Une étude sur les spécificités de la commande dans le micromonde.

National audienceThe development of micro and nanotechnologies requires the design of microrobots and Microsystems able to handle submillimetric objects. Many micromanipulation systems have been built. However, improvement of the performances requires the use of advanced control methods. In this paper, we present the main characteristics of the microworld from a control point of view and some control strategies adapted to the microsystems

Smart Principles for Knowledge-based Urban Development: Case Finnish Railway Station Areas

Cities undergo continuous transformation processes, which have unique characteristic manifestations over time. The changes in many Finnish cities currently focus on the vicinity of railway station areas due to changes in regional structures and rail transport, as well as the densification of city centres. The enthusiasm for this kind of development is also increased by the special features of railway station areas, which seem to provide opportunities for new kinds of local economic and innovation policies. Railway station areas are also favourable locations for the application of various smart city technologies and services. In this article, we analyse the development of Finnish railway station areas as part of a wider continuum of urban development where both economic and innovation policies unify with urban planning. Case studies confirm our outlook of knowledge-based urban development transitioning to a new phase. This provides the prerequisites for interesting connections between railway station areas, the concept of a smart city and open innovation. One of the aims of our article is to bring together various themes that are brought up in smart city discussions and urban planning by introducing new kinds of spatial planning principles, which can be placed in three categories: 1) smart profiling, 2) smart design and 3) smart innovation

Hierarchical reinforcement learning for adaptive and autonomous decision-making in robotics

In recent years, Reinforcement Learning has been able to solve extremely complex games in simulation, but with limited success in deployment to real-world scenarios. The goal of this work is create an ecosystem in which Reinforcement Learning algorithms can be deployed onto real robots in complex games. The ecosystem begins with the creation of a development pipeline which can be used to progressively train Reinforcement Learning Algorithms in increasingly realistic scenarios, culminating with the deployment of these algorithm onto a real system. The pipeline is paired with the novel Reinforcement Learning algorithms that are better able to adapt to new scenarios than traditional methods for autonomy and robotic planning.We implement two techniques to enable this adaptation. First, we implement a hierarchical Reinforcement Learning architecture that uses differentiated sub-policies governed by a hierarchical controller to enable fast adaptation. Second we introduce a confidence-based training process for the hierarchical controller which improves training stability and convergence times. These algorithmic contributions were evaluated using our development pipeline

Synthèse sur la conception, commande et planification de trajectoire d'une interface de locomotion pour la réadaptation de la marche

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017Cette thèse synthétise la conception d'une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L'automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d'une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l'utilisateur. L'équilibre de l'utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d'élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d'appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c'est-à-dire la marche au sol, la marche d'escalier ascendante et la marche d'escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d'établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l'architecture mécanique de l'interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s'effectue. L'architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l'interaction entre le mécanisme et l'opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d'élancement et la phase d'appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l'inertie apparente de l'effecteur ressentie par l'utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu'interface pour réduire davantage l'impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d'appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d'équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l'interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l'utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l'espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d'un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d'un escalier mécanique inversé.This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator

Augmentation de performance des doigts sous-actionnés par actionnement multiple

RÉSUMÉ Les préhenseurs font partie des éléments critiques en robotique, notamment lorsqu’ils sont amenés à saisir des objets de formes et de grandeurs différentes. L’utilisation typique d’un actionneur pour chaque degré de liberté (DDL) constitue un système complexe nécessitant généralement l’utilisation de plusieurs capteurs et d’algorithmes de contrôle évolués. Les concepts sous-actionnés, pour leur part, ne nécessitent généralement pas ces éléments. Ils suscitent donc un intérêt grandissant et font l’objet de plus en plus d’études, le coût et le poids devenant des enjeux inévitables. La plupart des mécanismes sous-actionnés n’utilisent pas plus d’un actionneur agissant sur les mêmes DDL. Pour les doigts sous-actionnés, sujet de ce mémoire, l’utilisation d’un seul actionneur peut limiter les performances. L’objectif de la présente étude est de quantifier les avantages de l’actionnement multiple, c’est-à-dire l’utilisation de plusieurs actionneurs. Deux cas sont étudiés. Le premier porte sur l’amélioration des performances du point de vue de la saisie d’objets. Le deuxième porte sur le contrôle de la trajectoire de fermeture, c’est-à-dire le mouvement libre du doigt sans qu’il y ait contact avec un objet. Dans le premier cas, l’amélioration des performances de la prise englobante, c’est-à-dire enveloppant l’objet en maximisant le nombre de contacts, est évaluée pour différentes combinaisons d’actionneurs, après une optimisation de la géométrie pour chacune d’entre elles. Deux architectures sont étudiées, une pour laquelle un maximum de trois couples d’actionnement sont distribués à l’intérieur du mécanisme, et l’autre pouvant accueillir deux actionneurs dans la paume. Pour la première, une amélioration marquée de la performance est observée, alors que pour la deuxième, la différence est plutôt modeste. Dans le deuxième cas, l’architecture comportant deux actionneurs dans la paume est optimisée pour obtenir deux trajectoires de fermeture différentes. L’actionnement du doigt par un des actionneurs occasionne une trajectoire analogue à une prise englobante alors que l’utilisation du second en occasionne une pour laquelle la phalange distale demeure perpendiculaire à la paume. Un prototype de ce doigt ayant le comportement escompté est présenté. À la lumière de cette étude, il est clair qu’il y a avantage à utiliser plusieurs actionneurs sur un doigt sous-actionné, que ce soit pour améliorer les performances de la saisie d’objets ou pour permettre le contrôle de la trajectoire de fermeture.----------ABSTRACT Grippers are one of the critical elements in robotics, especially when they get to grasp differently shaped and sized objects. Typical use of one actuator per degree of freedom (DOF) leads to complex mechanisms generally needing many sensors and advanced control algorithms. However in most cases, underactuated designs do not need those components. Therefore, underactuated grippers are the focus of a growing number of works as cost and weight become inescapable issues. Most underactuated mechanisms use no more than one actuator for a set of DOF. As for underactuated fingers, topic of this work, using a single actuator can limit their performance. The main objective of this work is to quantify the advantages of multiple drive actuation, i.e., using several actuators. Two cases are studied. The first focuses on grasp performance augmentation. The second one is about motion control. In the first study case, grasp performance augmentation is assessed for various combinations of actuators, geometry being optimized for each one. Two architectures are studied, one for which a maximum of three torques inputs are distributed throughout the mechanism, and another able to accommodate two actuators in the palm. For the first one, a significant performance amelioration is observed, while for the second one, the difference is modest. In the second study case, the architecture using two actuators in the palm is optimized in order to obtain two distinct closing motions. Driving the finger with one actuator leads to a enveloping grasp like motion, while using the second one leads to a pinch grasp preshaping, i.e., a closing motion for which the distal phalanx remains perpendicular to the palm. A prototype showing the expected behaviour is presented. In the light of this study, it is clear that using several actuators on an underactuated finger is an advantage, whether it be for grasp performance augmentation or to allow motion control

A morphological design and evaluation model for the development of circular facades

The current construction industry can be characterized by its linear model of material use resulting in waste with its possible negative impact on the environment and society. As a solution to the inefficient material use of the construction industry, they should strive to a circular model of material use. This can be obtained by the application of the circular economy concept. However, clear guidance on how to apply the circular economy concept in buildings is still to be fully developed. In this research, a Circular Building Framework (CBF) and a Morphological Design and Evaluation Model (MDEM) have been developed for the facade. The CBF forms the starting point of the MDEM by providing a holistic view on all aspects related to the design and functioning of circular buildings. The MDEM forms a first draft to apply two essential principles ‘design for disassembly’ and ‘design for adaptability’ in the development of circular designed facades. In the MDEM two types of conceptual circular facade design solutions are identified making the facade designer aware about the consequences of different design decisions. The application of the MDEM will reclaim the embodied values of facade products by enabling them to enter re-life options at high quality

Traitement des signaux EMG et son application pour commander un exosquelette

Le vieillissement de la population dans notre société moderne va entraîner de nouveaux besoins pour l’assistance aux personnes âgées et pour la réhabilitation. Les exosquelettes sont une piste de recherche prenant de plus en plus d’importance pour répondre à ces nouveaux challenges. Deux de ces challenges sont, la réalisation d’un contrôle naturel pour l’utilisateur et la sécurité. Cette maîtrise cherche à répondre à ces deux problématiques. Nous avons donc développé un outil de travail informatique utilisant les décharges électriques produites par les neurones moteurs pour contracter les muscles et un modèle des os et des muscles du bras. Cet outil utilise la librairie informatique ROS et OpenSim. Elle permet de connaître la force et le mouvement développés par le coude. De plus, un autre outil informatique a été développé pour optimiser le modèle des os et des muscles du bras pour le personnaliser à l’utilisateur pour un meilleur résultat. Une carte d’acquisition utilisant des électrodes de surface pouvant être reliées avec un ordinateur par USB et compatible avec ROS a été développée. Pour tester les algorithmes développés, un exosquelette pour le coude utilisant un actionneur compliant et contrôlé en force a été conçu. Pour compenser le poids de l’exosquelette et l’effet d’amortissement passif de l’actionneur, une compensation de gravité dynamique a été développée. Finalement, des expérimentations ont été menées sur l’efficacité de l’optimisation du modèle et sur l’exosquelette avec les différents algorithmes

Préparer un cours interactif pour le Web, la baladodiffusion et le mode présentiel à l'ère des Web 2.0 et 3.0

En donnant accès à la théorie de la géométrie projective sous l'angle des médias interactifs, le projet Perspective théâtrale sur la géométrie projective permet une expérience unique d'apprentissage et de communication en ligne. De la formulation des objectifs à la maquette, il a fallu s'approprier les contenus, les catégoriser, les diviser, les relier, les structurer. Ce mémoire fait état de la démarche de structuration des ressources médiatisées d'un cours de géométrie projective et d'une pièce de théâtre sur la vie du mathématicien créateur de cette théorie, puis de la diffusion de ces contenus sur la Toile, par baladodiffusion ou en mode présentiel, en ayant recours au Web collaboratif et sémantique. Ces nouveaux contextes d'échange permettent de passer outre les contraintes de distance, de temps et de disponibilités des personnes intéressées, tout en transmettant des informations à jour sur un sujet et en faisant participer activement les utilisateurs à façonner et partager leur expérience d'apprentissage. L'information sémantique attachée à chacune des unités médiatiques permet une appropriation des contenus sous de multiples facettes: linéairement, constructivement, artistiquement. Une ontologie ajoute une enveloppe conjonctive aux contenus, donnant une structure de navigation cohérente. Cette ontologie permet à la fois de gérer les différentes ressources multimédias du projet, de construire le portail les diffusant et d'offrir aux usagers des interfaces interactives pour les manipuler. Des créateurs aux usagers, tous manipulent et profitent de la structure de l'ontologie et des ressources qui la composent. Brain Cuts, un éditeur de courts métrages, est un exemple d'outil permettant aux usagers d'agréger eux-mêmes les ressources multimédias du cours. Les nouveaux outils qu'apporte l'avènement du Web sémantique aideront peut-être à construire un écosystème de connaissances (Knowledge Ecosystem) sur la Toile. Ce projet sert de plateforme expérimentale à ces nouveaux moyens interactifs en éducation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Médias interactifs, Toile, Web, Web sémantique, Ontologie, Téléapprentissage, Théâtre, Mathématiques, Géométrie projective, Gestion des connaissances