Author: Jonathan Beaudoin (Auteur de Interfaces haptiques pour l'interaction physique humain-robot) Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 73
Book Description
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.
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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.
Author: Troy McDaniel Publisher: Springer Nature ISBN: 3030342301 Category : Computers Languages : en Pages : 298
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This book is the first resource to provide in-depth coverage on topical areas of assistive, rehabilitative, and health-related applications for haptic (touch-based) technologies. Application topics are grouped into thematic areas spanning haptic devices for sensory impairments, health and well-being, and physical impairments which are illustrated in this book. A diverse group of experts in the field were invited to contribute different chapters to provide complementary and multidisciplinary perspectives. Unlike other books on haptics, which focus on human haptic perception, specific modalities of haptics (e.g., realistic haptic rendering), or broadly cover the subfields of haptics, this book takes an application-oriented approach to present a tour of how the field of haptics has been advanced with respect to important, impactful thematic focuses. Under Theme 1 “Sensory Impairments”, haptics technologies to support individuals with sensory impairments is presented which includes: Spatial awareness in sensory impairments through touch; Haptically-assisted interfaces for persons with visual impairments; and Enabling learning experiences for visually impaired children by interaction design. Under Theme 2 “Haptics for Health and Well-Being”, haptics technologies aimed at supporting exercise and healthy aging will be covered including: Haptics in rehabilitation, exergames and health; Therapeutic haptics for mental health and well-being; and Applications of haptics in medicine. Under Theme 3 “Haptics for Physical Impairments”, haptics technologies for enhancing the quality of life for individuals with weakened/impaired limbs or neurological diseases impacting movement is targeted including: Assistive soft exoskeletons with pneumatic artificial muscles; Haptics for accessibility in rehabilitative hardware; and intelligent robotics and immersive displays for enhancing haptic interaction in physical rehabilitation environments. Engineers, scientists, and researchers working in the areas of haptics, multimedia, virtual/augmented/mixed-reality, human-computer interaction, assistive technologies, rehabilitative technologies, healthcare technologies, and/or actuator design will want to purchase this book. Advanced level students and hobbyists interested in haptics will also be interested in this book.
Author: Matjaž Mihelj Publisher: Springer Science & Business Media ISBN: 9400757182 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 217
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This book covers all topics relevant for the design of haptic interfaces and teleoperation systems. The book provides the basic knowledge required for understanding more complex approaches and more importantly it introduces all issues that must be considered for designing efficient and safe haptic interfaces. Topics covered in this book provide insight into all relevant components of a haptic system. The reader is guided from understanding the virtual reality concept to the final goal of being able to design haptic interfaces for specific tasks such as nanomanipulation. The introduction chapter positions the haptic interfaces within the virtual reality context. In order to design haptic interfaces that will comply with human capabilities at least basic understanding of human sensors-motor system is required. An overview of this topic is provided in the chapter related to human haptics. The book does not try to introduce the state-of-the-art haptic interface solutions because these tend to change quickly. Only a careful selection of different kinematic configurations is shown to introduce the reader into this field. Mathematical models of virtual environment, collision detection and force rendering topics are strongly interrelated and are described in the next two chapters. The interaction with the virtual environment is simulated with a haptic interface. Impedance and admittance based approaches to haptic robot control are presented. Stability issues of haptic interaction are analyzed in details and solutions are proposed for guaranteeing stable and safe operation. Finally, haptic interaction is extended to teleoperation systems. Virtual fixtures which improve the teleoperation and human-robot cooperation in complex environments are covered next and the last chapter presents nanomanipulation as one specific example of teleoperation.
Author: Mohamed Amir Sassi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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Depuis quelques décennies, nous témoignons une progression significative des systèmes interactifs tels que les robots agissant en coopération avec l'humain. Ces derniers ont fait leurs preuves dans l'amélioration de la compétitivité des industries. Ceci est rendu possible grâce à leur potentiel à augmenter les performances humaines et à favoriser une plus grande flexibilité tout en laissant le processus décisionnel à l'opérateur. Une telle amélioration est obtenue grâce à une synergie efficace entre l'intelligence des humains, leurs connaissances, leurs dextérités et la force des robots industriels, leurs endurances et leurs précisions. En outre, l'interactivité robotique permet d'assister les humains dans des tâches dangereuses et difficiles. De plus, elle permet d'améliorer et d'éviter les postures inadéquates, pouvant provoquer des douleurs musculo-squelettiques, grâce à un ordonnancement optimal des activités de production et de fabrication. Ainsi, ces deux avantages pourraient réduire le développement des troubles musculo-squelettiques (TMS). D'ailleurs, l'utilisation d'un robot dans une cellule de travail hybride, dans le but de remplacer une tâche répétitive caractérisée par une posture contraignante, pourrait avoir l'avantage de réduire le développement des TMS grâce à un partage adapté des activités de production. Par conséquent, les travaux de ce projet de recherche sont encadrés par une grande problématique qui est la réduction des TMS, dus à des postures contraignantes, grâce à un robot interactif. En effet, les symptômes dus aux TMS constituent, aujourd'hui, l'une des questions les plus préoccupantes en santé et en sécurité au travail du fait de leur forte prévalence et de leurs conséquences tant sur la santé des individus que sur le fonctionnement des entreprises. D'ailleurs, d'après les statistiques, près de 15 % de l'ensemble des travailleurs actifs, au Québec, ont un TMS de longue durée. Toutefois, l'ajout d'un robot possède ses défis : une mauvaise Interaction physique Humain-Robot (IpHR), via un contact direct entre le robot et l'humain à travers un système de captation (par exemple une poignée instrumentée d'un capteur d'efforts à six degrés de liberté), peut générer des vibrations qui demeurent une source d'inconfort pour les opérateurs. En effet, une augmentation de la rigidité structurelle du bras humain peut occasionner un mouvement vibratoire du robot expliqué par le déplacement des pôles (c.-àd. de la dynamique dominante) près de l'axe imaginaire. Ce projet de recherche comporte deux parties. La première traite de deux approches visant à satisfaire une interaction humain-robot plus intuitive et plus sécuritaire tout en détectant et en minimisant les vibrations mécaniques qui pourraient être générées lors d'une telle interaction. La première approche consiste à détecter et à minimiser les vibrations par un observateur de vibrations de type analyse statistique. Cette dernière a été réalisée avec un signal électrique prélevé par le biais de deux capteurs de force et de vitesse qui sont localisés sur un mécanisme robotique à un degré de liberté lors d'une IpHR dans un contexte réel. La deuxième approche, quant à elle, consiste à concevoir et à développer un second observateur de vibrations actif de type réseau de neurones artificiels dans le but de détecter et de minimiser, en temps réel, les vibrations lors d'une IpHR. Ces algorithmes seront optimisés et comparés pour des fins de mise en oeuvre pratique. La deuxième partie de ce projet de recherche traite d'une mise en oeuvre d'une commande d'un mécanisme robotique à quatre degrés de liberté avec un système haptique virtuel, composé de deux objets virtuels interfacés par la réalité augmentée (RA) grâce aux lunettes Epson Moverio BT-200. Ce système vise à assister et à faciliter les tâches d'assemblages en industrie, surtout dans le cas de la présence d'un obstacle situé dans le champ visuel entre l'opérateur et les pièces à assembler. L'interaction avec ce système virtuel a été introduite, dans un premier temps, par le biais d'un dispositif haptique (le PHANToM Omni) dans le but de tester la plateforme d'assemblage en réalité augmentée. Dans les travaux futurs, le PHANToM Omni sera remplacé par un mécanisme parallèle entraîné par des câbles afin de simuler différents types de robot industriel. Dans cette recherche, le PHANToM permettra de télé-opérer l'effecteur d'un robot industriel simulé dans Robotic Operating System (ROS).
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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 de trajectoire pour des interactions unilatérales et bilatérales. Le deuxième robot collaboratif développé est un manipulateur partiellement actif et partiellement passif. L'architecture mécanique du robot est appelée macro-mini. Tous les degrés de liberté actionnés faisant partie du macro manipulateur sont doublés par les articulations passives du mini manipulateur. Le robot est alors sous-actionné. L'opérateur humain interagit uniquement avec le mini manipulateur, et donc, avec les articulations passives ce qui élimine tous délais dans la dynamique d'interaction. Ce robot collaboratif permet de dénir une loi de commande qui génère une très faible impédance lors des interactions de l'opérateur, et ce, même pour des charges utiles élevées. Malgré que des amplications de force ne peuvent être produites, les interactions bilatérales ont une stabilité assurée peu importe la situation. Aussi, les modes coopératif et autonome du robot utilisent les mêmes valeurs de paramètres de commande ce qui permet une transition imperceptible d'un à l'autre. La nouvelle loi de commande est comparée sur plusieurs aspects avec la commande en admittance variable précé- demment développée. Les résultats démontrent que cette nouvelle loi de commande combinée à l'architecture active-passive du macro-mini manipulateur, appelé uMan, permet des interactions intuitives et sécuritaires bien supérieures à ce qu'un système entièrement actionné peut générer. De plus, pour l'assistance autonome, une détection de collision avancée et une plani cation de trajectoire adaptée à l'architecture du robot sont développées. Des validations expérimentales sont présentées an d'évaluer la facilité à produire des manipulations nes, de démontrer la sécurité du système et d'établir la viabilité du concept en industrie.
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Les interfaces haptiques ne disposent souvent que d'un espace de travail limité, et doivent alors ètre associées à des techniques d'interaction adaptées pour les rendre exploitables dans des Environnements Virtuels à Echelle Humaine (EVEH). De nombreuses techniques de manipulation d'objets dans de tels environnements introduisent un Control/Display ratio différent de 1. Nous commençons donc par montrer que ceci peut altérer la perception haptique de la masse des objets virtuels manipulés. Nous proposons alors un nouveau paradigme d'interaction en EVEH, le Contrôle Hybride Haptique. Celui-ci utilise le retour d'effort de l'interface haptique pour simuler une interface élastique. Sur la base de ce paradigme, deux nouvelles techniques d'interaction sont présentées et évaluées: la Bubble Technique pour la manipulation d'objets en translation, et les Rotations Hybrides Haptiques pour le contrôle en rotation.
Author: Pierre Rouanet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Cette thèse s'intéresse au rôle de l'interface dans l'interaction humain-robot pour l'apprentissage. Elle étudie comment une interface bien conçue peut aider les utilisateurs non-experts à guider l'apprentissage social d'un robot, notamment en facilitant les situations d'attention partagée. Nous étudierons comment l'interface peut rendre l'interaction plus robuste, plus intuitive, mais aussi peut pousser les humains à fournir les bons exemples d'apprentissage qui amélioreront les performances de l'ensemble du système. Nous examinerons cette question dans le cadre de la robotique personnelle où l'apprentissage social peut jouer un rôle clé dans la découverte et l'adaptation d'un robot à son environnement immédiat. Nous avons choisi d'étudier le rôle de l'interface sur une instance particulière d'apprentissage social : l'apprentissage conjoint d'objets visuels et de mots nouveaux par un robot en interaction avec un humain non-expert. Ce défi représente en effet un levier important du développement de la robotique personnelle, l'acquisition du langage chez les robots et la communication entre un humain et un robot. Nous avons particulièrement étudié les défis d'interaction tels que le pointage et l'attention partagée.Nous présenterons au chapitre 1 une description de notre contexte applicatif : la robotique personnelle. Nous décrirons ensuite au chapitre 2 les problématiques liées au développement de robots sociaux et aux interactions avec l'homme. Enfin, au chapitre 3 nous présenterons la question de l'interface dans l'acquisition des premiers mots du langage chez les robots. La démarche centrée utilisateur suivie tout au long du travail de cette thèse sera décrite au chapitre 4. Dans les chapitres suivants, nous présenterons les différentes contributions de cette thèse. Au chapitre 5, nous montrerons comment des interfaces basées sur des objets médiateurs peuvent permettre de guider un robot dans un environnement du quotidien encombré. Au chapitre 6, nous présenterons un système complet basé sur des interfaces humain-robot, des algorithmes de perception visuelle et des mécanismes d'apprentissage, afin d'étudier l'impact des interfaces sur la qualité des exemples d'apprentissage d'objets visuels collectés. Une évaluation à grande échelle de ces interfaces, conçue sous forme de jeu robotique afin de reproduire des conditions réalistes d'utilisation hors-laboratoire, sera décrite au chapitre 7. Au chapitre 8, nous présenterons une extension de ce système permettant la collecte semi-automatique d'exemples d'apprentissage d'objets visuels. Nous étudierons ensuite la question de l'acquisition conjointe de mots vocaux nouveaux associés aux objets visuels dans le chapitre 9. Nous montrerons comment l'interface peut permettre d'améliorer les performances du système de reconnaissance vocale, et de faire directement catégoriser les exemples d'apprentissage à l'utilisateur à travers des interactions simples et transparentes. Enfin, les limites et extensions possibles de ces contributions seront présentées au chapitre 10.
Author: Jonathan Beaudoin (Auteur de Interfaces haptiques pour l'interaction physique humain-robot)
Author: Alexandre Campeau-Lecours
Author: Troy McDaniel
Author: Matjaž Mihelj
Author: Nicolo Pedemonte
Author: Mohamed Amir Sassi
Author: Pascal Labrecque
Author: Lionel Dominjon
Author: Carine Rognon
Author: Pierre Rouanet