Asservissement visuel direct d'une sonde échographique

National audienceNous proposons ici une nouvelle approche baséee image pour contrôler une sonde échographique montée sur un bras robotique. Dans une optique d'assistance au diagnostique ou à l'intervention chirurgicale, la méthode présentée permet de positionner la sonde sur une section désirée d'un organe et de la suivre en compensant les mouvements du patient. L'originalitée de la méthode repose sur l'utilisation directe de l'image échographique comme information de commande, qui évite toute étape de segmentation ou de traitement d'image coûteuse en temps de calcul. L'application a été validée sur un bras robotique à six degrés de liberté avec un fantôme abdominal

Contrôle d'un bras robotique flexible

Le contrôle des systèmes mécaniques, plus particulièrement des manipulateurs robotiques, est un domaine actif de la recherche appliquée. Les robots classiques utilisés dans l'industrie sont extrêmement précis mais relativement lents, massifs et exigent des moteurs puissants. Les efforts déployés dans la modélisation et le contrôle de manipulateurs flexibles sont alors motivés par la demande prévue d'un poids léger, de la précision et d'une grande vitesse des robots dans diverses applications. En fait, dans le cas d'un robot rigide, la connaissance de l'angle moteur permet d'obtenir directement la position de l'extrémité. Par contre, à cause de la flexibilité, la rotation de la base d’un bras flexible entraîne l'oscillation du bras tout entier. Le contrôle direct de l'extrémité d'un robot flexible est plus difficile que celui d'un robot rigide. D'où le besoin d'une loi de commande qui contrôle la position de l'extrémité en tenant compte des déformations de la membrure. Ceci constitue l'objectif de recherche de ce travail. Pour y arriver, on commence par développer le modèle d’un système à un bras flexible entraîné par un moteur à courant continu. Ensuite, il s'agit du développement des lois de contrôle qui assurent la régulation de l’extrémité tout en réduisant les vibrations du bras. Finalement, les performances des contrôleurs développés sont simulées sur un banc d’essai. The control of mechanical systems and particularly of robotic manipulators is an active applied research area. Most existing robots, rigid manipulators, achieve good positioning accuracy by using heavy materials. As a consequence, such robots are usually heavy which limits the speed of operation of the robot manipulation and increases the energy consumption. After the era of rigid robotics, major research activities were devoted to improving dynamic performances and to reducing the mass of robotic systems by considering structural flexibility in robot arms. However, the question of modeling and control of flexible manipulators is challenging due to precise positioning requirements. In fact, knowing the base angle of a rigid arm leads directly to knowing the tip position. In contrast, system flexibility leads to the appearance of oscillations at the tip of the link during motion. These oscillations make the control problems of such systems really difficult. Hence the need for a control law that controls the tip position and takes in consideration the deformation of the link. In this purpose, we started by modeling the system consisting of a flexible single-link drived by a DC motor. After that, we developed control laws in order to minimize the vibrations while regulating the tip position. Finally, performances of such controllers were tested by simulation and experimentally on an experimental flexible arm system

Vers une saisie en un clic : caractérisation d'un objet 3D à partir d'une reconstruction voxellique

National audienceDans cet article, nous nous intéressons à la saisie d'objets inconnus par un bras robotique équipé d'un système de vision. Suite au travail de [1], une nouvelle méthode permettant d'améliorer l'estimation de la pose et la forme de l'objet à saisir est proposée. Cette méthode s'appuie dans un premier temps sur une reconstruction voxellique de cet objet puis sur l'estimation de ses axes principaux et de ses dimensions. Des choix simplificateurs dans notre im- plémentation des techniques de reconstruction voxellique assurent un gain en temps de calcul tout en conservant la forme générale de l'objet reconstruit

Vers une saisie en un seul clic : caractérisation de la forme 3D d'un objet à partir d'informations visuelles

National audienceDans cet article, nous nous intéressons à la saisie d'objets inconnus par un bras robotique équipé d'un système de vision. Suite au travail de [1], une nouvelle méthode permettant d'améliorer l'estimation de la pose et la forme de l'objet à saisir est proposée. Cette méthode s'appuie dans un premier temps sur une reconstruction voxellique de cet objet puis sur l'estimation de ses axes principaux et de ses dimensions. Des choix simplificateurs dans notre implémentation des techniques de reconstruction voxellique assurent un gain en temps de calcul tout en conservant la forme générale de l'objet reconstruit

Cognition, Affects et Interaction

International audienceCet ouvrage rassemble les travaux d’études et de recherche effectués dans le cadre du cours «Cognition, Affects et Interaction » que nous avons animé au 1er semestre 2015-2016. Cette deuxième édition de cours poursuit le principe inauguré en 2014 : aux cours magistraux donnés sur la thématique "Cognition, Interaction & Affects" qui donnent les outils méthodologiques des composantes de l’interaction socio-communicative, nous avons couplé une introduction à la robotique sociale et un apprentissage actif par travail de recherche en binômes. Le principe de ces travaux d’études et de recherche est d’effectuer une recherche bibliographique et de rédiger un article de synthèse sur un aspect de l’interaction homme-robot. Si plusieurs sujets ont été proposés aux étudiants en début d’année, certains binômes ont choisi d’aborder l’interaction avec un angle original qui reflète souvent les trajectoires de formation variés des étudiants en sciences cognitives (ingénierie, sociologie, psychologie, etc). Le résultat dépasse nos espérances : le lecteur trouvera une compilation d’articles argumentés de manière solide, rédigés de manière claire et présentés avec soin. Ces premières «publications» reflètent les capacités singulières de réflexion de cette promotion en nette augmentation par rapport à l’année précédente. Nous espérons que cette série d’ouvrages disponibles sous HAL puisse servir de point d’entrée à des étudiants ou chercheurs intéressés à explorer ce champ de recherches pluri-disciplinaire

Conception et validation expérimentale d’un gant haptique alimenté par des actionneurs magnétorhéologiques pour la manipulation d’objets dans un environnement virtuel

En réalité virtuelle (VR), les systèmes haptiques sont en mesure de fournir un retour de force à l’utilisateur pour des applications de jeux et d’entrainement (simulation). Les interfaces haptiques pour la main sont limitées par les technologies d’actionnement d’aujourd’hui. En effet, la vaste majorité des systèmes robotiques est actionnée par des moteurs DC couplés à un ratio de démultiplication (« gearbox »). Ces systèmes font face à un compromis inévitable entre la densité de couple et la réponse dynamique. De récentes recherches ont démontrées que les embrayages magnétorhéologiques (MR) couplées à une source de puissance (ex : moteur DC) sont une alternative prometteuse pour l’obtention d’une haute réponse dynamique à un coût moindre. Jusqu’à présent, la technologie MR n’a pas été démontrée pour des systèmes robotiques ayant de multiple (6 et +) degrés-de-liberté (ddls). Ce mémoire a pour but d’étudier le potentiel de la technologie des embrayages MR pour des applications d’interfaces haptiques VR pour la main. D’abord, les requis de conception sont établis par la littérature. Ensuite, un système haptique complet permettant aux utilisateurs de manipuler des objets virtuels a été développé basé sur un actionnement à tendons alimentés par des embrayages MR (« tendon-driven manipulator powered by MR actuators », TDM-MR). Ce système haptique utilise un actionnent à configuration semi-distribuée qui permet à deux moteurs DC, couplés à un ratio de démultiplication, de fournir la puissance nécessaire pour alimenter 10 embrayages MR actionnant 7 ddls. Ce système haptique a d’ailleurs été testé expérimentalement. Les résultats démontrent d’excellentes réponses dynamiques, de hautes forces générées et une tolérance aux impacts. Pour finir, un jeu VR consistant à démonter la performance du prototype auprès de 10 utilisateurs a été développé et très bien reçu par ceux-ci

Apport d'une conception centrée utilisateur adaptée selon les besoins des personnes en situation de handicap

Les personnes en situation de handicap moteur des membres supérieurs ont besoin de système de suppléance pour leur autonomie. Cependant 1/3 de ces aides de compensation sont abandonnées car pas encore suffisamment centrées sur les besoins et les aptitudes de l'utilisateur. La problématique centrale de cette thèse concerne la mise en œuvre d'une méthode de conception centrée utilisateur, adaptée en fonction de la population d'études (personnes en situation de handicap ayant des troubles neuro-moteurs langagiers) pour la conception de trois aides de compensation. La première concerne la commande d'un bras robotique de préhension JACO pour laquelle la conception centrée utilisateur classique a été appliquée. Celle-ci est adaptée pour les personnes pouvant s'exprimer oralement mais qu'en est-il lorsque ces personnes ne peuvent participer directement ou bien ont besoin de leurs aidants pour exprimer leurs besoins ou répondre aux questionnaires? Une alternative est de recueillir les besoins par l'intermédiaire d'experts. Nous montrerons comment la méthode de conception centrée utilisateur a été adaptée pour la conception du système HandiMathKey pour la saisie de formules Mathématiques. Notre dernière adaptation est d'utiliser l'écosystème de la personne comme médiateur pour communiquer et un profil utilisateur. Cette méthode a permis de concevoir l'interface de communication intégrée et de contrôle d'environnement nommée CECI. Nous décrirons également comment la plateforme SoKeyTo permet le prototypage des aides de compensation. Pour chacune des aides de compensation, nous rapporterons les évaluations réalisées et nous discuterons la manière dont la méthode de conception a été adaptée.People with motor impairment of the upper limbs need an assistive technology for their autonomy. However, 1/3 of these assistive technologies are abandoned because they are not yet sufficiently focused on the needs and abilities of the user. The central problem of this thesis concerns the implementation of a user-centered design method adapted to the study population (persons with disabilities with neuro-motor language impairments) for the design of three applications. The first concerns the control of a robot arm JACO for which the classic user centered design has been applied. This is appropriate for people who can speak orally, but what if they cannot participate directly or need their caregivers to express their needs or answer questionnaires? An alternative is to gather needs through experts. We will show how the user centered design method has been adapted for the design of the HandiMathKey system for entering mathematical formulas. Our last adaptation is to use the person's ecosystem as a mediator to communicate and a user profile. This method allowed to design the integrated communication and environmental control interface named CECI. We will also describe how the SoKeyTo platform allows prototyping of assistive technologies. For each of the assistive technologies, we will report the assessments made and discuss how the design method has been adapted

Anesthésie robotique : insertion automatique d'un cathéter veineux guidée par ultrasons

RÉSUMÉ: But: L’automation est un concept qui a révolutionné plusieurs domaines, allant de l’industrie automobile aux télécommunications, en passant par la médecine. Cependant, ce concept est quasi-inexistant en anesthésie. Ce projet vise à développer un système automatique pour une insertion intraveineuse d’un cathéter, et donc à déclencher l’automatisme dans le domaine de l’anesthésie. Méthodologie: Un bras robotique effectue un balayage d’une sonde ultrasonique sur un bras fantôme (contenant une veine artificielle). Cette vidéo est transférée à un ordinateur et des images fixes en sont analysées par des algorithmes Matlab. La veine est détectée et ses coordonnées sont envoyées à un second bras robotique qui positionne une aiguille et un cathéter au-dessus du point d’insertion. Résultats: Deux bras robotiques sont construits: Le premier, guidé par 6 servomoteurs, effectue un balayage d’une sonde ultrasonique sur le site veineux; et le second, guidé par 7 servomoteurs, positionne le cathéter et l’aiguille au point d’insertion, puis y insère l’aiguille en premier et le cathéter en second. L’analyse vidéo et la détection de veine sont faites à travers une interface graphique Matlab, qui utilise la transformée de Hough.----------Abstract: Purpose: Automation is a common concept that revolutionized multiple domains, from automobile industry to telecommunications, passing by medicine. Little automation has been introduced to the anesthesia domain. The purpose of this project is to develop an automated system for intravenous catheter insertion, and thus trigger automation use in the anesthesia domain. Methods: A robotic arm performs ultrasound scans on the venous site (a phantom arm), real-time snapshots are analyzed by Matlab algorithms, the vein is detected, and corresponding coordinates are sent to a second robotic arm that will position the catheter and needle bundle at the correct insertion point. Results: Two robotic arms were built: the first one, guided by 6 servomotors, performs automatic ultrasound scans on the venous site, and the second one, guided by 7 servomotors, positions the catheter and needle at insertion point, then inserts the needle in the vein. Analysis is performed on a Matlab graphical user interface (GUI), using Hough transform

Système autonome d’assistance au repas pour les personnes avec un handicap du haut du corps

RÉSUMÉ Pour les personnes souffrant de troubles de mobilité du haut du corps, des tâches quotidiennes qui semblent anodines peuvent devenir extrêmement complexes. La tâche d’alimentation en est un excellent exemple. Dans les 20 dernières années, une multitude de solutions à cette tâche ont été proposées par des laboratoires de recherche ou des entreprises afin d’assister ces personnes. Toutefois, la plupart de ces solutions ont d’importantes limitations : complexité d’installation et de transport, difficulté à contrôler, peu intuitif, etc. L’objectif de ce mémoire est de présenter une preuve de concept de solution abordable permettant à des personnes à mobilité réduite au niveau du haut du corps de s’alimenter plus aisément. La solution proposée inclut d’abord une caméra de stéréovision combinée à un système de reconnaissance d’objets basé sur l’apprentissage profond afin de repérer et localiser la nourriture dans une assiette située devant l’utilisateur. Cette partie permet à l’utilisateur d’éviter de se soucier de spécifier la position de la nourriture qu’il veut manger; le système le fait pour lui, ce qui rend le tout beaucoup plus intuitif et simple à contrôler. La caméra permet également d’établir un modèle de la scène et des obstacles présents, ce qui permet au système d’éviter ces obstacles. Les coordonnées de la nourriture à aller chercher sont ensuite envoyées au bras robotique MICO de Kinova, simulé avec ROS et Gazebo. Il s’agit d’un bras de réadaptation conçu pour être monté sur une chaise roulante, ce qui réduit la complexité d’installation et de transport. Un calcul de trajectoire est alors effectué et la cinématique inverse du bras robotique est calculée afin que le bras puisse approcher la nourriture avec l’effecteur choisi, une fourchette, selon un angle d’approche prédéfini. La nourriture est ensuite ramenée à une position fixe près de la bouche de l’utilisateur, le tout de manière entièrement autonome. En utilisant le système développé, l’utilisateur peut donc se nourrir de manière intuitive et autonome. Selon les tests effectués, le système constitue une preuve de concept valide, n’ayant échoué aucun des cinq essais effectués, et permet à l’utilisateur de manger deux morceaux de nourriture en un temps moyen de 90,22 secondes (dont 18,3% sont dédiés aux calculs). Le reste est donc entièrement utilisé pour le déplacement du bras, qui est une limitation physique du système robotique.----------ABSTRACT For people who suffer from upper-body disabilities, some casual tasks that seem innocuous can actually become extremely complex. Eating is an excellent example of such a task. In the last 20 years, multiple solutions have been suggested by academia and industries in order to help those people. However, most of these solutions have important limitations: complexity of installation or transport, control difficulty, lack of intuitiveness, etc. The goal of this thesis is to present a proof of concept of a low-cost solution that addresses this difficulty in carrying out the feeding task for people with disabilities. The suggested solution includes a stereovision camera combined with an object recognition system based on deep learning in order to detect and locate food on a plate in front of the user. This part of the system removes the need for the user to specify the exact position of the food he wants to eat; the robotic system does it for him or her, reducing significatively the complexity of the task and making it a lot more intuitive. The camera also allows the system to build a model of the scene, including obstacles, allowing the system to build a collision-free trajectory. The coordinates for the food to reach is then sent to the robot arm MICO by Kinova, which is simulated using ROS and Gazebo. This arm is specifically made to fit on wheelchairs, thus reducing the complexity of required installation and transport. The path planning is then completed and the inverse kinematics of the robot arm is computed in order to reach the food with the tool selected for the project, a fork, at a predefined angle of approach. The food is then brought back to a constant position near the user’s mouth. Everything is done autonomously. By using the developed system, the user can feed himself in an autonomous and intuitive manner. According to the tests, the system is a good proof of concept, having failed none of the 5 attempts, and allows the user to eat two pieces of food in an average time of 90.22 seconds (of which only 18.3% is dedicated to computations). The remaining 81.7% is thus used entirely for the movement of the robot arm, which is due to a physical limitation of the system