ReV - Robotique Et Vivant
Thématiques de l'équipe
Les thèmes de recherche de l’équipe REV sont :
Action bio-inspirée
Les travaux ont principalement porté sur l’étude de la locomotion pour des robots humanoïdes ou animaloïdes via des aspects modélisation et commande.
La recherche sur la robotique animaloïde est historiquement issue de nos travaux passés sur la locomotion bio-inspirée, en particulier la nage, mais aussi le vol battant inspirée de l'insecte, ou la reptation des robots serpents hyper-redondants. Plus récemment, nos travaux en ce domaine ont consisté : (1) en une fusion dans une théorie complète et unifiée de tous ces travaux ; (2) en leur redéploiement vers la robotique continue et molle, ainsi que la nage inspirée des serpents. Dans le premier contexte, l'idée est de produire une vision synthétique de la dynamique de la locomotion basée sur des outils de mécanique géométrique sur les fibrés principaux. L'une des idées fortes de la robotique bio-inspirée consiste à exploiter la morphologie (et plus généralement les interactions physiques du corps avec l'environnement), afin de de déporter la résolution des problèmes de commande vers les niveaux les plus bas de la cognition (boucles sensori-motrices). Ces mêmes idées nous ont progressivement menées à étudier comment les (grandes) déformations d'appendices compliants passifs peuvent être exploitées aux bénéfices des performances locomotrices, avec des applications au vol et la nage, inspirées des insectes et poissons respectivement. Ces dernières contributions représentent le pivot entre l'unification de nos travaux passés et leur redéploiement vers la robotique molle. Dans ce second domaine, nous poursuivons une approche basée sur le modèle des Cosserats, historiquement introduit en robotique par notre groupe, et actuellement en plein essor dans cette communauté.
Nos travaux sur les robots nageurs se poursuivent au travers d’une collaboration avec l'EPFL. Ils portent sur les interactions corps/environnement et a manière dont ils déterminent la structure de réseaux neuronaux grâce aux retours sensoriels extéroceptifs. En nage bio-inspirée, le nouvel axe de recherche soutenu par l'ANR JCJC SSSNAEQ et la région (NATRIX), s'attaque aux problèmes de posture et d'équilibre de robots serpentiformes hyper redondants à la surface de l'eau. Inspirées des serpents semi-aquatiques, de nouvelles lois de commande qui assurent la stabilité de la tête lors de manœuvres, sont aujourd'hui testées sur nos modèles et seront prochainement implémentées dans un robot serpent inédit, actuellement en cours de conception.
Perception bio-inspirée
Nos travaux sur le sens électrique se sont déploient selon trois axes : (1) la navigation réactive des AUV seuls ou en essaim ; (2) la reconnaissance d’objets ; (3) l'assistance à la télémanipulation sous-marine par boucle électro-haptique. Dans le premier axe, nous avons étudié le problème de l’évitement d’obstacle et/ou la recherche d’objets ainsi que le suivi des frontières d'objets de formes arbitraires en mode actif (le robot produit son champ électrique et mesure ses perturbations par l’environnement). Le mode passif du sens électrique (le champ est exogène) a également été appliqué à la navigation réactive d'un robot dans un champ électrique exogène contrôlé. Ces derniers résultats ont été appliqués au problème du « docking » d'un AUV à une station fixe ou mobile, dans des conditions difficiles (eaux troubles voire boueuses). Dans le projet européen SubCULTron (FET-H2020), nous avons équipé un essaim de près de cent robots du sens électrique. Outre d'étendre le sens électrique à l'eau de mer, ce projet nous a permis d'explorer ses modalités d'usage dans le cas multi-robots avec de nouveaux problèmes tels que la désynchronisation décentralisée de l'activité électrique des robots, et l'exploitation combinée des modes actifs et passifs pour la navigation grégaire. Ceci nous a permis de réaliser des comportements collectifs tels que l'agrégation et la communication inter-robots. En parallèle de ces travaux en navigation réactive, nous nous sommes attaqués au problème inverse réputé difficile (mal posé, mal conditionné), de l'identification d'objets (de forme ellipsoïdale) par sens électrique. Ce résultat est une première dans la communauté et n'avait été produit jusqu'alors qu'en simulation, et dans la communauté la plus avancée des mathématiques appliquées. Le troisième axe de développement a consisté à inclure le sens électrique dans une boucle haptique afin d'assister la télé-opération sous-marine en conditions difficiles (eaux troubles). L'approche développée exploite la modalité haptique du sens électrique qui de ce point de vue, peut être assimilé à un toucher sans contact". Plus précisément, le champ électrique produit par un capteur équipant l'organe terminal d'un bras télé-opéré esclave se déforme en présence d'un obstacle, et ces déformations (mesurées par des courants électriques), sont traduites en forces, renvoyées vers un bras maître guidant l'opérateur à distance.
Assistance et l’aide à l’humain
Cet axe vise des applications médicales ou paramédicales (outils pour les chirurgiens, prothèses, exosque- lettes, accompagnement de l’autisme ou Alzeimer) ou l’assistance à l’humain en contexte industriel (étude de la fatigue, sécurité).
Etude de l’assistance avec des Exosquelettes et des prothèses : Cette recherche se déploie grâce à l’impulsion de la région via le projet Longévité, Mobilité et Autonomie (LMA), et des collaborations avec le CHU de Nantes dans le cadre du projet MODERATO. Que cela soit pour la réhabilitation, palier une amputation, ou l’assistance des membres inférieurs, supérieurs ou corps entier, de nombreux problèmes ouverts apparaissent dans la littérature. Nous nous sommes focalisés sur les questions ouvertes suivantes. Quelles sont les articulations du corps humain à privilégier pour assister la personne ? Quels points d’accroche entre l’humain et le système d’assistance devons-nous choisir pour que l’aide soit la plus efficace possible sans engendrer des contraintes insupportables sur le corps humain ? Quelle est l’influence de la masse de l’exosquelette sur la personne assistée ? Comment améliorer la précision de préemption d’une prothèse de main robotique ? Nous avons mis à profit notre expérience sur l’étude des robots bipèdes, humanoïdes et la définition de mouvement de marche pour mener des études sur le comportement dynamique du couple humain-exosquelette. Cela nous a permis de mettre en évidence l’apport de l’assistance pour reproduire un mouvement de marche par une personne équipée d’un exosquelette pour palier un handicap de son système locomoteur. Cela a été réalisé pour des mouvements de marche dans le plan sagittal. Les méthodes mises en œuvre sont fondées sur des mouvements balistiques et le calcul de l’énergie dépensée durant la phase impulsionnelle ou encore des mouvements optimaux [hal-01178930]. De même, nous avons exploré la solution d’un exosquelette passif avec blocage du genou et montré son intérêt pour préserver l’énergie de l’humain [REV17-AINT1]. Les systèmes d’assistances par leur poids, leur inertie, influencent notablement les effets dynamiques des mouvements. Un travail de thèse analyse ces effets pour un mouvement de squat. Les couples articulaires ont été estimés à l’aide de deux modèles : un modèle 3D sur Opensim et un modèle sagittal sur Matlab. L’objectif à terme est de tenir compte des effets inertiels de la prothèse, voire de les compenser et de pouvoir définir un apport de l’assistance de la prothèse uniquement lorsque c’est nécessaire suivant les phases du mouvement à effectuer. Pour une prothèse de genou, les résultats espérés sont de diminuer la taille de son actionneur. En lien avec l’équipe SIMS du LS2N nous menons une recherche fondamentale sur la décomposition de signaux intra-musculaires pour déterminer les motoneurones du système nerveux centrale qui créent l’activité musculaire. Nous avons ainsi établi un modèle d’état probabiliste (modèle de Markov caché) pour reproduire l’apparition et la disparition des moto-neurones (MNs) issues du système nerveux central. Les MNs et les fibres musculaires invervées forment les unités motrices qui contribuent à la réalisation d’un mouvement. Actuellement la grande majorité des prothèses myoélectriques sont commandées par un signal qui est l’image d’une énergie moyenne de la mesure des signaux EMG. Nous souhaitons à terme utiliser la décomposition du signal ElectroMyoGraphique (EMG) pour déterminer les MNs actifs afin de commander une prothèse myoélectrique. La décomposition de signaux intra-musculaires permet de déterminer l’activité d’un muscle. Notre espoir est avec un ensemble d’électrodes intra-musculaires de permettre à la personne amputée de commander sa prothèse de main avec une dextérité supérieure à ce qui est possible actuellement. Nous avons acquis des mains robotiques à 15 ddl qui ferons office de banc de test pour notre stratégie de commande de prothèse. Ce travail se fait en étroite collaboration avec l’Imperial Collège de Londres et qui est expert du traitement des signaux EMG. Ce travail, actuellement, est loin, très loin d’être achevé mais pour l’instant, il est valorisé par les travaux suivants [REV19-AINT12], [REV19-AINT11] et [REV17-CINT2].
Etude de la fatigue musculaire : Depuis plus de 10 ans l’équipe travaille sur la modélisation de la fatigue musculaire et de la récupération pour prédire les temps maximum de travail, prévenir des maladies musculo- squelettiques, et améliorer les postes de travail. Deux thèses ont été préparées et soutenues depuis 2015, M. Deep Seth [REV16-AINT13] et Mme Jing Chang. Les premiers travaux ont réalisé le lien entre la capacité maximale pour générer un effort ainsi que sa fatigabilité développé dans les modèles de fatigue avec les signaux EMG générés par les muscles pendant la réalisation de tâches cycliques en prenant en compte les phénomènes de co-contraction [REV16-AINT13]. Ces travaux ont aussi permis d’étudier la co-contraction et son effet sur la fatigue [REV16-CINT17]. Puis, un nouveau critère basé sur l’étude de la valeur efficace (RMS) a été introduit pour la caractérisation des signaux EMG [REV16-CINT7]. L’objectif de ce travail a été d’introduire la fatigue sur un modèle d’humain complet avec le logiciel OpenSim. Nous avons travaillé sur la mise à l’échelle des propriétés musculaires en fonction du poids, de la taille et du volume du corps, l’étude de la fatigue sur une trajectoire de jogging [REV17-CH2] et pendant une activité de perçage [REV19-CH1]. Ce travail a pu mettre en évidence, en fonction de la posture, l’activité musculaire des bras et du reste du corps. Ce résultat nous montre que l’étude de l’activité musculaire ne peut pas se limiter à une partie du corps.
Collaboration homme-robot sécure : La génération de mouvements pour des robots est un savoir-faire ancien de l’équipe robotique. Depuis 30 ans, des travaux ont ainsi été réalisés sur le choix de l’architecture, le place- ment optimal de robot, et la planification de mouvements. De nouveaux défis sont apparus avec la robotique collaborative. L’objectif est la génération de mouvement en prenant en compte la présence de l’opérateur. Des travaux ont ainsi été réalisés pour garantir la sécurité de l’opérateur en tenant compte de la réglementation et du ressenti de l’humain lors de mouvements du robot. Cela se traduit, en fonction de la distance de l’humain par rapport au robot, par un changement de sa vitesse de déplacement puis par un changement de mode d’asservissement [REV18-AINT16]. Un brevet a été déposé dans le cadre du projet IRT FAST. Une application similaire a été développée dans le projet Robot++ en collaboration avec l’équipe Romas pour un usage sur les lignes de production de la société Saunier Duval à Nantes. L’utilisation de robots collaboratifs comme interface à contact intermittent pose les mêmes problèmes que ceux abordés dans le projet IRT FAST pour la génération des mouvements du robot. Le défi à relever est d’éviter les collisions entre le bras robotique tout en permettant à l’opérateur de toucher son effecteur. Ce travail est réalisé dans le cadre de l’ANR LobbyBot.
Assistance au geste chirurgical : Dans le cadre d’un projet avec le CHU de Nantes, une thèse co-encadrée avec le Prof Philippe Bordure a pour objectif de créer une troisième main pour assister le chirurgien pendant des interventions dans les sinus et dans l’oreille moyenne. L’intégration dans un projet pluridisciplinaire des compétences médicales et robotiques a permis la création d’une architecture robotique garantissant la sécurité du patient grâce à l’éjection rapide de l’endoscope. Ce mécanisme fait l’objet d’une demande de brevet. Ce travail s’appuie sur un état de l’art de la problématique en robotique et en médecine afin de garantir son originalité et sa brevetabilité.
Médiation Robotique : En 2014 a été amorcé un programme de recherche “Médiation Robotique”, consistant à repenser l’usage du robot comme médium dans des applications thérapeutiques [hal-01716504]. Les ap- proches classiques proposent le robot comme “compagnon”, c’est-à-dire comme un interlocuteur mécanique sollicitant un patient comme le ferait un thérapeute humain. En opposition, le programme “Médiation Robotique” le place comme une prothèse en communication, programmé par les patients pour s’exprimer et communiquer en groupes : c’est le robot “extension” [REV17-AINT17]. Deux populations ont fait l’expérience : des adolescents qui présentent des troubles du spectre autistique (Rob’Autisme) et des personnes qui souffrent de la maladie d’Alzheimer (Rob’Zheimer). Les analyses qualitatives et quantitatives montrent une progression conséquente des habiletés sociales dans des temps très courts (20+1 heures de programme) ainsi qu’un apaisement de l’angoisse autorisant une augmentation des temps de concentration, de la socialisation, de la communication volontaire et cohérente. Cette recherche est pluri-disciplinaire entre médical (CHU de Nantes, centre pédopsychiatrique pour Grands Enfants et Adolescents et faculté d’orthophonie), psychologie (Université de Nantes, LPPL), Robotique sociale (Centrale Nantes, LS2N), expertise de terrain (Association Robots!, EHPAD Les Eglantines et centre culturel Stereolux). Une expérience pédagogique est en cours de développement (Rob’Educ).
Conception bio-inspirée
L’objectif de l’axe “Conception bio-inspirée” est de s’inspirer de la morphologie des animaux et des humains pour concevoir de nouvelles structures de robots et résoudre des problèmes d’ingénierie. Cette activité porte en particulier sur le développement d’architectures innovantes de mécanismes de robots inspirées du système musculo-squelettique de certains animaux et en particulier d’oiseaux, ainsi que sur le développement de mains humanoïdes.
Tenségrités : Le principe de tenségrité réside dans la mise en œuvre d’éléments en compression et en tension qui interagissent pour former un système stable auto-contraint. Ce principe confère à un tel système des propriétés mécaniques remarquables au regard de son poids. De plus, il est capable de se déformer et reprendre sa forme naturellement. Enfin, le principe de tenségrité peut être exploité pour concevoir des structures ou des mécanismes déployables (applications spatiales, mais aussi médicales) ou présentant plusieurs équilibres stables entre lesquels il peut y avoir des commutations. L’idée est d’exploiter ces propriétés pour la conception d’architectures de mécanismes de robots innovants. La tâche est complexe dès lors qu’il s’agit de faire se mouvoir de telles structures tout en maintenant les principes de tenségrité. Les applications sont nombreuses (robots légers, robots compliants, réduction des impacts dus aux collisions, ...). Au travers d’une collaboration avec le Muséum National d’Histoire Naturelle dans le contexte du projet ANR AVINECK, l’équipe s’est penchée sur le développement de bras manipulateurs qui s’inspirent du cou des oiseaux. Cet organe, que l’oiseau utilise comme un bras pour les tâches quoitidiennes, possède des propriétés remarquables comme une excellente dextérité. L’équipe, notamment dans le cadre des thèses de Matthieu Furet et Benjamin Fasquelle, a travaillé sur les modélisations géométrique, cinématique, statique et dynamique, ainsi que la mise en oeuvre de stratégies de conception et de lois de commande efficaces [REV19-AINT10], [REV19-AINT4] et [REV20-CINT]. Ces travaux ont permis de comparer plusieurs stratégies d’actionnement (nombre d’actionneurs, cheminement des câbles) ainsi que deux types d’articulation en tenségrité (anti-parallélogramme et pivot). Un prototype plan a été réalisé pour confronter simulations et expériences. Les tout premiers résultats mettent en évidence la nécessité de prendre en compte dans les modèles, les frottements et l’extension des câbles. Lorsque l’on assemble de nombreuses vertèbres, le modèle de rigidité devient équivalent à celui généré lors de l’étude des poutres ou des robots avec des flexibilités localisées. Des problèmes de flambements dans les structures de tenségrité doivent alors être étudiés. Ces problèmes sont similaires à ceux rencontrés pour les robots sériels et parallèles. La modélisation avec des flexibilités localisées permet une résolution sous forme symbolique [REV17-AINT15]. Les travaux de thèse de M. Wanda Zhao ont pour objectif la généralisation de ces résultats en intégrant dans les structures, des ressorts et/ou des câbles pour rechercher les conditions de stabilité. Les phénomènes de flambage des structures sont étudiés ainsi que les minimums locaux pour des structures hyper-redondantes.
Conception d’architectures robotiques pour la locomotion : La conception d’architecture pour la locomotion bio-inspirée a été utilisée dans le cadre : (1) d’un robot se déplaçant dans des canalisations pour de l’inspection et (2) d’un robot se déplaçant sur des structures de bateaux pour des opérations de soudage. Dans les deux cas, la cinématique et la dynamique changent lors de chaque étape de la locomotion comme pour les robots parallèles à actionnement variable ou pour les robots humanoïdes. Le premier projet a été initié dans le cadre d’une collaboration entre le LS2N et AREVA. Ce robot utilise la locomotion péristaltique ici reproduite en 5 étapes [REV19-AINT9]. Partant de cette problématique et des premiers résultats obtenus dans la thèse de Renaud Henry, un robot est en cours de développement par Swaminath Venkateswaran pour valider la fixation du robot à chacune des étapes [REV18-AINT5], développer une architecture de commande simple et franchir les coudes. Pour ces franchissements difficiles, les structures de tenségrité sont utilisées pour piloter les jonctions entre les éléments du robot. Le système peut aussi être composé uniquement de ressorts et de corps rigides si l’on souhaite un comportement passif [REV19-CINT13]. Ce projet permet de mutualiser des outils avec le projet ANR Avineck et a été financé dans le cadre d’un PEPS “Ingénierie Inspirée par la Nature” via le projet “RobotVer”. Le second projet nous a conduit à la création d’un robot mobile portant un robot de soudage pour augmenter son espace de travail. Ce robot utilise le principe de locomotion arboricole du perroquet pour se déplacer sur des structures de bateau. Ce projet est porté par l’IRT Jules Verne qui a déposé un brevet sur la base de notre travail. Un prototype a été réalisé par la société Europe Technologie en utilisant notre cahier des charges. Il est en cours de test aux Chantiers de l’Atlantique. Ces travaux utilisent des résultats obtenus dans le cadre de l’étude des robots parallèles à actionnement variables issus de l’ANR SIROPA sur le robot NAVARO. Dans ce contexte, des travaux ont ainsi été réalisés pour générer les mécanismes avec des mobilités variables grâce à l’usage de freins sur certaines articulations sans l’ajout de moteur [REV18-AINT4]. Ces modèles sont similaires à des changements d’appuis lors de phase de locomotion. La généralisation des modèles de rigidité basée sur les flexibilités localisées a aussi été établie pour ces robots particuliers [REV19-CINT7].
Mains humanoïdes sous-actionnées : Les mains des humains et les préhenseurs des robots sont souvent dé- volus à la prise d’objets. La thèse de M. Giulio Cerruti a permis la création d’une main ayant deux modes de fonctionnement, le premier permet la prise d’objet tandis que le second est dédié à la production de gestes so- ciaux pour la communication entre le robot et l’humain [REV16-CINT4]. Un dispositif pour passer d’un mode à l’autre a été breveté. Il utilise le phénomène de flambement d’une partie du mécanisme de transmission, pour “briser” le couplage des mouvements entre les phalanges. Basée sur cette expérience, la thèse de M. Pol Hamon a pour objectif de concevoir une main pour saisir des pièces de formes complexes produites par des fraiseuses. L’objectif est alors de créer des doigts avec des actionneurs pneumatiques pouvant s’adapter spatialement aux formes des objets. Cette adaptabilité spatiale est obtenue par l’usage de mécanismes sphériques dont la posture d’équilibre est assurée par des ressorts.
