Commande volontaire d'un manipulateur robotique d'assistance placé dans l'espace péripersonnel

Voluntary control of an assistive robotic manipulator in peripersonal space

• Auteur / Autrice : Alexis Poignant
• Direction : Guillaume Morel, Nathanaël Jarrassé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 15/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Padois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Moricot, Christine Azevedo, Isabelle Bloch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Cherubini, Marie Babel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique en médecine

Biomécanique

Robots -- Mouvements

Robots -- Systèmes de commande

Mots clés libres

Robotique

Commande

Téléopération

Robotique portable

Robotics

Control

Teleoperation

Wearable robotics

Résumé

Malgré la démocratisation des robots collaboratifs, amenés à co-habiter et co-manipuler avec l'humain, les ”cobots” sont pour la plupart automatisés, à la manière des robots industriels classiques. Si cette automatisation est performante pour la réalisation d'une tâche unique et répétitive (palettisation par exemple), elle est ardue à mettre en œuvre pour des tâches variables, variées ou inconnues. Il est alors nécessaire d'introduire une commande volontaire de l'opérateur, soit pour réaliser la tâche, soit pour montrer la tâche à des fins de programmation du robot. Les solutions actuelles de commande volontaire utilisent soit des couplages en vitesse, de type joystick, faciles à intégrer mais souvent peu intuitifs, soit des couplages en position, par copie des mouvements de l'utilisateur. Si cette dernière méthode est très performante et intuitive, elle est cependant limitée par les capacités physiques de l'opérateur (en particulier pour l'assistance aux personnes à mobilité réduites), par la taille de l'interface utilisée, ou par l'espace de travail de la tâche (grands déplacements). La commande à 6 degrés de liberté est donc encore aujourd'hui un défi, et il existe encore peu de robots collaboratifs volontairement commandés par leurs utilisateurs. Nous proposons dans cette thèse un nouveau couplage en position, par lien virtuel, qui permet, par effet de bras de levier, d'avoir un grand espace de translations de l'effecteur robotisé, au prix d'un espace de rotation restreint. Nous introduisons une commande hybride position/vitesse où le lien est également reconfigurable, extensible, soit par un périphérique de type joystick, soit par détection des compensations posturales de l'utilisateur, qui servent de signal d'erreur pour reconfigurer le lien. De plus, ce nouveau couplage permet d'utiliser des parties du corps qui exhibent peu de translations mais d'importantes rotations, comme la tête ou le buste. Ce couplage est implémenté et testé expérimentalement, à la main, au buste et à la tête, et comparé aux couplages existants en vitesse et en position. Les résultats montrent que ce couplage par lien virtuel est aussi intuitif et performant que le couplage par copie de mouvements lorsqu'on utilise en entrée le mouvement de main de l'utilisateur. Son principal avantage réside dans le fait qu'il peut-être utilisé avec la tête ou le buste. Ces applications ouvrent la possibilité d'une commande en position pour les gens n'ayant pas ou peu de dextérité manuelle, notamment pour l'assistance au handicap et les tâches tri-manuelles.

Despite the democratization of collaborative robots, designed to co-habit and co-manipulate with humans, ”cobots” are still automated as traditional industrial robots. While this automation is efficient for performing a single, repetitive task (such as palletizing), its implementation remains challenging for variable, diverse, and unknown tasks. Therefore, it is necessary to introduce voluntary control of the robot by the operator, either to perform the task or for robot teaching purposes. Current solutions use either velocity coupling, like joysticks, which are easy to integrate but often unintuitive, or position coupling, by copying the user's movements. Although the latter method is highly efficient and intuitive, it is limited by the physical capabilities of the operator (particularly for assisting people with reduced mobility), the reduced workspace of interfaces, or a task's large workspace. Six-degree-of-freedom position control thus remains a challenge, and there are still few collaborative robots voluntarily and efficiently controlled by their users. In this thesis, we propose a new position coupling through a virtual link, which, by leveraging effect, allows for a large translation space of the robotic end-effector at the cost of a restricted rotation space. We also introduce a hybrid position/speed control where the link is reconfigurable and extensible, either via a joystick-type interface, or by detecting the user's postural compensations, which serve as an error signal to reconfigure the link. This coupling further allows the use of body parts that exhibit minimal translations but significant rotations, such as the head or torso. This coupling is implemented and experimentally tested, using the hand, torso, and head, and compared to existing speed and position couplings. The results show that this virtual link coupling is as intuitive and as efficient as usual motion-copy coupling when using user's hand motion as an input. Its main interest stands in the fact that is can be used with the head or torso. These new applications open up the possibility of position control for people with little to no manual dexterity, particularly for assistive and tri-manual tasks.