Computational foundations of anthropomorphic locomotion

Fondements calculatoires de la locomotion anthropomorphe

• Auteur / Autrice : Justin Carpentier
• Direction : Jean-Paul Laumond, Nicolas Mansard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 01/09/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Locomotion humaine

Biomécanique

Robots humanoïdes

Mots clés libres

Robotique humanoïde

Biomécanique

Contrôle optimal

Estimation

Apprentissage automatique

Anthropomorphic locomotion

Humanoid robotics

Biomechanics

Optimal control

Machine learning

Résumé

Locomotion anthropomorphe est un processus complexe qui met en jeu un très grand nombre de degrés de liberté, le corps humain disposant de plus de trois cents articulations contre une trentaine chez les robots humanoïdes. Pris dans leur ensemble, ces degrés de liberté montrent une certaine cohérence rendant possible la mise en mouvement du système anthropomorphe et le maintien de son équilibre, dans le but d'éviter la chute. Cette thèse met en lumière les fondements calculatoires à l'origine de cette orchestration. Elle introduit un cadre mathématique unifié permettant à la fois l'étude de la locomotion humaine, et la génération de trajectoires locomotrices pour les robots humanoïdes. Ce cadre consiste en une réduction de la dynamique corps-complet du système pour ne considérer que sa projection autour du centre de gravité, aussi appelée dynamique centroïdale. Bien que réduite, nous montrons que cette dynamique centroïdale joue un rôle central dans la compréhension et la formation des mouvements locomoteurs. Pour ce faire, nous établissons dans un premier temps les conditions d'observabilité de cette dynamique, c'est-à-dire que nous montrons dans quelle mesure cette donnée peut être appréhendée à partir des capteurs couramment employés en biomécanique et en robotique. Forts de ces conditions d'observabilité, nous proposons un estimateur capable de reconstruire la position non-biaisée du centre de gravité. A partir de cet estimateur et de l'acquisition de mouvements de marche sur divers sujets, nous mettons en évidence la présence d'un motif cycloïdal du centre de gravité dans le plan sagittal lorsque l'humain marche de manière nominale, c'est-à-dire sans y penser. La présence de ce motif suggère l'existence d'une synergie motrice jusqu'alors ignorée, soutenant la théorie d'une coordination générale des mouvements pendant la locomotion. La dernière contribution de cette thèse porte sur la locomotion multi-contacts. Les humains ont une agilité remarquable pour effectuer des mouvements locomoteurs qui nécessitent l'utilisation conjointe des bras et des jambes, comme lors de l'ascension d'une paroi rocheuse. Comment doter les robots humanoïdes de telles capacités ? La difficulté n'est certainement pas technologique, puisque les robots actuels sont capables de développer des puissances mécaniques suffisantes. Leurs performances, évaluées tant en termes de qualité des mouvements que de temps de calcul, restent très limitées. Dans cette thèse, nous abordons le problème de génération de trajectoires multi-contacts sous la forme d'un problème de commande optimale. L'intérêt de cette formulation est de partir du modèle réduit de la dynamique centroïdale tout en répondant aux contraintes d'équilibre. L'idée originale consiste à maximiser la vraisemblance de cette dynamique réduite vis-à-vis de la dynamique corps-complet. Elle repose sur l'apprentissage d'une mesure d'occupation qui reflète les capacités cinématiques et dynamiques du robot. Elle est effective : l'algorithmique qui en découle est compatible avec des applications temps réel. L'approche a été évaluée avec succès sur le robot humanoïde HRP-2, sur plusieurs modes de locomotions, démontrant ainsi sa polyvalence.

Anthropomorphic locomotion is a complex process that involves a very large number of degrees of freedom, the human body having more than three hundred joints against thirty in humanoid robots. Taken as a whole, these degrees of freedom show a certain coherence making it possible to set the anthropomorphic system in motion and maintain its equilibrium, in order to avoid falling. This thesis highlights the computational foundations behind this orchestration. It introduces a unified mathematical framework allowing both the study of human locomotion and the generation of locomotive trajectories for humanoid robots. This framework consists of a reduction of the body-complete dynamics of the system to consider only its projection around the center of gravity, also called centroid dynamics. Although reduced, we show that this centroidal dynamics plays a central role in the understanding and formation of locomotive movements. To do this, we first establish the observability conditions of this dynamic, that is to say that we show to what extent this data can be apprehended from sensors commonly used in biomechanics and robotics. Based on these observability conditions, we propose an estimator able to reconstruct the unbiased position of the center of gravity. From this estimator and the acquisition of walking motions on various subjects, we highlight the presence of a cycloidal pattern of the center of gravity in the sagittal plane when the human is walking nominally, that is, to say without thinking. The presence of this motif suggests the existence of a motor synergy hitherto unknown, supporting the theory of a general coordination of movements during locomotion. The last contribution of this thesis is on multi-contact locomotion. Humans have remarkable agility to perform locomotive movements that require joint use of the arms and legs, such as when climbing a rock wall. How to equip humanoid robots with such capabilities? The difficulty is certainly not technological, since current robots are able to develop sufficient mechanical powers. Their performances, evaluated both in terms of quality of movement and computing time, remain very limited. In this thesis, we address the problem of generating multi-contact trajectories in the form of an optimal control problem. The interest of this formulation is to start from the reduced model of centroid dynamics while responding to equilibrium constraints. The original idea is to maximize the likelihood of this reduced dynamic with respect to body-complete dynamics. It is based on learning a measurement of occupation that reflects the kinematic and dynamic capabilities of the robot. It is effective: the resulting algorithmic is compatible with real-time applications. The approach has been successfully evaluated on the humanoid robot HRP-2, on several modes of locomotion, thus demonstrating its versatility.