Contrôle optimal inverse de systèmes de mouvements biologiques redondants

Inverse optimal control for redundant systems of biological motion

• Auteur / Autrice : Adina Panchea
• Direction : Nacim Ramdani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies industrielles
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Francesco Nori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nacim Ramdani, Francesco Nori, Philippe Souères, Frédéric Jean, Olivier Buttelli, Philippe Fraisse, David Daney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Souères, Frédéric Jean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Redondance (ingénierie)

Commande, Théorie de la

Algorithmes optimaux

Cinématique

Visualisation

Observation (méthode scientifique)

Mécanique humaine

Mots clés libres

Contrôle optimal inverse

Optimisation et de contrôle optimal

Biomimétique

La cinématique

Le mouvement et la planification de parcours

Suivi visuel

Direct/Inverse Dynamics formulation

Motion control

Systèmes redondants

Dynamics

Inverse optimal control

Optimization and Optimal control

Biomimetic

Kinematics

Motion and Path Planning

Visual Tracking

Direct/Inverse Dynamics Formulation

Motion control

Redundant systems

Dynamics

Résumé

Cette thèse aborde les problèmes inverses de contrôle optimal (IOCP) pour trouver les fonctions de coûts pour lesquelles les mouvements humains sont optimaux. En supposant que les observations de mouvements humains sont parfaites, alors que le processus de commande du moteur humain est imparfait, nous proposons un algorithme de commande approximative optimale. En appliquant notre algorithme pour les observations de mouvement humaines collectées: mouvement du bras humain au cours d'une tâche de vissage industrielle, une tâche de suivi visuel d’une cible et une tâche d'initialisation de la marche, nous avons effectué une analyse en boucle ouverte. Pour les trois cas, notre algorithme a trouvé les fonctions de coût qui correspondent mieux ces données, tout en satisfaisant approximativement les Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions d'optimalité. Notre algorithme offre un beau temps de calcul pour tous les cas, fournir une opportunité pour son utilisation dans les applications en ligne. Pour la tâche de suivi visuel d’une cible, nous avons étudié une modélisation en boucle fermée avec deux boucles de rétroaction PD. Avec des données artificielles, nous avons obtenu des résultats cohérents en termes de tendances des gains et les critères trouvent par notre algorithme pour la tâche de suivi visuel d’une cible. Dans la seconde partie de notre travail, nous avons proposé une nouvelle approche pour résoudre l’IOCP, dans un cadre d'erreur bornée. Dans cette approche, nous supposons que le processus de contrôle moteur humain est parfait tandis que les observations ont des erreurs et des incertitudes d'agir sur eux, étant imparfaite. Les erreurs sont délimitées avec des limites connues, sinon inconnu. Notre approche trouve l'ensemble convexe de de fonction de coût réalisables avec la certitude qu'il comprend la vraie solution. Nous numériquement garanties en utilisant des outils d'analyse d'intervalle.

This thesis addresses inverse optimal control problems (IOCP) to find the cost functions for which the human motions are optimal. Assuming that the human motion observations are perfect, while the human motor control process is imperfect, we propose an approximately optimal control algorithm. By applying our algorithm to the human motion observations collected for: the human arm trajectories during an industrial screwing task, a postural coordination in a visual tracking task and a walking gait initialization task, we performed an open loop analysis. For the three cases, our algorithm returned the cost functions which better fit these data, while approximately satisfying the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimality conditions. Our algorithm offers a nice computational time for all cases, providing an opportunity for its use in online applications. For the visual tracking task, we investigated a closed loop modeling with two PD feedback loops. With artificial data, we obtained consistent results in terms of feedback gains’ trends and criteria exhibited by our algorithm for the visual tracking task. In the second part of our work, we proposed a new approach to solving the IOCP, in a bounded error framework. In this approach, we assume that the human motor control process is perfect while the observations have errors and uncertainties acting on them, being imperfect. The errors are bounded with known bounds, otherwise unknown. Our approach finds the convex hull of the set of feasible cost function with a certainty that it includes the true solution. We numerically guaranteed this using interval analysis tools.