Planification et contrôle du mouvement d'un collaborateur volant en fonction de l'homme

Human-aware motion planning and control for a flying coworker

• Auteur / Autrice : Jérôme Truc
• Direction : Daniel Sidobre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Simon Lacroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Fraisse, Florent Lamiraux, Francis Colas, Jacques Gangloff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Pradalier, Jessica Cauchard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande prédictive

Robots -- Mouvements

Robots mobiles

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Interaction humain-robot

Manipulation aérienne autonome

Planification de mouvement coordonné

Robots aériens

Human-Robot Interaction

Autonomous Aerial Manipulation

Coordinated Motion Planning

Aerial Robots

Résumé

Le sujet des travaux de cette thèse vise à planifier les mouvements d'un manipulateur aérien (Un héxa-rotor équipé d'un bras manipulateur) aussi appelé collaborateur volant. Il est utilisé pour interagir avec des humains notamment pour transporter un objet et le remettre à un collègue humain. Le transport d'un objet par le collaborateur volant jusqu'à son destinataire humain pour le lui donner nécessite d'abord de naviguer dans un environnement comportant des obstacles et potentiellement d'autres humains pouvant eux aussi être en mouvement. Au delà du problème classique de la recherche et de l'optimisation d'un mouvement sans collision, cette phase de navigation doit tenir compte des contraintes et préférences humaines. Un aspect important concerne la lisibilité et l'acceptabilité de l'intention du robot afin d'être compris par les humains environnants et notamment son destinataire. De nombreux signaux peuvent être inscrits dans la forme et la dynamique du mouvement d'un robot. Un déplacement rapide du robot en direction d'un humain peut s'avérer inquiétant pour celui-ci. De même qu'un robot qui surgit de derrière un obstacle proche d'un humain peut surprendre. La phase de remise de l'objet à l'humain doit considérer tout ces paramètres en plus du déploiement du bras qui doit proposer un transfert de l'objet en toute sécurité et considérer le confort du collègue humain. La coordination du mouvement entre la base et le bras du collaborateur volant est un atout pour améliorer la fluidité du mouvement le long de sa trajectoire et signaler son intention au plus tôt pour que les humains puissent réagir en conséquence. La position des humains et des obstacles de l'environnement étant amenées à varier fréquemment, la planification des mouvements du collaborateur volant doit être réalisée de manière réactive et adaptative. Nous présentons KHAOS un système de planification réactive considérant les contraintes et préférences humaines en plus des contraintes cinématiques du collaborateur volant. Basé sur un algorithme d'optimisation stochastique, il déforme un chemin à l'aide de coût sociaux et cinématiques et génère une liste de points de passages donnant les positions et vitesses pour la navigation dans un espace 3D. Nous utilisons un générateur de trajectoire basé sur des B-Spline dans le but de former une trajectoire continue en temps passant par les positions et respectant les vitesses donnés par la liste de points de passages de KHAOS. En procédant ainsi nous fournissons une trajectoire respectant la cinématique du collaborateur volant à chaque instant et permettant l'exécution directe par un contrôleur bas niveau. Nous étendons ensuite les capacités de KHAOS en appliquant des contraintes supplémentaires afin qu'il puisse également planifier les mouvements du bras et de l'objet en plus de la base dans le but de naviguer et réaliser une tâche de remise d'objet. Dans cette extension, les mouvements sont planifiés de manière coordonnée permettant un mouvement fluide et sans interruption durant le déroulement de la tâche.

The subject of this thesis is to plan the motions of an aerial manipulator (a hexa-rotor equipped with a manipulator arm) also called a Flying Coworker. It is used to interact with humans, in particular to transport an object and deliver it to a human coworker. The transport of an object by the Flying Coworker to its human receiver to give it to him requires first to navigate in an environment with obstacles and potentially other humans who may also be in motion. Beyond the classical problem of finding and optimising a collision-free motion, this navigation phase must take into account human constraints and preferences. An important aspect is the legibility and acceptability of the robot's intention in order to be understood by the surrounding humans and in particular its receiver. Many signals can be embedded in the shape and dynamics of a robot's motion. A fast motion of the robot towards a human may be alarming to the human. Similarly, a robot that emerges from behind an obstacle and close to a human can be surprising. The handover phase must consider all these parameters in addition to the deployment of the arm, which must offer a safe handover of the object and consider the comfort of the human coworker. The coordination of the motion between the base and the Flying Coworker's arm is an asset to improve the smoothness of the motion along its trajectory and to signal its intention as soon as possible so that the humans can react accordingly. As the position of humans and obstacles in the environment are likely to vary frequently, the planning of the Flying Coworker's motions must be done in a reactive and adaptative manner. We present KHAOS, a reactive planning system considering human constraints and preferences in addition to the kinematic constraints of the Flying Coworker. Based on a stochastic optimisation algorithm, it deforms a path using social and kinematic costs and generates a list of waypoints giving positions and speeds for navigation in a 3D space. We use a B-Spline based trajectory generator to form a continuous trajectory in time through the positions and speeds given by the KHAOS waypoint list. By doing so we provide a trajectory that respects the kinematics of the Flying Coworker at each instant and allows direct execution by a low-level controller. We then extend the capabilities of KHAOS by applying additional constraints so that it can also plan the arm and object motions in addition to the base in order to navigate and perform an object handover task. In this extension, the motions are planned in a coordinated manner allowing smooth and uninterrupted movement during the task.