Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Les besoins sans cesse croissants de l’humain ont entrainé dans leur sillage, la nécessité pour les industries, de s’adapter et de se moderniser. Cette modernisation est rendue possible, grâce aux énormes avancées faites dans le domaine de la robotique, qui placent de plus en plus l’humain, au poste de conception et de commande, afin de bénéficier de ses fortes capacités d’adaptation et de réflexion. Ce faisant, les travaux de bas niveaux sont de plus en plus confiés au partenaire robotique avec des niveaux d’autonomie variées, partant de l’automatisation basique à la collaboration avec le partenaire humain. Ce couplage humain-robot nécessite une structure de robot particulier dénommé selon la littérature sous le format de robot collaboratif, en abrégé, cobot. Il est caractérisé par une absence de barrière entre l’humain et le robot, qui travaillent dorénavant l’un à côté de l’autre et parfois même, en synergie. Ce travail de recherche vise à considérer l’humain dans la boucle d’interaction comme une composante dynamique, en tenant compte de son comportement vis-à-vis du partenaire robotique ou encore de l’espace de travail partagé entre les deux. En effet, l’humain exhibe pour le partenaire robotique des comportements pouvant être considérés comme normaux ou anormaux pour lesquels, ce dernier devrait pouvoir y apporter une réponse juste. Cette réponse varie selon l’objectif de l’interaction vue par le robot et peut aller du prisme de la simple signalisation, à la modification de la trajectoire robotique ou de son comportement en passant éventuellement par l’arrêt complet du partenaire robotique. La question de l’efficience, en termes d’interaction humain-robot, revêt un intérêt grandissant pour la communauté scientifique et l’industrie. Elle va des approches de commande de plus en plus intuitives et conviviales, aux approches d’action robotique garantissant en tout temps la sécurité du partenaire humain tout en conservant les paramètres de productivités concurrentiels. Ce travail de thèse indexe tour à tour ces sous groupements. Le premier volet de ce travail de recherche s’intéresse à établir une structure unifiée de comportements humains (normaux et anormaux) ainsi qu’un cadre conceptuel des matrices d’actions robotiques en cas de détection des comportements anormaux de l’opérateur humain. Le deuxième volet à ce travail de recherche s’intéresse à la communication des actions de commande de l’humain en direction du robot, en l’occurrence, de l’intuitivité et de la disponibilité de cette dernière en tout temps et en particulier pour des applications comme la troisième main robotique où les bras de l’humain sont occupés. Dans cette optique nous nous intéressons à la commande de systèmes complexes exploitant des gestes à base de pieds en étendant par rapport à ce qui est proposé dans la littérature une plus large gamme de gestes. Par ailleurs, une nouvelle méthode de reconnaissance basée sur un couplage entre le DTW (alignement temporel dynamique) et le SVM (classificateur à machine à vecteur support) est proposée. Le troisième volet de ces travaux de recherches considère que, l’humain lors de ses travaux collaboratifs, peut être amené à quitter et à rentrer dans l’espace de travail à souhait selon une planification prévisionnelle préétablie. De même, l’on considère aussi que l’opérateur humain ne peut pas exhiber en tout temps des comportements normaux c’est-à-dire ceux attendus par le système. Ces comportements dits anormaux sont de nature à entraver le bon fonctionnement du système collaboratif. Leurs manifestations se font le plus souvent au travers d’une variabilité temporelle des tâches associées à l’opérateur humain. Pire encore, ces comportements dits anormaux de l’opérateur humain peuvent poser pour lui-même un risque sécuritaire à court terme et des troubles musculosquelettiques à long terme. Il convient dès lors, de pouvoir réagir adéquatement lors de l’occurrence de tels comportements. Diverses propositions dans la littérature sont formulées pour indexer ce problème mais posent la limite de considérer les tâches de l’humain comme étant soit modifiables ou encore ré-allouables à d’autres ressources disponibles. Une autre partie de la communauté adresse le problème en considérant l’humain comme partie intégrante en tout temps de l’espace collaboratif et ne tiennent pas compte du changement de modes relatif à la possibilité ou non pour l’humain de quitter l’espace de travail pour des opérations normales de fonctionnement. Nous nous intéressons ici à des formulations de planification de tâches qui tiennent compte non seulement de la variabilité temporelle de l’opérateur lors de l’interaction avec le partenaire robotique, mais aussi du changement de mode qui s’accompagne lors de l’entrée et la sortie de l’humain dans la zone collaborative. La question de planification est formulée en tenant compte du type des tâches du robot selon qu’ils peuvent être exécutés en parallèle ou non à la présence de l’opérateur humain. Le problème est reformulé dans ce cadre en une combinaison de problèmes de type voyageur de commerce et sac à dos et déployé dans un format prédictif-réactif pour s’accommoder de toutes déviations non prévues en fonctionnement réel.

The ever-increasing needs of people have brought the need for adaptation and modernization of industries. This modernization is feasible due to the significant advances in robotics that increasingly position humans in the role of designing and controlling, leveraging their strong capabilities for adaptation and reflection. As a result, low-level tasks are delegated to robotic partners with varying degrees of autonomy, ranging from basic automation to collaboration with human partners. This type of human-robot collaboration requires a special robotic structure known as a collaborative robot or cobot. Cobots are characterized by the absence of barriers between humans and robots, allowing them to work side by side and sometimes even synergistically. The goal of this research is to consider the human as a dynamic element in the interaction loop. The human’s actions towards the robot partner or in the shared workspace is examined. The human can exhibit behaviors that may be perceived as normal or abnormal by the robotic partner, and it should be able to respond suitably. This response will vary based on the purpose of the interaction, ranging from simple signalling to modifying the robotic partner’s trajectory or behavior, or even bringing it to a complete stop. The scientific and industrial communities are increasingly concerned with the efficiency of human-robot interaction. It varies from control approaches that are becoming more intuitive and user-friendly to approaches that always ensure the safety of the human partner, while still maintaining competitive productivity parameters. This thesis sequentially indexes these subgroups. The initial phase of this research work aims to propose a unified structure of human behaviors (normal and abnormal) as well as a conceptual framework of robotic reaction matrices when subject to abnormal human operator behaviors. The second part of this research work focuses on the communication of control actions between humans and robots. Specifically, we aim to improve the intuitiveness and availability of such communication, particularly for applications like the third robotic hand. This is crucial when the human’s arms are occupied. We are exploring the use of foot-based gestures to control complex systems, expanding upon the range of gestures described in previous literature. In addition, we propose a novel recognition approach that couples DTW (Dynamic Time Warping) and SVM (Support Vector Machine classifier). The third part of this research examines collaborative work where the human operator has the flexibility to enter and exit the workspace based on a planned schedule. It also considers that the human operator cannot always exhibit normal behaviors, i.e., those expected by the system. These so-called abnormal behaviors are likely to hinder the smooth running of the collaborative system. They most often manifest themselves through the temporal variability of tasks associated with the human operator. Worse still, these so-called abnormal behaviors may themselves pose a short-term safety risk and long-term musculoskeletal disorders. The robot partner, therefore, need to be able to react appropriately when these so-called abnormal behaviors occur. Various proposals have been put forward in the literature to address this problem, but most of them are limited to considering human tasks as either modifiable or transferable to other available resources. Another part of the community addresses the problem by always considering the human as an integral part of the collaborative space and does not take into account the change of modes relative to the possibility of the human leaving the workspace for normal operations. We are interested here in task planning formulations that take account not only of the operator’s temporal variability when interacting with the robotic partner, but also the change of mode that accompanies the human's entry into and exit from the collaborative zone. The planning question is formulated taking into account the type of robot tasks, depending on whether or not they can be performed in parallel with the presence of the human operator. The problem is reformulated in this framework as a combination of a traveling salesman and a knapsack problem and deployed in a predictive-reactive format to accommodate any unanticipated deviations online.