Développement d'algorithmes de commande et d'interfaces mécatroniques pour l'interaction physique humain-robot

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.For a long time, simple and advanced systems such as robots have been helping humans to accomplish several tasks. In some cases, the system simply replaces the operator while in other cases, the system cooperates with him/her. In the latter case, the system is more a tool used to increase performance or to avoid unpleasant tasks. The principal advantage of this human augmentation is to leave a certain latitude to the operator in the task decision process. Specific strengths of humans and robots are then combined to obtain a synergy, that is obtaining a more complete system than the sum of its parts. However, achieving complex tasks in a way that is intuitive to the human represents a huge challenge. While robots were previously segregated from humans and then designed and programmed accordingly, the new generation of robots must be able to perceive their environment and the human intentions and to respond to them safely, adequately, intuitively and ergonomically. This leads to several opportunities in a wide range of fields such as materials handling, assembly, physical rehabilitation, surgery, learning through haptic simulations, help to disabled people and others. This thesis comprises three parts. The first one deals with the control of physical interaction robots. The approach to an intuitive control, good practices, an interaction algorithm adapting to human intentions and the adaptation of a computed-torque control scheme for human-robot interaction are presented. The second part presents hands on payload systems which are more intuitive to use for the operator. These system developments include mechanical and advanced control innovations. The third part introduces safety features. First, the development of a vibration observer/controller algorithm is presented and then the development of a sensor detecting human proximity is reported. This thesis attempts to provide contributions, in a scientific spirit as much as for industrial applications requiring immediate solutions