Anne Kalouguine, doctorante au sein de l’équipe ReV, soutiendra sa thèse intitulée « Marche inspirée de l’humain pour le robot Romeo » / « Human-inspired walking for the robot Romeo »
lundi 6 décembre 2021, en visio.

Jury :
– Directeur de thèse : Yannick AOUSTIN – Professeur des universités, Université de Nantes
– Co-directrice de thèse : Christine CHEVALLEREAU – Directrice de recherche CNRS, LS2N
– Co-encadrant : Sébastien DALIBARD – Ingénieur, SoftBank Robotics Europe
– Rapporteurs : Samer Alfayad – Professeur des universités, Université d’Evry ; Olivier Bruneau – Professeur des universités, ENS Cachan Paris-Saclay
– Autres membres : Olivier Stasse – Directeur de recherche CNRS, LAAS

Résumé : L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de génération de mouvements de marche inspirés de l’humain et adaptés à la plateforme robotique Romeo. La marche recherchée reprend les caractéristiques essentielles de la marche humaine (trajectoire du centre de masse, mouvements du pied libre et des bras) tout en conservant un équilibre dynamique du robot. Une étude bibliographique des mouvements humains permet d’établir les caractéristiques essentielles de la marche qui doivent être conservées. Ces caractéristiques sont ensuite adaptées aux capacités de la plateforme robotique (limites en couple, position, vitesse et accélération des articulations). Un mouvement de marche périodique est généré grâce à l’utilisation du Modèle Essentiel et des caractéristiques définies précédemment. Ces mouvement de marche périodiques sont ensuite enrichis d’une phase de démarrage et d’une phase d’arrêt. La marche complète ainsi obtenue est testée en simulation et sur la plateforme physique.

Mots-clés : Modèle dynamique, Marche bipède, Imitation, Equilibre

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Abstract: The objective of this thesis is to develop a method for generating various human inspired walking movements adapted to the Romeo robotic platform. The desired walking gait must retain the essential characteristics of human gait (trajectory of the centre of mass,foot and arm movements) while maintaining a dynamic balance of the robot. A bibliographical study of human movements is used to establish the essential characteristics of walking that are to be preserved. These characteristics are then adapted to the constraints of the robotic platform (limits in torque, position, speed and acceleration of the robot joints). A periodic gait motion is generated using the Essential Model and the previously defined characteristics. Finally, start and stop walking motions corresponding to the chosen periodic gait are generated. The resulting complete walking motion is tested in simulation and on the physical platform.

Keywords: Dynamical model, Bipedal walking, Imitation, Balance

Benjamin Fasquelle, doctorant au sein de l’équipe ReV, soutiendra sa thèse intitulée « Étude théorique et expérimentale d’architectures innovantes de robots inspirées du cou des oiseaux : conception et commande » / « Theoretical and experimental study of innovative robot architectures inspired by the neck of birds : design and control« 

vendredi 10 décembre 2021 à 10h, dans l’amphi du bât. S, sur le site de Centrale Nantes.

https://univ-nantes-fr.zoom.us/j/97856509685?pwd=dHN5YWpaUFdqWGdmUmFzRTl3OXMxUT09
(ID de réunion : 978 5650 9685 / Code secret : 091340)

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe Wenger
– Co-encadrant : Christine Chevallereau
– Rapporteurs : Philippe Poignet (Professeur des Universités, Université Montpellier, LIRMM); Jean-Pierre Merlet (Directeur de Recherche, INRIA, centre Sophia Antipolis)
– Autres membres : Anick Abourachid (Professeur, Muséum National d’Histoire Naturelle, Mecadev) ; Christian Duriez (Directeur de Recherche, Université de Lille, INRIA Lille); Matthieu Furet (Docteur, Professeur agrégé, Université Toulouse 3); Med Amine Laribi (Maître de Conférence, Université de Poitiers, Institut P’)

Résumé : Les systèmes biologiques représentent une grande source d’inspiration pour les roboticiens.
Les systèmes de tenségrité, composés d’éléments rigides et d’éléments en tension, sont particulièrement adaptés pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systèmes directement dans divers systèmes biologiques. Dans cette thèse, nous étudions un manipulateur inspiré du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possèdent chacun un degré de liberté. Chaque module est un mécanisme de tenségrité composé de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionné à l’aide de câbles, ainsi tous les moteurs se situent à sa base. Le modèle géométrique et le modèle dynamique du manipulateur sont développés, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menée. Un actionnement avec quatre câbles est sélectionné pour un prototype composé de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux méthodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposées. Une identification des frottements moteurs et de l’élasticité des câbles est menée afin d’améliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont développées et testées sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace opérationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisées dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquées ou de produire des mouvements à grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La thèse se termine sur une ouverture vers un manipulateur sous-actionné constitué d’une dizaine de modules.

Mots-clés : tenségrité, bio-inspiration, robotique, robot à câbles, commande

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Abstract: Biological systems are a great source of inspiration for roboticists. Tensegrity systems, composed of rigid and tensile elements, are particularly suitable for bio-inspiration since these systems are found directly in various biological systems. In this thesis, we study a manipulator inspired by the neck of birds. This manipulator is a stack of modules that each have one degree of freedom. Each module is a tensegrity mechanism composed of four bars and two springs. The manipulator is operated by cables, so all the motors are located at its base. The geometric model and the dynamic model of the manipulator are developed, then an analysis of the actuation and the static workspace of the manipulator is conducted. An actuation with four cables is selected for a prototype composed of three modules. This prototype has no direct measurement of the modules orientations, so two methods to calculate these orientations according to the motor positions are proposed. An identification of the motor friction and the elasticity of the
cables is carried out in order to improve the performances of the prototype control, and to have an effective simulator. Three controls are developed and tested on the prototype : a joint control, a control in the space of the motors and a control in the operational area. Trajectories are then optimized in order to produce movements by minimizing the applied forces or to produce high speed movements, as the woodpecker can do when it hits a tree trunk with its beak. The thesis ends with an opening towards an underactuated manipulator made of about ten modules.

Keywords: tensegrity, bio-inspiration, robotics, cable robot, control

Wanda Zhao, doctorant au sein de l’équipe ReV, soutiendra sa thèse intitulée « Conception d’un effecteur pour robots collaboratifs« / « Design of robot end-effector for collaborative robot works »
vendredi 2 décembre 2021 à 10h, dans l’amphi du bâtiment S sur le site de Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Damien CHABLAT (Professeur, LS2N, ECN )
– Co-encadrant : Anatol PASHKEVICH (Professeur, LS2N, IMT Atlantique)
– Rapporteurs : Marc GOUTTEFARDE (LIRMM, CNRS, Montpellier) ; David DANEY (INRIA, Talence)
– Examinateurs : Christian DURIEZ (INRIA, Villeneuve d’Ascq) ; Emmanuelle POUYDEBAT (MECADEV, CNRS, Paris) ; Margot VULLIEZ (Pprime, Université de Poitiers)

Résumé :
L’objectif de cette thèse est la conception de nouveaux effecteurs polyvalents et souples pour les robots collaboratifs, qui sont basés sur des mécanismes de tenségrité multi-segments à double-triangle qui peuvent être actionnés indépendamment pour obtenir la configuration désirée avec de bonne propriétés de rigidité. Contrairement aux effecteurs rigides conventionnels, l’analyse de la rigidité a démontré que ce type de mécanisme peut atteindre une grande flexibilité ; les concepteurs peuvent évaluer la sensibilité de la rigidité de ce mécanisme par rapport à une configuration initiale arbitraire pour différentes combinaisons de paramètres géométriques, de charge externes et de précontraintes des ressorts. Le phénomène de flambage et de quasi-flambage de ce mécanisme sous chargements a été étudié. Une méthode analytique permettant de calculer la force critique de flambage pour cette structure avec un nombre arbitraire de segments a été proposée. Elle est basée sur l’analyse des valeurs propres d’une matrice dépendant des paramètres géométriques et élastostatiques. Cela permet aux concepteurs de prédire ou d’éviter les états dangereux de ce mécanisme en modifiant correctement les paramètres géométriques et les entrées de la commande. De plus, les stratégies de contrôle cinématique basées sur l’optimisation ont été proposées dans cette thèse, ce qui permet à ce mécanisme multi-segment redondant d’atteindre l’emplacement d’une cible et d’éviter les collisions entre l’effecteur et le corps du robot et les obstacles de l’espace de travail. Les avantages de la technique développée sont confirmés par la simulation informatique, et les résultats montrent que ce mécanisme redondant en série a une capacité de changement de forme très flexible tout en traversant l’espace de travail.

Mots-clés : Effecteur de robot, robot souple, mécanisme de tenségrité, analyse de la rigidité, contrôle cinématique.

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Abstract:
This thesis focuses on the design of new versatile and compliant end-effectors for collaborative robot works, which are based on multi-segment dual-triangle tensegrity mechanisms that can be actuated independently to achieve the desired configuration with the required stiffness properties. Different with the conventional rigid robot end-effectors, it was demonstrated from the stiffness analysis that such type of mechanism can achieve high flexibility; designers can evaluate the stiffness sensitivity of this mechanism with respect to an arbitrary initial configuration for different combination of the geometric parameters, external loading and the spring’s pre-stresses. Besides, the buckling and quasi-buckling phenomenon of this serial mechanism under the loading were detected. And an analytical method allowing to compute the critical force causing the buckling for this serial structure with an arbitrary number of segments was proposed, which is based on the eigenvalue analysis of the some special matrix depending on both geometric and elastostatic parameters. This allows designers to predict or avoid the dangerous states of this mechanism by properly changing the geometric parameters and control inputs. Furthermore, the optimization-based kinematic control strategies were proposed in this thesis, which allow this redundant multi-segment mechanism to achieve the target endpoint location and avoid collisions between not only the mechanism end-point but also the mechanism body and the workspace obstacles. The advantages of the developed technique are confirmed via the computing simulation, and the results show that this redundant serial mechanism has a very flexible shape changing capacity while passing through the task space.

Keywords: robot end-effector, compliant manipulator, tensegrity mechanism, stiffness analysis, kinematic control.

Guillaume MICHEL, doctorant au sein de l‘équipe ReV soutiendra sa thèse intitulée « Etude d’un robot d’assistance pour la chirurgie endoscopique otologique et sinusienne » / « Study of an assistance robot for endoscopic otological and sinus surgery »

mercredi 7 juillet 2021 à 10h dans l’amphi S sur le site de Centrale Nantes.

Swaminath Venkateswaran, ancien doctorant au sein de l’équipe ReV, a soutenu sa thèse intitulée « Conception d’un robot bio-inspiré pour l’inspection des canalisations« / « Design of a bio-inspired robot for the inspection of pipelines »

mercredi 4 novembre 2020 à 10h en visio sur https://ec-nantes.zoom.us/j/96080595653 .

Jury :
– M. Belhassen Chedli BOUZGARROU, Professeur d’université, SIGMA Clermont, Clermont Ferrand, France
– M. Damien CHABLAT, Directeur de recherché, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France
– M. Olivier COMPANY, Maître de conférences, Université Montpellier, Montpellier, France
– M. Pierre MORETTO, Professeur d’université, Université de Toulouse-III, Toulouse, France
– M. Ramakrishnan RAMACHANDRAN, Associate Professor, Vellore Institute of Technology, Inde
– M. Pierre RENAUD, Professeur d’université, INSA, Strasbourg, France
– Mme. Margot VULLIEZ, Maîtresse de conférences, Université de Poitiers, Poitiers, France

Résumé : Les robots d’inspection de canalisations jouent un rôle important dans des industries telles que le nucléaire, la chimie et les eaux usées. Ils peuvent opérer avec précision dans un environnement irradié ou pollué, réduisant ainsi les risques pour les humains. Cette thèse porte sur la conception d’un robot bio-inspiré pour l’inspection des canalisations. La thèse commence par l’étude du cas d’un robot d’inspection bio-inspiré rigide qui a été développé au LS2N, France pour AREVA. Des modèles statiques et dynamiques sont développés pour comprendre les forces de serrage et les couples des actionneurs du robot. Des validations expérimentales sont également effectuées sur le prototype pour interpréter les forces d’actionnement en temps réel. Pour améliorer sa mobilité, l’architecture du robot est rendue flexible par l’ajout d’un mécanisme de tenségrité. Deux types de mécanismes de tenségrité sont proposés et analysés avec des méthodes algébriques pour comprendre leurs limites d’inclinaison et pour connaître l’influence des paramètres de conception. Des expériences sont réalisées sur l’un des prototypes des mécanismes de tenségrité développés au LS2N avec deux types de trajectoire en positions horizontale et verticale. Ensuite, une optimisation est réalisée pour identifier les moteurs qui peuvent permettre du robot d’inspection de canalisation flexible de passer les coudes et les jonctions pour une plage donnée de diamètres de tuyaux. Une maquette numérique du robot flexible est réalisée dans un logiciel de CAO.

Mots-clés : Inspection de la canalisation, robots bio-inspirés, tenségrité, singularités, optimisation

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Abstract: Piping inspection robots play an important role in industries such as nuclear, chemical and sewage. They can perform the assigned task with better accuracy and at the same time, they can operate within an irradiated or a polluted environment thereby reducing the risks for humans. This doctoral thesis focuses on the design of a bio-inspired robot for the inspection of pipelines. The thesis begins with the case study of a rigid bio-inspired piping inspection robot which was developed at LS2N, France for a project with AREVA. Static and dynamic force models are developed to understand the clamping forces and the torques on the actuators of the robot. Experimental validations are then done on the prototype to interpret the real-time actuator forces. In order to improve mobility, the robot architecture is made flexible by the addition of a Tensegrity mechanism. Two types of Tensegrity mechanisms are proposed and analyzed using algebraic methods to understand their tilt limits and to identify the influences on the design parameters. Experiments are performed on one of the prototypes of the Tensegrity mechanism developed at LS2N for two types of trajectories in the vertical and horizontal orientations. An optimization approach is then being implemented to identify the sizes of motors that can permit the flexible piping inspection robot to overcome bends and junctions for a given range of pipeline diameters. A digital model of the flexible robot is then realized in CAD software.

Keywords: Piping inspection, Bio-inspired robots, Tensegrity, Singularities, Optimization

Renald Gaboriau, doctorant au sein de l’équipe ReV, soutiendra sa thèse intitulée « Les ateliers Rob’Autisme : le robot extension comme médiation thérapeutique auprès des personnes présentant un trouble du spectre autistique » / « The Rob’Autism groups : the extension robot as a therapeutic mediator for people with Autism Spectrum Disorder »

mercredi 23 septembre 2020 à partir de 16h00 en visio-conférence à l’École Centrale de Nantes.

Jury :
– Directrice de thèse : SAKKA Sophie, Maître de conférences HDR, École Centrale de Nantes
– Co-directeur de thèse : ACIER Didier, Professeur des universités, Université de Nantes
– Rapporteurs : DEVILLERS Laurence, Professeur des universités, Sorbonne Université / RABEYRON Thomas, Professeur des universités, Université de Lorraine
– Examinateurs : CHETOUANI Mohamed, Professeur des universités, Sorbonne Université / HAZA Marion, Maître de conférences HDR, Université de Poitiers

Résumé : L’utilisation des robots comme médiation thérapeutique pour les personnes présentant un Trouble du Spectre Autistique (TSA) est une pratique en plein essor. C’est en effet une méthode encourageante pour favoriser le développement de compétences sociales. De nombreuses expériences sont actuellement menées. Cependant, dans toutes les approches existantes, le paradigme du robot-compagnon est utilisé : le robot est programmé pour présenter des comportements pré-établis. Le projet Rob’Autisme propose une approche alternative : le robot est utilisé comme extension pour faire ou dire des choses. Les sujets présentant un TSA le programment et, par son truchement, agissent librement sur leur environnement social. De plus, ce projet inclut l’idée qu’ils pourront ensuite interagir avec les autres sans le robot. Cette thèse vise à comprendre l’intérêt de cette approche et évaluer les effets de la participation sur les interactions sociales. Durant deux ans, des groupes avec six adolescents ont été organisés et analysés à partir de méthodes quantitatives et qualitatives. Ces analyses montrent que cette approche favorise la tendance à aller vers les autres et interagir avec eux. Ce résultat est en outre généralisé à l’extérieur.

Mots-clés : Projet Rob’Autisme, robot-extension, autisme, groupe thérapeutique, médiation thérapeutique

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Abstract: The use of robots as a therapeutic mediator for peolple with Autism Spectrum Disorder (ASD) is a topic which tends to develop. Indeed, it is a promising method to promote the development of social skills. Many experiments are carried out currently. But in all existing approaches, the companion robot paradigm is used : the robot is programmed to present some pre-established behaviors. Rob’Autism Project propose an alternative approach : the robot is used as an extension for doing or talking things. The autistic subjects program it and therefore act on the social environment freely. This project includes ideas that they will be able to interact with the others without the robot. This thesis aims to understand the interest of this approach and asses the effects of participation on the social interactions. During two years, groups have been set up and analyzed with quantitative and qualitative methods. These analysis show that this approach favors the tendency to go towards the others and interact with them. This result is generalized outside the group.

Keywords: Rob’Autism Project, extension-robot, autism, group therap, therapeutic mediator