interaction physique avec le mécanisme. Une force est calculée et introduite dans la boucle de la commande afin d'éviter le croisement et le relâchement des câbles en interférence. Par ce fait, la tâche est exécutée jusqu'aux limites des possibilités géométriques et cinématiques du mécanisme. Par ailleurs, cette stratégie est basée sur une commande en admittance pour permettre l'interaction physiquement avec un mécanisme parallèle entrainé par des câbles. Un algorithme permettant de sélectionner entre ces deux modes est proposé. Cette approche inclut un vêtement intelligent pour le changement de mode de manière intuitive simple et rapide. L'algorithme est exécuté en temps réel et basé sur une identification de gestes utilisant un polynôme d'interpolation trigonométrique. Les signaux analysés proviennent d'une semelle instrumentée qui est située au niveau du pied. Enfin, les différents algorithmes et stratégies sont validés en simulations et à travers des expérimentations sur un mécanisme parallèle entrainé par sept câbles. Ce projet de thèse apporte plusieurs contributions dans le domaine de l'interaction humain-robot notamment la capacité d'adaptation du système interactif pour des tâches industrielles. Since the introduction of the first interactive robots in industry, which was the collaborative robots (labelled as COBOT), the field of human robot interaction has made considerable progress. In its early version, those robots were used to increase muscle strength of the operator for moving heavy loads. Recently, robots and humans can share the same workspace, production activities or working time. However, new needs in industry require more flexibility and reactivity supporting fast changes in product characteristics. One solution consists in the adaptation of an industrial robot, that is already installed in the production line, for interaction and collaboration purposes such as kinetic learning assembly task, and adaptive third hand. However, the presence of the human in the manipulators' workspace (hybrid work cell) represents a real challenge in the field of human-robot interaction. It consists in the integration of an intelligent sensor varieties, especially when the cables driven parallel mechanisms (CDPM) are used for an interaction task. For these reasons, several issues have been raised, for which few or no research has been done yet. This new technology is introduced without any operators training and the safety assessment has been very little explored during the interaction. Moreover, the performance of its use remains poorly evaluated in a context of reduction of musculoskeletal disorders (MSDs). The research project aims to study and design an interactive system in order to improve the safety and the intuitivity when the humans interact with cables driven parallel mechanisms. Two modes of cooperation are studied in the interactive system, namely the sharing of activities and the physical interaction. First, a trajectory generating method for an industrial manipulator in a shared workspace is proposed. A neural network using a supervised learning is applied to create the waypoints required for dynamic obstacles avoidance. These points are linked with a quintic polynomial function for smooth motion which is optimized using least-square to compute an optimal trajectory. Moreover, the evaluation of human motion forms has been taken into consideration in the proposed strategy. Second, a mathematical approach is presented to determine the minimum distance between cables and to identify which ones are interfering. To execute this approach in real time, an algorithm is also presented for calculating this distance. Furthermore, the physical constraints of the cables have been considered in mathematical modeling and formulated into a nonlinear optimization problem. The latter is solved using the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) approach. This method of distance calculation is integrated with a new interactive control that eliminates the computation of the effect of a folding interfered cable. A control strategy is proposed, which allows to manage the cables in interference while the operator physically interacts with the mechanism. A repulsive force is generated and introduced to the controller to avoid the cables crossing and folding. Therefore, the task is executed within the limits of the kinematic possibilities. Moreover, this strategy is based on an admittance control for physically interacting with a CDPM. In order to allow a change of intuitive interaction mode, an algorithm for selecting between these two modes is proposed. This approach includes an instrumented insole placed into a shoe for intuitive mode change quick and easy. The algorithm is executed in real time and based on a gesture identification using a trigonometric interpolation polynomial. Finally, theses different strategies and algorithms are validated in simulations and through experiments on a parallel mechanism driven by seven cables.
Author: Jonathan Beaudoin (Auteur de Interfaces haptiques pour l'interaction physique humain-robot) Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 73
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Cette thèse présente la conception d'une interface haptique capable de rendre l'interaction physique humain-robot naturelle et intuitive. Il s'agit là d'un sujet d'étude très important avec l'avènement de la robotique collaborative et la présence toujours accrue des robots dans la vie de tous les jours. Les travaux présentés se concentrent sur l'approche macro-mini à titre d'interface haptique, plus particulièrement trois aspects importants lors de la conception d'un système macro-mini. Le premier chapitre permet d'apprendre à parler physiquement au robot (lui faire comprendre les intentions de l'humain) dans un contexte de déplacement collaboratif. Plus particulièrement, il consiste à comparer différentes méthodes pour traduire les déplacements (ou les intentions) de l'humain à un robot. Dans ce cas, des coquilles à faible impédance sont attachées sur les membrures d'un manipulateur sériel. L'humain interagit avec le robot en déplaçant ces coquilles. La réponse du robot est alors de se déplacer de façon à ce que ses membrures suivent les déplacements de la coquille qui leur est associée pour ainsi les conserver dans leur configuration neutre. Le déplacement d'une coquille par rapport à sa membrure est considéré comme une vitesse désirée de ladite membrure. Il s'agit donc de résoudre le problème cinématique inverse pour traduire le déplacement de la coquille en déplacement articulaire. Cependant, différentes stratégies peuvent être employées pour résoudre ce problème. Ce projet vise donc à comparer l'efficacité de ces méthodes. Pour y parvenir, une étude générale de ces méthodes est réalisée. Puis, un formalisme mathématique est décrit pour adapter ces méthodes à l'application présente. En effet, en fonction du type de coquille et de la membrure, tous les degrés de liberté ne sont pas nécessairement possibles. Ce formalisme mathématique permet de tenir compte de ces contraintes. Ensuite, des simulations sont réalisées pour observer le comportement des méthodes étudiées et un indice de performance est choisi pour les comparer. Ensuite, une fois que le robot est en mesure de comprendre efficacement les intentions humaines, le problème de conception consiste à déterminer comment détecter ses intentions à l'aide d'une interface et surtout, la taille que cette interface doit prendre pour bien parler. En d'autres mots, le second chapitre présente une analyse de l'impact du débattement d'un mécanisme mini actif sur la bande passante mécanique de mouvements possibles lors de la manipulation de charges lourdes. En effet, l'approche macro-mini utilise généralement un robot mini passif, ce qui fait que l'utilisateur ressent toute l'inertie de la charge. Lorsque la charge devient suffisamment lourde, il est nécessaire pour le mini d'appuyer l'utilisateur en fournissant une force pour conserver l'interaction naturelle. Ceci signifie que le mini doit être actionné, i.e., actif. Il est cependant important que le mini reste rétrocommandable pour le bon fonctionnement de l'approche macro-mini. Des modèles mathématiques du système sont donc présentés. Les contraintes relatives à l'application sont décrites ainsi que leur impact sur la bande passante. À l'aide d'un contrôleur simple, des simulations sont réalisées à l'aide des outils développés pour déterminer le débattement nécessaire du mini actif qui permet la bande passante désirée. Enfin, une interface haptique capable de reproduire une poignée de main naturelle et intuitive avec un robot est présentée. Ce chapitre peut être divisé en deux aspects, i.e., la main et le bras. Ici, la main est le robot mini et le bras, le robot macro. D'abord, un prototype de main robotique est conçu et fabriqué. Inspirée de l'anatomie humaine, cette main robotique possède une paume comprimable capable d'émuler celle de l'humain ainsi que trois doigts sous-actionnés. Un pouce passif, relié au niveau de compression de la paume, complète le tout. Le contrôle de la main se fait via une position avec rétroaction, et ce, pour chacun des deux actionneurs (un pour la paume, l'autre pour les trois doigts). Ensuite, la main robotique est montée sur un manipulateur sériel collaboratif (le Kuka LWR), le bras. Ce dernier est contrôlé en impédance autour d'une trajectoire harmonique dans un plan vertical. En fonction des paramètres de la trajectoire (amplitude, fréquence, coefficients d'amortissement et de raideur), ce prototype permet de conférer une personnalité active au robot. L'expérimentation faite auprès de sujets humains permet de déterminer les valeurs considérées plus naturelles pour les différents paramètres de la trajectoire ainsi que diverses pistes à explorer pour des travaux futurs.
Author: Simon Denny Publisher: ISBN: 9788867490714 Category : Art Languages : en Pages : 0
Book Description
"Simon Denny's new body of work for Portikus ranks among the most ambitious the artist has developed to date. Over the period of one year, the artist researched and developed an intricate project that has grown to considerable dimensions -- both physically and in terms of its critical content. For two months, the monumental gallery space is turned into an homage to technology, communication, and the relentless need for innovation. Simon Denny has produced an embracing and multi-faceted installation that functions as a documentary of the South Korean technology giant Samsung and its global success story. The exhibition's title, "New Management", refers to the legendary management philosophy that Lee Kun-hee, Chairman of the Samsung Group, infamously introduced in the early nineties."--Publisher's website.
Author: A C Ehresmann Publisher: Elsevier ISBN: 0080555411 Category : Psychology Languages : en Pages : 403
Book Description
Memory Evolutive Systems; Hierarchy, Emergence, Cognition provides comprehensive and comprehensible coverage of Memory Evolutive Systems (MEM). Written by the developers of the MEM, the book proposes a mathematical model for autonomous evolutionary systems based on the Category Theory of mathematics. It describes a framework to study and possibly simulate the structure of living systems and their dynamic behavior. This book contributes to understanding the multidisciplinary interfaces between mathematics, cognition, consciousness, biology and the study of complexity. It is organized into three parts. Part A deals with hierarchy and emergence and covers such topics as net of interactions and categories; the binding problem; and complexifications and emergence. Part B is about MEM while Part C discusses MEM applications to cognition and consciousness. The book explores the characteristics of a complex evolutionary system, its differences from inanimate physical systems, and its functioning and evolution in time, from its birth to its death. This book is an ideal reference for researchers, teachers and students in pure mathematics, computer science, cognitive science, study of complexity and systems theory, Category Theory, biological systems theory, and consciousness theory. It would also be of interest to both individuals and institutional libraries. Comprehensive and comprehensible coverage of Memory Evolutive System Written by the developers of the Memory Evolutive Systems Designed to explore the common language between sciences
Author: Frank Popper Publisher: ISBN: Category : Art Languages : en Pages : 482
Book Description
Frank Popper traces the development of immersive, interactive new media art from its antecedents through today's digital, multimedia, & networked art.
Author: Martin Otis
Author: Martin Otis
Author: Alexis Fortin-Côté
Author: Rasul Fesharakifard
Author: Régis Poulin
Author: Ramy Meziane
Author: Jonathan Beaudoin (Auteur de Interfaces haptiques pour l'interaction physique humain-robot)
Author: Simon Denny
Author: A C Ehresmann
Author: Frank Popper
Author: Catherine Malabou