Couplage physique humain robot lors de tâches rythmiques en interaction avec l'environnement : estimation de l'impédance mécanique

Human robot physical coupling during rhythmic tasks in interaction with the environment : mechanical impedance estimation

• Auteur / Autrice : Vincent Fortineau
• Direction : Pedro Rodriguez Ayerbe, Isabelle Siegler, Maria Makarov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 19/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Complexité, innovation, activités motrices et sportives (Orsay, Essonne ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Aymar Goullet de Rugy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Makarov, Richard Béarée, Renaud Ronsse, Serena Ivaldi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Béarée, Renaud Ronsse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Impédance mécanique

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Contrôle en admittance

Impédance mécanique

Bras humain

Estimation de trajectoires

Interactions physiques humain-robot

Admittance control

Mechanical impedance

Human arm

Trajectory estimation

Human-robot physical interactions

Résumé

Les robots sont de plus en plus amenés à interagir avec des humains ou des environnements anthropiques en vue de collaboration. La connaissance des propriétés visco-élastiques cartésiennes humaines durant des interactions physiques avec des environnements procure un éclairage au champ des sciences du mouvement humain, et aussi à la robotique collaborative pour la conception de commandes innovantes bio-inspirées. Dans cette thèse, la focalisation est placée sur une modélisation linéaire très simple en impédance mécanique du membre supérieur, qui fait entrer en jeu les paramètres cartésiens apparents en raideur, amortissement et masse. Cette modélisation permet d'approcher des comportements en rejet de perturbations qui interviennent notamment lors d'interactions physiques.Une expérience a été mise en œuvre avec un robot articulé piloté en admittance cartésienne, pour permettre des estimations d'impédance mécanique du bras de participants pendant une tâche de référence permettant de générer des mouvements rythmiques, avec des retours haptiques. Une méthode permettant l'estimation des paramètres du modèle en impédance, basée sur l'approximation des trajectoires virtuelles en position et force lors de faibles perturbations ne gênant pas la réalisation de la tâche, est proposée. Les trajectoires virtuelles sont approchées par des interpolations de splines ou des optimisations de sinusoïdes.Une trentaine de participants ont pris part aux expériences proposées pour permettre des estimations significatives de variations des paramètres visco-élastiques apparents et mieux comprendre leurs implications dans la réalisation d'une tâche en interaction avec un robot. Le compromis stabilité-transparence du couplage du robot avec un environnement en impédance a finalement été analysé pour proposer une amélioration des réglages du contrôle en admittance cartésienne.

Robots are more inclined to interact with humans or their environment for collaborative purposes. Knowledge on the human endpoint vis-coelastic properties during physical interactions provides insights for the field of human movement science and also for the design of innovative bio-inspired collaborative robotic control strategies. In this work, the focus is placed on a simplistic linear mechanical model of the human arm, with endpoint apparent parameters like stiffness, damping and mass. Perturbation rejection behaviours occuring remarkably during physical interactions can be met using this modelling.In order to estimate those properties for the human arm, an experimental test-bed was designed using an endpoint admittance controled polyarticulated robot. A benchmark task was used so that rhythmic movements emerged, while haptic feedback were introduced by the robot. A methodology to identify the linear parameters of the chosen impedance model was designed, tackling the issue of the estimation of virtual trajectories of the arm during dynamic movements. The estimations of the arm's virtual trajectories both in position and force relied on spline interpolations and sine optimisations, for small deviations that did not alter the performances of the task.A cohort of participants took part in experiments proposed to observe significant variations of the viscoelastic apparent parameters, and improve the understanding of the implications of such variations during a physical interaction with a robot. The famous trade-off between stability and transparency while the robot is coupled with an environment was then study thanks to the obtained estimations, to enhance the tuning of the endpoint admittance control empirically designed.