Ce travail de thèse a eu pour objectif de définir et mettre en oeuvre l'architecture décisionnelle d'un robot réalisant une tâche en collaboration avec un homme pour atteindre un but commun. Un ...certain nombre de fonctionnalités existaient déjà ou ont été développées conjointement avec ce travail au sein de l'équipe. Ce travail a d'abord consisté en l'étude puis à la formalisation des différentes capacités nécessaires. Il s'est traduit concrètement par l'approfondissement de certains des modules fonctionnels existants par l'auteur ou par d'autres membres de l'équipe en lien étroit avec l'auteur. La première contribution principale de l'auteur a consisté à développer une couche de contrôle de haut niveau qui a permis l'intégration et la mise en oeuvre des différentes capacités du robot découpée en 3 activités : la construction et la mise à jour de l'état du monde ; la gestion des buts et des plans de haut niveau ; l'exécution et le suivi des mouvements de manipulation. La deuxième contribution principale a consisté à améliorer les raisonnements géométriques et temporels pour d'abord permettre au robot de mieux suivre l'évolution de l'état du monde puis lui donner la capacité à inférer quand l'homme a des croyances distinctes de celles du robot.
Goal of this thesis was to formalize and to implement a decisional layer for a robot achieving tasks collaboratively with a human to achieve a shared goal. Some functionalities were already there or were built during my own thesis by other inside the team. My first task was to study and formalize the skills needed by the robot. Consequently some of the existing functional modules were improved by some other members of the team or myself. My first main contribution was to develop a new high level control component to integrate and manage the different robot skills according to 3 main activities : state of the world build and update; goals and plans management; manipulation motions execution and monitoring. My second main contribution was to improve geometric and temporal reasoning skills so that first, the robot could better understand and track changes in the world and second, infer when the human had some beliefs about the world that were distinct from its own beliefs.
En 2006, l'Institut national du cancer a lancé un appel d'offres portant sur la radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Trois sites (Lille, Nancy et Nice) ont été sélectionnés pour implanter et ...évaluer un robot de radiothérapie, le CyberKnife
®. Cette machine capable de suivre des tumeurs mobiles en temps réel ouvre de nouvelles perspectives dans le champ de la radiothérapie stéréotaxique, notamment dans sa composante extracrânienne. Les fonctionnalités de cet équipement et le coût de sa mise en œuvre vont être évalués sur une période de deux ans sur les trois sites considérés.
In 2006, 3 sites have been selected by the Institut national of cancer (Lille, Nancy et Nice) to evaluate a radiotherapy robot, the CyberKnife
®. This machine, able to track mobile tumours in real time, gives new possibilities in the field of extra cranial stereotactic radiotherapy. Functionalities and medico economical issues of the machine will be evaluated during 2 years on the 3 sites.
Les endoprothèses sont devenues une solution thérapeutique de choix pour les anévrismes aortiques. Même si leur bénéfice à long terme face à la chirurgie ouverte reste incertain, elles permettent de ...réduire la mortalité et les complications postopératoires précoces. Elles sont toutefois soumises à un certain nombre de contraintes anatomiques. Il y a encore quinze ans, elles étaient contre-indiquées dans le traitement des anévrismes débutant au niveau ou au-dessus des artères rénales, à savoir les anévrismes juxta et suprarénaux (AJSR) et les anévrismes thoraco-abdominaux (ATA). Le développement d'endoprothèses fenêtrées et/ou branchées (EPFB) a permis de proposer une solution endovasculaire à ces patients. Il s'agit d'endoprothèses munies d'orifices ou de branches latérales destinées à maintenir la perfusion des artères rénales et viscérales. Plusieurs études rétrospectives ont rapporté des résultats encourageants à court et moyen terme. Il s'agit néanmoins de techniques complexes, exposées à la survenue de problèmes techniques au niveau des artères cibles (rénales et viscérales) et des voies d'accès fémorales. Les résultats des EPFB nous semblent améliorables par une optimisation de la sélection des patients, par des innovations techniques apportées aux dispositifs implantables, ainsi que l'amélioration des techniques d'imagerie et de navigation endovasculaire. En raisons des délais de fabrication (> 6 semaines), les patients nécessitant un traitement rapide (anévrismes douloureux ou volumineux) échappent par ailleurs aux EPFB manufacturées.Les objectifs de cette thèse étaient: (1) d'évaluer dans notre expérience la fréquence et la nature des problèmes techniques peropératoires, et d'analyser leur impact sur les suites cliniques immédiates; (2) d'évaluer la faisabilité et les performances sur modèle in vitro de la navigation endovasculaire utilisant un système de navigation électromagnétique (StealthStation®, Medtronic); (3) d'évaluer la faisabilité et la sureté de la navigation robotique au cours de la mise en place d'une EPFB; (4) d'analyser les résultats à court terme des endoprothèses avec fenêtres créées à façon par le chirurgien pour des patients porteurs d'anévrismes complexes nécessitant un traitement rapide.Au cours de ce travail, nous avons tout d'abord montré qu'en début d'expérience (113 premiers patients), les problèmes techniques peropératoires n'étaient pas rares (30 % des patients) et que ceux-ci aboutissaient dans plus de la moitié des cas à des complications postopératoires. Ces problèmes techniques sont certes en partie évitables par l'amélioration de la sélection des patients et l'expertise de l'équipe soignante, mais nous pensons que le développement de nouveaux outils d'imagerie et de navigation pourrait également jouer un rôle clé. C'est sur ce dernier point que nous avons accentué nos recherches. Bien qu'une amélioration des performances techniques de la navigation électromagnétique soit nécessaire, nous avons pu montrer qu'elle permettait de fournir des informations complémentaires à la fluoroscopie, notamment lors des étapes de déploiement de l'endoprothèse et de cathétérisme des artères cibles. Plus que concurrente de la fluoroscopie, elle pourrait être utilisée de façon combinée dans le but de diminuer l'irradiation par les rayons X et d'améliorer les performances de la navigation. Nous avons également pu montrer les bénéfices potentiels de la navigation robotique lors de la mise en place d'endoprothèses branchées et ses limites actuelles pour assister de façon efficace les procédures fenêtrées. Enfin, dans une série limitée (n=11) de patients porteurs d'ATA, nous avons montré que l'utilisation d'endoprothèses avec fenêtres créées à façon par le chirurgien était à même de fournir des résultats précoces comparables (mortalité hospitalière : 9%, ischémie médullaire : 9%) à ceux des EPFB, et constituait une solution à considérer pour les patients nécessitant un traitement rapide.
Aortic stent grafts have gained widespread acceptance for the treatment of aortic aneurysms. When compared with open repair, they have been shown to reduce significantly postoperative mortality and complication rates. However, these benefits remain uncertain in the long-term and aortic stent grafts are still limited by anatomic restrictions. Fifteen years ago, patients with complex aneurysms such as juxtarenal, suprarenal and thoracoabdominal aneurysms were not eligible for endovascular repair. With the development of fenestrated and branched stent grafts (FBSG), it is now possible to offer an endovascular solution to these patients. FBSG contains holes (fenestrations) or lateral branches. Their purpose is to allow the proximal margin of the device to sit higher than standard infrarenal devices and allow uninterrupted blood flow to renal and visceral vessels. Retrospective studies have shown encouraging short-term and mid-term results. However, fenestrated/ branched stent grafting remains a complex procedure, associated with significant risks of technical problems such as target vessel loss and difficulties with iliac or femoral accesses. Results of FBSG could be further improved by optimizing patient selection, technical innovation to optimize currently available devices, and developments of new imaging and navigation tools. In addition, due to manufacturing delays (6-10 weeks), FBSG are not applicable to high-risk patients who need rapid treatment (painful or large aneurysms).The objectives of this thesis were: (1) to evaluate the incidence and define the nature of unexpected intraoperative adverse events and analyse their impact on the postoperative outcome; (2) to evaluate in vitro the feasibility and the performances of electromagnetic navigation using a new device (StealthStation®, Medtronic); (3) to evaluate the feasibility and safety of robotic navigation for target vessel cannulation; (4) to analyse short-term results of physician modified stent grafts for patients with complex aortic aneurysms needing rapid treatment.During this work, we showed that intraoperative adverse events were not rare (30% of the first 113 patients) during our early experience. They were responsible for postoperative complications in more than 50 % of cases. Optimal patient selection and increased experience of the medical staff may reduce the incidence of technical problems. However, we believe the development of new imaging modalities and navigation tools could play a key role to limit their occurrence. Although further developments are mandatory, the use of electromagnetic navigation as a complementary imaging modality, as tested with the StealthStation®, might be beneficial in terms of radiation exposure, cannulation performances, and accuracy in the positioning of FBSG. We also showed that robotic cannulation of renal and visceral vessels during complex endovascular aortic procedures is feasible and safe. In our experience, it was more effective for branches than for fenestrations. Finally, we used physician modified stent grafts in a limited series of eleven patients with thoracoabdominal aortic aneurysms. With a 9% in-hospital mortality rate and a 9% rate of spinal cord ischemia, they provided similar results to those of manufactured FBSG, suggesting they might be an option to consider for high-risk patients needing rapid treatment.
La problématique de cette thèse se tient à l'interface des domaines scientifiques de l'adéquation algorithme architecture, des systèmes de vision bio-inspirée en robotique mobile et du traitement ...d'images.Le but est de rendre un robot autonome dans son processus de perception visuelle, en intégrant au sein du robot cette tâche cognitive habituellement déportée sur un serveur de calcul distant.Pour atteindre cet objectif, l'approche de conception employée suit un processus d'adéquation algorithme architecture, où les différentes étapes de traitement d'images sont analysées minutieusement.Les traitements d'image sont modifiés et déployés sur une architecture embarquée de façon à respecter des contraintes d'exécution temps-réel imposées par le contexte robotique.La robotique mobile est un sujet de recherche académique qui s'appuie sur des approches bio-mimétiques.La vision artificielle étudiée dans notre contexte emploie une approche bio-inspirée multi-résolution, basée sur l'extraction et la mise en forme de zones caractéristiques de l'image.Du fait de la complexité de ces traitements et des nombreuses contraintes liées à l'autonomie du robot, le déploiement de ce système de vision nécessite une démarche rigoureuse et complète d'exploration architecturale logicielle et matérielle.Ce processus d'exploration de l'espace de conception est présenté dans cette thèse.Les résultats de cette exploration ont mené à la conception d'une architecture principalement composée d'accélérateurs matériels de traitements (IP) paramétrables et modulaires, qui sera déployée sur un circuit reconfigurable de type FPGA.Ces IP et le fonctionnement interne de chacun d'entre eux sont décrits dans le document.L'impact des paramètres architecturaux sur l'utilisation des ressources matérielles est étudié pour les traitements principaux.Le déploiement de la partie logicielle restante est présenté pour plusieurs plate-formes FPGA potentielles.Les performances obtenues pour cette solution architecturale sont enfin présentées.Ces résultats nous permettent aujourd'hui de conclure que la solution proposée permet d'embarquer le système de vision dans des robots mobiles en respectant les contraintes temps-réel imposées.
This Ph.D Thesis stands at the crossroads of three scientific domains : algorithm-architecture adequacy, bio-inspired vision systems in mobile robotics, and image processing.The goal is to make a robot autonomous in its visual perception, by the integration to the robot of this cognitive task, usually executed on remote processing servers.To achieve this goal, the design approach follows a path of algorithm architecture adequacy, where the different image processing steps of the vision system are minutely analysed.The image processing tasks are adapted and implemented on an embedded architecture in order to respect the real-time constraints imposed by the robotic context.Mobile robotics as an academic research topic based on bio-mimetism.The artificial vision system studied in our context uses a bio-inspired multi-resolution approach, based on the extraction and formatting of interest zones of the image.Because of the complexity of these tasks and the many constraints due to the autonomy of the robot, the implementation of this vision system requires a rigorous and complete procedure for the software and hardware architectural exploration.This processus of exploration of the design space is presented in this document.The results of this exploration have led to the design of an architecture primarly based on parametrable and scalable dedicated hardware processing units (IPs), which will be implemented on an FPGA reconfigurable circuit.These IPs and the inner workings of each of them are described in the document.The impact of their architectural parameters on the FPGA resources is studied for the main processing units.The implementation of the software part is presented for several potential FPGA platforms.The achieved performance for this architectural solution are finally presented.These results allow us to conclude that the proposed solution allows the vision system to be embedded in mobile robots within the imposed real-time constraints.
Le travail présenté dans cette thèse est divisé en deux parties. Dans la première partie, un modèle pour la représentation unifiée de problèmes d'optimisation numérique est proposé. Ce modèle permet ...de définir un problème d'optimisation indépendamment de la stratégie utilisée pour le résoudre. Cette représentation unifiée est particulièrement appréciable en robotique où une solution analytique des problèmes est rarement possible. La seconde partie traite de l'exécution de mouvements complexes asservis sur un robot humanoïde. Lors de la locomotion d'un tel système, les glissements des points de contact entraînent une dérive qu'il est nécessaire de corriger. Nous proposons ici un modèle permettant d'asservir une tâche de locomotion sur un capteur externe afin de compenser les erreurs d'exécution des mouvements. Un modèle est également proposé permettant de représenter des séquences de tâches de locomotion et de manipulation asservies. Enfin, une méthodologie pour le développement d'applications robotiques complexes est établie. Les stratégies proposées dans le cadre de cette thèse ont été validées sur la plate-forme expérimentale HRP-2.
The presented work is divided into two parts. In the first one, an unified computer representation for numerical optimization problems is proposed. This model allows to define problems independently from the algorithm used to solve it. This unified model is particularly interesting in robotics where exact solutions are difficult to find. The second part is dealing with complex trajectory execution on humanoid robots with sensor feedback. When a biped robots walks, contact points often slip producing a drift which is necessary to compensate. We propose here a closed-loop control scheme allowing the use of sensor feedback to cancel execution errors. To finish, a method for the the development of complex robotics application is detailed. This thesis contributions have been implemented on the HRP-2 humanoid robot.
Notre thèse de doctorat s'intéresse à l'enseignement et l'apprentissage de savoirs informatiques chez des débutants en France. Elle vise à comprendre comment des débutants mettent en oeuvre et ...construisent des savoirs informatiques. Nous avons utilisé une méthodologie qualitative de type ethnographique mobilisant des observations, des questionnaires, des entretiens semi-directifs et des analyses de textes officiels et de manuels. Nous avons aussi précédé par une approche comparative des pratiques des lycéens et des étudiants d'une part, et des enseignants, d'autre part. Les résultats montrent des pratiques contrastées, entretenues par des tensions dans le prescrit. Au lycée, en dehors de la spécialité ISN, où l'informatique est rattachée aux mathématiques, les pratiques semblent influencées par quatre facteurs : la motivation (liée aux représentations), la formation continue des enseignants, la jeunesse dans le métier et l'approche pédagogique utilisée. La pratique est focalisée sur l'approche logique de l'algorithmique avec un travail au papier-crayon : la programmation est limitée, et lorsqu'elle a lieu, c'est plus avec une calculatrice mais aussi rarement avec le langage Algobox. Chez les élèves, l'algorithmique est vue comme un nouveau domaine supplémentaire introduit en mathématiques mais différent des mathématiques et de l'informatique. Les très bons élèves en algorithmique sont en général bons en mathématiques. L'ISN accueille des élèves de tous les profils, mais avec des motivations différentes, allant de la découverte de l'informatique dans un contexte formel au refuge des autres spécialités : leurs pratiques sont contrastées. C'est avec l'ISN qu'ils découvrent l'informatique au travers des formes d'enseignement variées et des problèmes de plus en plus complexes. Les pratiques des enseignants restent influencées par leur formation d'origine, avec un manque de recul chez les non-spécialistes d'informatique. À l'Université, les pratiques des étudiants en programmation sont avancées par rapport à celles des lycéens, une avance liée à la complémentarité des modules qui sont dispensés par des spécialistes. Les programmes informatiques ainsi réalisés sont souvent sophistiqués et incorporent des éléments issus de différentes sources externes. Les notions mathématiques investies par les étudiants sont souvent modestes. Si les lycéens et les étudiants sont tous débutants en informatique, les différences de pratiques entre eux semblent liées aux compétences spécifiques des enseignants. Au-delà de la formation des enseignants, la motivation occupe une place fondamentale pour adhérer à cet enseignement/apprentissage et soutenir des pratiques enseignantes comme chez les apprenants.
Our dissertation focuses on the teaching and learning of computer knowledge to beginners in France. It aims to understand how beginners implement and build computer knowledge. We used a qualitative methodology mobilizing ethnographic observations, questionnaire, semi-structured interviews and the analysis of official instructions and textbooks. We also conducted a comparative study of the practice of both school and university students, on the one hand, and teachers, on the other hand. Results show contrasting situations between secondary schools and university. In high school, algorithmic curricula exist within mathematic education. In this case, practice is influenced by four factors: motivation (related to representation), professional development for teachers, youth in business and pedagogical approach. The practice mainly focuses on a logical approach to algorithmic using work paper and pencil: programming is limited, and when it occurs, it is often with a calculator but rarely with the Algobox language. Among students, algorithms are perceived as a new domain in the mathematics programs, but different from both mathematics and informatics. Very good students in computing are generally good at math. Another elective course, specifically about informatics, has also been recently implemented for grade 12 students. It welcomes students of all profiles, but with different motivations, from the discovery of computers in a formal context to a shelter against other elective courses: their practices are manyfold. Within ISN, they discover computers through various forms of education and problems of increasing complexity. Teacher practice is influenced by their original education, with a lack of experience for non specialists teachers. At the University level, students show more advanced practice. They produce computer programs are often sophisticated and incorporate elements from various external sources. The mathematics knowledge invested by students is often modest. If students in lycée and university are all computer beginners, the differences in practice between them seem linked to the specific skills of teachers. In addition to teacher's training, motivation is fundamental to adhere to this teaching/learning and support practice, both for teachers and students.
Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé de soudage innovant pour les matériaux à bas point de fusion (aluminium, cuivre…). Il a été breveté en 1992 par l’organisme anglais The Welding ...Institute (TWI). Depuis plusieurs années, celui-ci se développe dans l’industrie en cherchant à réduire son coût d’investissement. Le principe du FSW est de réaliser un cordon de soudure grâce à un outil animé d’un mouvement de rotation et d’avance. Les niveaux d’efforts et de précision requis contraignent à l’utilisation de machines cartésiennes de grande envergure. L’utilisation des robots industriels est un moyen de réduire les coûts, mais ils ne sont pas conçus pour ce genre d’applications et leur inconvénient majeur réside dans leur manque de rigidité. Ainsi, lorsque l’outil entre en contact avec les pièces à assembler, celui-ci peut dévier de plusieurs millimètres dans différentes directions de l’espace, rendant la mise en oeuvre d’une compensation de la trajectoire du robot obligatoire afin d’obtenir des soudures sans défauts. Le but de cette thèse a été de développer un procédé robotisé robuste. Le premier objectif est la mise en oeuvre d’une commande en effort robuste. En effet, en FSW, le maintien d’un effort axial constant est obligatoire. Le contrôle de cet effort permet de compenser la déviation axiale de l’outil et les défauts de mise en position des pièces à souder. Ainsi, une démarche d’identification et de modélisation afin de créer une commande en effort a été mise en oeuvre. La commande est définie de manière robuste afin d’éviter les réglages de l’asservissement lorsque les outils, les paramètres de soudage ou les trajectoires du robot changent. Une validation expérimentale complète a été réalisée dans le contexte du FSW. Le second objectif de cette thèse a été de développer une compensation de la déviation latérale de l’outil. Contrairement à l’objectif précédent, il n’y a pas d’effort à maintenir pour compenser cette déviation latérale. Dans l’industrie, cette déviation peut être compensée à l’aide d’un système de vision, mais ce dernier comporte de nombreux inconvénients en FSW (réflexion de l’aluminium, non visibilité du joint, coût, mise en oeuvre complexe). Ainsi, dans cette partie, un algorithme de compensation temps réel de la déviation latérale de l’outil a été mis en oeuvre. Celui-ci repose sur l’identification d’un modèle élasto-statique du robot. L’algorithme de compensation de la déviation latérale de l’outil a été couplé à la commande en effort et validé expérimentalement en FSW. La différence avec la majorité des travaux de recherche dans ce domaine est que les procédures d’identification n’utilisent pas de système de mesure 3D (photogrammétrie CCD ou laser de poursuite) dont le coût est un frein indéniable pour beaucoup d’industriels. La démarche est simple à mettre en oeuvre sur un robot industriel du marché actuel, et applicable pour d’autres procédés à contact comme l’usinage ou le polissage.
Friction Stir Welding (FSW) is an innovative welding process for materials with a low melting point (aluminium, copper…). It was patented in 1992 by the English organization The Welding Institute (TWI). For many years, an effort is done to reduce the investment cost for industrial applications. FSW process involves a rotating tool advancing along a path. Currently, gantry-type CNC systems are using for FSW manufacturing. These machines offer a high stiffness and can tolerate the forces during FSW in order to carry out a good weld quality. Industrials robots can reduce the investment cost; however they are not design for these applications. The main limitation is the low stiffness of the robot structure. Consequently, the robot deformation under the high process forces causes tool deviations about several millimeters. The robot path has to be compensated in order to obtain a good weld quality. The aim of this thesis is to develop a robust robotized process. The first goal is to realize a robust force control. During FSW, a constant axial forging force should be applied. Axial tool deviation is compensated with the force control approach. In this way, a modeling and identification method is done in order to design a force controller. The force controller is robust because no tuning is required, even if welding parameters or robot paths change. An experimental validation in FSW is done. The second goal is to realize a compensation of the lateral tool deviation. Unlike the axial deformation, there is no force to maintain for compensate this deviation. In industry, the lateral tool deviation could be compensated with a camera or laser sensor in order to track the weld seam path during welding. However, the cost of a seam tracking device, the aluminium reflexion and the lack of visibility in lap joint configuration are significant drawbacks. In this chapter, a compensation algorithm is designed. An elastostatic model of the robot is used to estimate in real time the deflection of the robot TCP. The compensation algorithm is coupled with the force controller defined previously. Compare with others research works about this topic, identification methods don’t need a 3D measurement system (CCD camera or laser tracker). The cost of such system is a main drawback for industrial applications. In this thesis, identification methods are easy to implement in an industrial robot and available for others processes like machining or polishing.
Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème du suivi en convoi, désigné en anglais par le terme platooning, où un train de robots essaie de suivre un chemin décrit par le leader. Ce chemin, ...n'étant pas prédéfini mais généré au cours du suivi, est inconnu de tous les robots suiveurs. Dans ce travail, nous choisissons une approche décentralisée locale où chaque robot du convoi observe son voisinage et calcule son contrôle de façon à avoir un suivi stable (absence d'oscillations) et précis (erreur latérale aussi faible que possible). Cette thèse étudie plus précisément le comportement latéral d'un robot du convoi et propose deux contrôleurs s'appuyant sur la mémorisation du chemin suivi par son prédécesseur. Un premier algorithme de contrôle Memo-LAT (Memorization and Look-Ahead Target) calcule une commande latérale continue en utilisant une loi de contrôle analytique. La stabilité de Memo-LAT n'étant pas toujours garantie, nous proposons l'algorithme de contrôle NOC (Non-Oscillatory Convergence) qui prend en compte la courbure du chemin à suivre dans le calcul du comportement latéral. NOC combine une approche géométrique avec une recherche heuristique pour calculer une commande discrète permettant au robot de suivre avec précision le chemin de son prédécesseur sans oscillation.
This thesis deals with the platooning problem which aims to concieve a control algorithm allowing a convoy of vehicles to follow their leader's path. This path, which is initially undefined and unknown to all the following robots, is generated as the leader moves. In this thesis, we choose a local decentralized approach in which each robot of the platoon uses its local perceptions to compute its own commands aiming to achieve a stable (no oscillations) and precise (with a lateral error as small as possible) platooning. More precisely, this thesis studies the lateral behavior of a platoon's robot and introduces two controllers based on the memorization of the robot's predecessor's path. The first algorithm, Memo-LAT (Memorization and Look-Ahead Target), computes a continuous lateral command using an analytic control law. As the stability of Memo-LAT is not always guaranteed, we present NOC (Non-Oscillatory Convergence), a control algorithm which takes into account the path's curvature in the robot's lateral behavior's computation. NOC combines a geometric approach to a heuristic search method to compute a discrete command allowing the robot to follow precisely and without oscillations its predecessor's path
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