Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Conception robotique“

L'objectif des travaux présentés dans cette HDR est de concevoir une méthode de conception orientée vers le comportement et dédiée à la robotique mobile et autonome. Cette méthode doit partir des informations disponibles, à savoir une description de la mission à accomplir. Constatant que les animaux ont un niveau d'autonomie élevé qui permettrait à des robots d'accomplir de nombreuses missions, nous avons choisi de focaliser cette étude, dans le cadre de l'approche animat, sur le “mécanisme de conception” à l'oeuvre dans la nature: la sélection naturelle. Ce processus algorithmique a l'avantage de ne prendre en compte que le résultat, c'est à dire la capacité à transmettre ses gènes dans un cadre naturel. Dans un cadre artificiel, c'est le bon accomplissement de la mission du robot qui est pris en compte. Nous nous sommes intéressé au passage à l'échelle de ces algorithmes en terme de complexité des comportements générés, l'algorithme évolutionniste étant utilisé pour synthétiser la structure et les paramètres d'un réseau de neurones artificiels. Une étude sur la modularité nous a révélé l'importance de la définition des pressions de sélection, conduisant à une approche dite d'exaptation. Nous avons alors proposé l'utilisation d'un cadre multi-objectif dans lequel la fonction de fitness récompensant le bon accomplissement de la tâche du robot est associé à des objectifs qui peuvent être indépendants de ce but, approche dite de “multi-objectivisation”. Dans ce contexte, en plus des travaux sur l'exaptation, nous avons proposé les contributions suivantes: * approche incrémentale multi-objectif: chaque sous-tâche du problème à résoudre est associée à un objectif indépendant. Il n'est alors pas nécessaire de les pondérer, de les ordonner ou de décider quand passer d'une tâche à une autre; * diversité comportementale: un objectif mesurant la distance moyenne au reste de la population dans l'espace des comportement est ajouté pour maintenir une diversité élevée dans cet espace. Cette approche s'est révélée très efficace, même avec les codages de réseaux de neurones les plus simples; * transférabilité: un objectif de transférabilité est maximisé pour faciliter le passage de la simulation à la réalité sans dégradation de performance. Dans la perspective de tendre vers des contrôleurs plus cognitifs et dans le cadre du projet ANR EvoNeuro, nous avons proposé une approche méthodologique s'appuyant sur les neurosciences et consistant à synthétiser des réseaux de neurones proches des modèles développés dans ce domaine. Sur la base d'un codage spécifique, nous avons ainsi reproduit des capacités élémentaires de sélection de l'action ou de mémoire de travail. L'objectif de ce projet est de synthétiser d'autres capacités cognitives en s'appuyant sur des protocoles d'évaluation venant des neurosciences avant de les appliquer dans un cadre robotique. Dans le cadre de ce projet, nous avons développé une méthode d'analyse multi-objectif permettant, sur la base d'une optimisation multi-objectif, de comparer et d'analyser les modèles complexes que les neuroscientifiques manipulent.

La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d'une salle d'opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l'emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d'actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd'hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d'application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d'intégration. Nous étudions d'abord la possibilité d'intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l'analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d'optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d'optimisation à base d'un algorithme de colonie de fourmis est employée.

Les etudes en cours necessitent un outil de simulation dynamique adapte a la conception generalisee. Cette approche est basee sur l'optimisation simultanee des aspects mecaniques et automatiques. Ce travail presente l'introduction des notions d'asservissement au sein d'un logiciel de calcul de structure par la methode element finis. Le logiciel plexus-robotique permet de modeliser au sein du formalisme de plexus, des elements finis classiques (poutres, coques etc), des elements finis de type robotique (articulations, capteurs et actionneurs) et des elements de commande (fonctions de transferts, equations d'etat, fonctions non lineaires etc). Avec plexus-robotique on est capable de construire un prototype virtuel du systeme mecanique asservi. Ceci permet d'avoir une meilleur visibilite du processus de conception

La sténose consiste en un blocage des vaisseaux sanguins qui peut survenir n'importe où dans le corps humain. Lorsqu'un vaisseau alimentant les membres inférieurs est partiellement bloqué, la pression sanguine diminue, causant des douleurs chroniques. Les systèmes modernes d'imagerie médicale en trois dimensions peuvent aider le diagnostic ou la planification d'une intervention chirurgicale de la sténose. Ces appareils coûteux soumettent souvent le patient à de fortes doses de radiations tout en lui injectant un agent contraste pour rehausser la visibilité du système vasculaire. L'échographie fait l'objet de plus en plus de recherches en imagerie 3D comme alternative potentielle permettant de poser un diagnostic de sténose. De plus, les ultrasons ne présentent aucune radiation ionisante et l'appareil est plus abordable. Afin d'effectuer la prise d'images échographiques par le déplacement d'une sonde en contact avec le patient, des robots sont développés. Un robot donne en tout temps la position de la sonde, en plus d'alléger la tâche du radiologue et de rendre possible l'automatisation de l'examen. Cette thèse propose le concept d'un nouveau robot effectuant l'examen échographique 3D des artères des membres inférieurs. Le design mécanique original de ce robot a été élaboré avec pour objectif un fonctionnement hautement sécuritaire pour le personnel de la santé et le patient. Puisqu'aucune norme de sécurité en robotique médicale n"a pu être recensée, une recherche approfondie de la littérature a permis l'élaboration d'une stratégie adaptée au défi posé par l'objectif de départ. Le robot à structure parallèle proposé permet de partager les efforts aux différents moteurs. Ses dimensions ont été mathématiquement déterminées afin qu'il soit en mesure d'effectuer l'examen échographique vasculaire demandant le plus grand déplacement : le balayage des vaisseaux sanguins des membres inférieurs. Conséquemment, tout autre examen demandant un déplacement plus petit pourra être réalisé. Des dispositifs mécaniques d'équilibrage statique ont par ailleurs permis de prédire le comportement du robot lorsqu'il est mis hors tension, en plus de minimiser les effets de la gravité. Enfin, les équations mécaniques détaillées rendront possible la fabrication d'un prototype du système robotique proposé.

La Robotique a connu une évolution remarquable au cours des dernières années, couplée à un intérêt croissant de la société pour ce domaine. Les robots ne sont plus fabriqués exclusivement pour effectuer des tâches répétitives dans les usines, mais ils sont aussi créés pour collaborer avec les humains dans plusieurs domaines d'application d'importance. Les systèmes robotiques qui contrôlent ces robots sont donc de plus en plus larges, complexes et difficiles à développer. Dans ce contexte, l'Architecture Orientée Services (SOA) a été identifiée comme un style d'architecture logicielle prometteur pour concevoir des systèmes robotiques de manière flexible, réutilisable et productive. Cependant, malgré le nombre considérable de Systèmes Robotiques Orientées Services (SORS) existants aujourd'hui, la plupart d'entre eux ont été développés de manière ad hoc. Le peu d'attention et le soutien limité portés à la conception d'architectures logicielles SORS peuvent non seulement masquer les avantages de l'adoption de la SOA, mais aussi réduire la qualité globale des systèmes robotiques, qui sont souvent utilisés dans des contextes de sécurité critiques. Cette thèse vise à améliorer la compréhension et la systématisation de la conception architecturale SORS. Elle décrit une taxonomie des services pour le domaine de la robotique, puis propose un processus ainsi qu'une architecture de référence afin de systématiser la conception d'architectures logicielles SORS. Les résultats obtenus dans les études d'évaluation montrent qu'à la fois le processus et l'architecture de référence peuvent avoir un impact positif sur la qualité des architectures logicielles SORS et, par conséquent, contribuent à l'amélioration des systèmes robotiques<br>Robotics has experienced an increasing evolution and interest from the society in recent years. Robots are no longer produced exclusively to perform repetitive tasks in factories, they have been designed to collaborate with humans in several important application domains. Robotic systems that control these robots are therefore becoming larger, more complex, and difficult to develop. In this scenario, Service-Oriented Architecture (SOA) has been investigated as a promising architectural style for the design of robotic systems in a flexible, reusable, and productive manner. Despite the existence of a considerable amount of Service-Oriented Robotic Systems (SORS), most of them have been developed in an ad hoc manner. The little attention and limited support devoted to the design of SORS software architectures may not only hamper the benefits of SOA adoption, but also reduce the overall quality of robotic systems, which are often used in safety-critical contexts. This thesis aims at improving the understanding and systematization of SORS architectural design

L'objet de ce travail de thèse est l'étude de quelques facettes de la conception d'un système de vision plausible, au sens «apte à résoudre un ensemble de tâches visuelles variées». Tirant parti d'observations sur des systèmes existants tant dans le domaine biologique avec le système visuel humain, que technologique avec la robotique mobile terrestre, nous suggérons la réalisation d'un ensemble d'opérateurs de vision frustes capables de répondre aux exigences de rapidité, robustesse et compacité qui découlent d'un emploi au sein de scénarios réalistes. Trois opérateurs ont finalement été retenus, respectivement chargés de l'extraction de segments de droites, de la segmentation des images en régions de niveaux de gris homogènes, et de la poursuite d'objets colorés. Les impératifs de rapidité et de compacité liés à la réalisation de nos opérateurs de vision nous ont conduit à envisager leur intégration VLSI. La faisabilité d'une telle intégration a été abordée par le biais d'implantations sur un émulateur dédié au traitement d'images temps-réel, et dont l'architecture permet la dérivation automatique de circuits intégrés à partir de résultats d'émulation. Compte tenu de la spécialisation de nos opérateurs de vision, nous insistons sur la nécessité de développer leur contrôle. Nous nous positionnons par rapport aux travaux menés actuellement en vision active et soulignons l'importance du problème de gestion des ressources de calcul. Nous donnons alors deux exemples de gestion de ressources, dans un cadre stochastique adapté à l'incertitude incluse dans nos scénarios. Nous montrons tout d'abord la difficulté de modélisation de nos opérateurs puis détaillons un exemple câblé de gestion, à base de programmation dynamique, ainsi qu'un exemple dynamique dans un contexte de filtrage de Kalman.

La radiologie interventionnelle percutanée permet le diagnostic ou le traitement de tissus cancéreux grâce à l'utilisation d'aiguilles et d'un guidage par imageur. Bénéfique pour le patient, ce type de procédure clinique est en revanche complexe pour le radiologue. Afin de lui apporter une assistance et de contrôler l'aiguille de manière déportée, nous proposons dans ces travaux de réaliser des dispositifs robotisés compliants, donc monoblocs, et multi-matériaux en exploitant la fabrication additive multi-matériaux. Pour y parvenir, nous proposons plusieurs solutions pour réaliser les fonctions cinématique, d'actionnement et de perception. En particulier, nous proposons une nouvelle liaison compliante, la liaison HSC, ainsi qu'un nouvel actionneur pneumatique pour l'insertion d'aiguille. Nous démontrons finalement les apports de la fabrication additive pour la robotique médicale en combinant l'ensemble de ces solutions dans un dispositif assurant un contrôle à distance de l'aiguille<br>Percutaneous interventional radiology permits the diagnosis or the treatment of cancer tissues thanks to the use of needles and imaging devices. Being minimally invasive, such procedures are beneficial for the patient, but for the radiologist, they are highly complex. In order to assist the physician and remotely control the needle, we propose in this work the design and the manufacturing of multi-material compliant devices by taking advantage of multi-material additive manufacturing. To perform the design of such device, we propose several solutions in terms of kinematics, actuation and sensing. In particular, we developed a new compliant joint, the HSC joint, as well as a new pneumatic actuator for needle insertion. In the end, we demonstrate in the thesis the contributions of multi-material additive manufacturing for medical robotics, by combining all those solutions into a single device that remotely controls both the orientation and the insertion of the needle