Modélisation de la sécurité des tâches coopératives humain-robot

L’interaction physique humain-robot est un domaine d’étude qui s’est vu porter beaucoup d’intérêt ces dernières années. Une optique de coopération entre les deux entités entrevoit le potentiel d’associer les forces de l’humain (comme son intelligence et son adaptabilité) à celle du robot (comme sa puissance et sa précision). Toutefois, la mise en service des applications développées reste une opération délicate tant les problèmes liés à la sécurité demeurent importants. Les robots constituent généralement de lourdes machines capables de déplacements très rapides qui peuvent blesser gravement un individu situé à proximité. Ce projet de recherche aborde le problème de sécurité en amont avec le développement d’une stratégie dite "pré-collision". Celle-ci se caractérise par la conception d’un système de planification de mouvements visant à optimiser la sécurité de l’individu lors de tâches d’interaction humain-robot dans un contexte industriel. Pour ce faire, un algorithme basé sur l’échantillonnage a été employé et adapté aux contraintes de l’application visée. Dans un premier temps, l’intégration d’une méthode exacte de détection de collision certifie que le chemin trouvé ne présente, a priori, aucun contact indésirable. Ensuite, l’évaluation de paramètres pertinents introduit notre notion de sécurité et définit un ensemble d’objectifs à optimiser. Ces critères prennent en compte la proximité par rapport aux obstacles, l’état de conscience des êtres humains inclus dans l’espace de travail ainsi que le potentiel de réaction du robot en cas d'évènement imprévu. Un système inédit de combinaison d’objectifs guide la recherche et mène à l’obtention du chemin jugé comme étant le plus sûr, pour une connaissance donnée de l’environnement. Le processus de contrôle se base sur une acquisition minimale de données environnementales (dispositif de surveillance visuelle) dans le but de nécessiter une installation matérielle qui se veut la plus simple possible. Le fonctionnement du système a été validé sur le robot industriel Baxter.

SDRE control strategy applied to a nonlinear robotic including drive motor

A robotic control design considering all the inherent nonlinearities of the robot-engine configuration is developed. The interactions between the robot and joint motor drive mechanism are considered. The proposed control combines two strategies, one feedforward control in order to maintain the system in the desired coordinate, and feedback control system to take the system into a desired coordinate. The feedback control is obtained using State-Dependent Riccati Equation (SDRE). For link positioning two cases are considered. Case I: For control positioning, it is only used motor voltage; Case II: For control positioning, it is used both motor voltage and torque between the links. Simulation results, including parametric uncertainties in control shows the feasibility of the proposed control for the considered system.

Nonlinear state estimation and control applied to a manipulator robotic including drive motor

A robotic control design considering all the inherent nonlinearities of the robot engine configuration is developed. The interactions between the robot and joint motor drive mechanism are considered. The proposed control combines two strategies, one feedforward control in order to maintain the system in the desired coordinate, and feedback control system to take the system into a desired coordinate. The feedback control is obtained using State Dependent Riccati Equation (SDRE). For link positioning two cases are considered. Case 1: For control positioning, it is only used motor voltage; Case 2: For control positioning, it is used both motor voltage and torque between the links. Simulation results, including parametric uncertainties in control shows the feasibility of the proposed control for the considered system.

Interactions humain-machine et différences culturelles : l'utilisabilité Bantu comparée

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Un outil d’évaluation neurocognitive des interactions humain-machine

De plus en plus de recherches sur les Interactions Humain-Machine (IHM) tentent d’effectuer des analyses fines de l’interaction afin de faire ressortir ce qui influence les comportements des utilisateurs. Tant au niveau de l’évaluation de la performance que de l’expérience des utilisateurs, on note qu’une attention particulière est maintenant portée aux réactions émotionnelles et cognitives lors de l’interaction. Les approches qualitatives standards sont limitées, car elles se fondent sur l’observation et des entrevues après l’interaction, limitant ainsi la précision du diagnostic. L’expérience utilisateur et les réactions émotionnelles étant de nature hautement dynamique et contextualisée, les approches d’évaluation doivent l’être de même afin de permettre un diagnostic précis de l’interaction. Cette thèse présente une approche d’évaluation quantitative et dynamique qui permet de contextualiser les réactions des utilisateurs afin d’en identifier les antécédents dans l’interaction avec un système. Pour ce faire, ce travail s’articule autour de trois axes. 1) La reconnaissance automatique des buts et de la structure de tâches de l’utilisateur, à l’aide de mesures oculométriques et d’activité dans l’environnement par apprentissage machine. 2) L’inférence de construits psychologiques (activation, valence émotionnelle et charge cognitive) via l’analyse des signaux physiologiques. 3) Le diagnostic de l‘interaction reposant sur le couplage dynamique des deux précédentes opérations. Les idées et le développement de notre approche sont illustrés par leur application dans deux contextes expérimentaux : le commerce électronique et l’apprentissage par simulation. Nous présentons aussi l’outil informatique complet qui a été implémenté afin de permettre à des professionnels en évaluation (ex. : ergonomes, concepteurs de jeux, formateurs) d’utiliser l’approche proposée pour l’évaluation d’IHM. Celui-ci est conçu de manière à faciliter la triangulation des appareils de mesure impliqués dans ce travail et à s’intégrer aux méthodes classiques d’évaluation de l’interaction (ex. : questionnaires et codage des observations).

Modeling, Estimation, and Control of Robot-Soil Interactions

This thesis presents the development of hardware, theory, and experimental methods to enable a robotic manipulator arm to interact with soils and estimate soil properties from interaction forces. Unlike the majority of robotic systems interacting with soil, our objective is parameter estimation, not excavation. To this end, we design our manipulator with a flat plate for easy modeling of interactions. By using a flat plate, we take advantage of the wealth of research on the similar problem of earth pressure on retaining walls. There are a number of existing earth pressure models. These models typically provide estimates of force which are in uncertain relation to the true force. A recent technique, known as numerical limit analysis, provides upper and lower bounds on the true force. Predictions from the numerical limit analysis technique are shown to be in good agreement with other accepted models. Experimental methods for plate insertion, soil-tool interface friction estimation, and control of applied forces on the soil are presented. In addition, a novel graphical technique for inverting the soil models is developed, which is an improvement over standard nonlinear optimization. This graphical technique utilizes the uncertainties associated with each set of force measurements to obtain all possible parameters which could have produced the measured forces. The system is tested on three cohesionless soils, two in a loose state and one in a loose and dense state. The results are compared with friction angles obtained from direct shear tests. The results highlight a number of key points. Common assumptions are made in soil modeling. Most notably, the Mohr-Coulomb failure law and perfectly plastic behavior. In the direct shear tests, a marked dependence of friction angle on the normal stress at low stresses is found. This has ramifications for any study of friction done at low stresses. In addition, gradual failures are often observed for vertical tools and tools inclined away from the direction of motion. After accounting for the change in friction angle at low stresses, the results show good agreement with the direct shear values.

Histoire naturelle du genre humain, ou Recherches sur ses principaux fondemens physiques et moraux : précédées d'un discours sur la nature des êtres organiques, et sur l'ensemble de leur physiologie, on y a joint une dissertation sur le sauvage de l'Aveyron /

Mode of access: Internet.

Étude de l'organisation fonctionnelle du génome humain par un modèle d'interactions entre les séquences répétitives de type LINE-1

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude de l'organisation fonctionnelle du génome humain par un modèle d'interactions entre les séquences répétitives de type LINE-1

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Téléopération d'un robot collaboratif par outil haptique

Ce projet de recherche, intitulé Téléopération d'un robot collaboratif par outil haptique traite un des problèmes contemporains de la robotique, à savoir la coopération entre l'humain et la machine. La robotique est en pleine expansion depuis maintenant deux décennies: les robots investissent de plus en plus l'industrie, les services ou encore l'assistance à la personne et se diversifient considérablement. Ces nouvelles tendances font sortir les robots des cages dans lesquelles ils étaient placés et ouvrent grand la porte vers de nouvelles applications. Parmi elles, la coopération et les interactions avec l'humain représentent une réelle opportunité pour soulager l'homme dans des tâches complexes, fastidieuses et répétitives. En parallèle de cela, la robotique moderne s'oriente vers un développement massif du domaine humanoïde. Effectivement, plusieurs expériences sociales ont montré que l'être humain, constamment en interaction avec les systèmes qui l'entourent, a plus de facilités à contribuer à la réalisation d'une tâche avec un robot d'apparence humaine plutôt qu'avec une machine. Le travail présenté dans ce projet de recherche s'intègre dans un contexte d'interaction homme-robot (IHR) qui repose sur la robotique humanoïde. Le système qui en découle doit permettre à un utilisateur d'interagir efficacement et de façon intuitive avec la machine, tout en respectant certains critères, notamment de sécurité. Par une mise en commun des compétences respectives de l'homme et du robot humanoïde, les interactions sont améliorées. En effet, le robot peut réaliser une grande quantité d'actions avec précision et sans se fatiguer, mais n'est pas nécessairement doté d'une prise de décision adaptée à la situation, contrairement à l'homme qui est capable d'ajuster son comportement naturellement ou en fonction de son expérience. En d'autres termes, ce système cherche à intégrer le savoir-faire et la capacité de réflexion humaine avec la robustesse, l'efficacité et la précision du robot. Dans le domaine de la robotique, le terme d'interaction intègre également la notion de contrôle. La grande majorité des robots reçoit des commandes machines qui sont généralement des consignes de trajectoire, qu'ils sont capables d'interpréter. Or, plusieurs interfaces de contrôle sont envisageables, notamment celles utilisant des outils haptiques, qui permettent à un utilisateur d'avoir un ressenti et une perception tactile. Ces outils comme tous ceux qui augmentent le degré de contrôle auprès de l'utilisateur, en ajoutant un volet sensoriel, sont parfaitement adaptés pour ce genre d'applications. Dans ce projet, deux outils haptiques sont assemblés puis intégrés à une interface de contrôle haptique dans le but de commander le bras d'un robot humanoïde. Ainsi, l'homme est capable de diriger le robot tout en ajustant ses commandes en fonction des informations en provenance des différents capteurs du robot, qui lui sont retranscrites visuellement ou sensoriellement.

Preventing worker’s musculoskeletal disorders with wearable inertial sensors: ergonomics and modelling of physical human-robot interactions

The most widespread work-related diseases are musculoskeletal disorders (MSD) caused by awkward postures and excessive effort to upper limb muscles during work operations. The use of wearable IMU sensors could monitor the workers constantly to prevent hazardous actions, thus diminishing work injuries. In this thesis, procedures are developed and tested for ergonomic analyses in a working environment, based on a commercial motion capture system (MoCap) made of 17 Inertial Measurement Units (IMUs). An IMU is usually made of a tri-axial gyroscope, a tri-axial accelerometer, and a tri-axial magnetometer that, through sensor fusion algorithms, estimates its attitude. Effective strategies for preventing MSD rely on various aspects: firstly, the accuracy of the IMU, depending on the chosen sensor and its calibration; secondly, the correct identification of the pose of each sensor on the worker’s body; thirdly, the chosen multibody model, which must consider both the accuracy and the computational burden, to provide results in real-time; finally, the model scaling law, which defines the possibility of a fast and accurate personalization of the multibody model geometry. Moreover, the MSD can be diminished using collaborative robots (cobots) as assisted devices for complex or heavy operations to relieve the worker's effort during repetitive tasks. All these aspects are considered to test and show the efficiency and usability of inertial MoCap systems for assessing ergonomics evaluation in real-time and implementing safety control strategies in collaborative robotics. Validation is performed with several experimental tests, both to test the proposed procedures and to compare the results of real-time multibody models developed in this thesis with the results from commercial software. As an additional result, the positive effects of using cobots as assisted devices for reducing human effort in repetitive industrial tasks are also shown, to demonstrate the potential of wearable electronics in on-field ergonomics analyses for industrial applications.

Robotics and neurodevelopmental disorder: design and implementation of a system of engagement metrics in human-robot interactions.

In the recent decades, robotics has become firmly embedded in areas such as education, teaching, medicine, psychology and many others. We focus here on social robotics; social robots are designed to interact with people in a natural and interpersonal way, often to achieve positive results in different applications. To interact and cooperate with humans in their daily-life activities, robots should exhibit human-like intelligence. The rapid expansion of social robotics and the existence of various kinds of robots on the market have allowed research groups to carry out multiple experiments. The experiments carried out have led to the collections of various kinds of data, which can be used or processed for psychological studies, and studies in other fields. However, there are no tools available in which data can be stored, processed and shared with other research groups. This thesis proposes the design and implementation of visual tool for organizing dataflows in Human Robot Interaction (HRI).

Human-robot teamwork: a knowledge-based solution

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Off-line simulation inspires insight: a neurodynamics approach to efficient robot task learning

There is currently an increasing demand for robots able to acquire the sequential organization of tasks from social learning interactions with ordinary people. Interactive learning-by-demonstration and communication is a promising research topic in current robotics research. However, the efficient acquisition of generalized task representations that allow the robot to adapt to different users and contexts is a major challenge. In this paper, we present a dynamic neural field (DNF) model that is inspired by the hypothesis that the nervous system uses the off-line re-activation of initial memory traces to incrementally incorporate new information into structured knowledge. To achieve this, the model combines fast activation-based learning to robustly represent sequential information from single task demonstrations with slower, weight-based learning during internal simulations to establish longer-term associations between neural populations representing individual subtasks. The efficiency of the learning process is tested in an assembly paradigm in which the humanoid robot ARoS learns to construct a toy vehicle from its parts. User demonstrations with different serial orders together with the correction of initial prediction errors allow the robot to acquire generalized task knowledge about possible serial orders and the longer term dependencies between subgoals in very few social learning interactions. This success is shown in a joint action scenario in which ARoS uses the newly acquired assembly plan to construct the toy together with a human partner.

The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle.