Cette thèse présente la conception d'une interface haptique capable de rendre l'interaction physique humain-robot naturelle et intuitive. Il s'agit là d'un sujet d'étude très important avec l'avènement de la robotique collaborative et la présence toujours accrue des robots dans la vie de tous les jours. Les travaux présentés se concentrent sur l'approche macro-mini à titre d'interface haptique, plus particulièrement trois aspects importants lors de la conception d'un système macro-mini.

Le premier chapitre permet d'apprendre à parler physiquement au robot (lui faire comprendre les intentions de l'humain) dans un contexte de déplacement collaboratif. Plus particulièrement, il consiste à comparer différentes méthodes pour traduire les déplacements (ou les intentions) de l'humain à un robot. Dans ce cas, des coquilles à faible impédance sont attachées sur les membrures d'un manipulateur sériel. L'humain interagit avec le robot en déplaçant ces coquilles. La réponse du robot est alors de se déplacer de façon à ce que ses membrures suivent les déplacements de la coquille qui leur est associée pour ainsi les conserver dans leur configuration neutre.

Le déplacement d'une coquille par rapport à sa membrure est considéré comme une vitesse désirée de ladite membrure. Il s'agit donc de résoudre le problème cinématique inverse pour traduire le déplacement de la coquille en déplacement articulaire. Cependant, différentes stratégies peuvent être employées pour résoudre ce problème. Ce projet vise donc à comparer l'efficacité de ces méthodes.

Pour y parvenir, une étude générale de ces méthodes est réalisée. Puis, un formalisme mathématique est décrit pour adapter ces méthodes à l'application présente. En effet, en fonction du type de coquille et de la membrure, tous les degrés de liberté ne sont pas nécessairement possibles. Ce formalisme mathématique permet de tenir compte de ces contraintes. Ensuite, des simulations sont réalisées pour observer le comportement des méthodes étudiées et un indice de performance est choisi pour les comparer.

Ensuite, une fois que le robot est en mesure de comprendre efficacement les intentions humaines, le problème de conception consiste à déterminer comment détecter ses intentions à l'aide d'une interface et surtout, la taille que cette interface doit prendre pour bien parler. En d'autres mots, le second chapitre présente une analyse de l'impact du débattement d'un mécanisme mini actif sur la bande passante mécanique de mouvements possibles lors de la manipulation de charges lourdes.

En effet, l'approche macro-mini utilise généralement un robot mini passif, ce qui fait que l'utilisateur ressent toute l'inertie de la charge. Lorsque la charge devient suffisamment lourde, il est nécessaire pour le mini d'appuyer l'utilisateur en fournissant une force pour conserver l'interaction naturelle. Ceci signifie que le mini doit être actionné, i.e., actif. Il est cependant important que le mini reste rétrocommandable pour le bon fonctionnement de l'approche macro-mini.

Des modèles mathématiques du système sont donc présentés. Les contraintes relatives à l'application sont décrites ainsi que leur impact sur la bande passante. À l'aide d'un contrôleur simple, des simulations sont réalisées à l'aide des outils développés pour déterminer le débattement nécessaire du mini actif qui permet la bande passante désirée.

Enfin, une interface haptique capable de reproduire une poignée de main naturelle et intuitive avec un robot est présentée. Ce chapitre peut être divisé en deux aspects, i.e., la main et le bras. Ici, la main est le robot mini et le bras, le robot macro.

D'abord, un prototype de main robotique est conçu et fabriqué. Inspirée de l'anatomie humaine, cette main robotique possède une paume comprimable capable d'émuler celle de l'humain ainsi que trois doigts sous-actionnés. Un pouce passif, relié au niveau de compression de la paume, complète le tout. Le contrôle de la main se fait via une position avec rétroaction, et ce, pour chacun des deux actionneurs (un pour la paume, l'autre pour les trois doigts).

Ensuite, la main robotique est montée sur un manipulateur sériel collaboratif (le Kuka LWR), le bras. Ce dernier est contrôlé en impédance autour d'une trajectoire harmonique dans un plan vertical. En fonction des paramètres de la trajectoire (amplitude, fréquence, coefficients d'amortissement et de raideur), ce prototype permet de conférer une personnalité active au robot. L'expérimentation faite auprès de sujets humains permet de déterminer les valeurs considérées plus naturelles pour les différents paramètres de la trajectoire ainsi que diverses pistes à explorer pour des travaux futurs.

This thesis presents the design of a haptic interface capable of rendering a physical humanrobot interaction natural and intuitive. It is a very important subject to study with the rise in collaborative robots and the ever-increasing presence of robots in everyday life. The work presented here focuses on the macro-mini architecture as haptic interface, more precisely on three important aspects to consider during the design of a macro-mini system.

The first chapter explores how to physically communicate with a robot (make it understand the human's intentions) in a context of collaborative motion. In more details, the goal is to compare different methods to translate human motions (or intentions) to a robot. In this case, low impedance passive articulated shells are mounted on the links of a serial manipulator. The human operator interacts with the robot by displacing the shells. The robot's response is then to move so that its links follow the motion of their associated shell. The better the robot can follow the shells, the closest to their neutral configuration the shells can remain.

The shell displacement relative to its link is considered as a desired velocity of the link. The translation of the shell displacement into joint motion then becomes an inverse kinematic problem. Different strategies can be used to solve this problem. This project then aims at comparing the efficiency of those strategies.

To this end, a general study of the different strategies is performed. Then, a mathematical formalism is described, adapting said strategies to the present context. Indeed, depending on the type of shell and the position of the link in the chain, all degrees of freedom are not necessarily possible. This formalism takes these limitations into account. Then, simulations are conducted to observe the behaviour of the different strategies studied and a performance index is chosen to compare them.

Afterwards, once the robot is capable of efficiently understanding the human intentions, the next step is to determine how to detect the intentions with the help of an interface and, most of all, what size should this interface have so as to communicate well. In other words, the second chapter presents an analysis of the impact that the range of motion of an active mini mechanism has on the mechanical bandwidth for the possible motions during the handling of large payloads.

Indeed, the macro-mini architecture generally uses a passive mini robot, which means that the human operator feels the whole inertia of the payload. When the payload becomes sufficiently heavy, it becomes necessary for the mini robot to help the operator by working as well so as to keep the interaction natural. This means that the mini robot should then be actuated, i.e., active. It is however important that the mini robot remains backdrivable for the macro-mini architecture to work properly.

Mathematical models are then presented. The limitations related to the application are described, as well as their effect on the bandwidth. With the help of a simple controller, simulations are performed with the tools developed to determine the range of motion necessary for the active mini robot which would allow the desired bandwidth.

Finally, a haptic interface capable of emulating a natural and intuitive handshake with a robot is presented. This chapter can be divided into two aspects, i.e., the hand and the arm. Here, the hand is the mini robot and the arm, the macro robot.

First, a robotic hand prototype is designed and constructed. Inspired by the human anatomy, this robotic hand has a compliant palm able to emulate a human palm as well as three underactuated fingers. A passive thumb, tied to the palm compression level, completes the hand. The hand control is done with position control with feedback for both actuators (one for the palm, the other for the three fingers).

Then, the robotic hand is mounted on a collaborative serial manipulator (the Kuka LWR), the arm. The arm is controlled in impedance around a harmonic trajectory in a vertical plane. Depending on the parameters for the trajectory (amplitude, frequency, stiffness and damping coefficients), this prototype provides an active personality to the robot. Experimentation is conducted with human subjects to determine the values considered more natural for the different trajectory parameters as well as several improvements for the prototype in future works.