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H/F PhD Sur l'équilibre multi-contact et critères de sécurité dans les interactions physiques rapprochées entre humains et humanoïdes

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mercredi 29 septembre 2021

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Informations générales

Référence : UMR5506-ABDKHE-008
Lieu de travail : MONTPELLIER
Date de publication : mercredi 8 septembre 2021
Nom du responsable scientifique : Abderrahmane Kheddar
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Une offre de thèse est ouverte au CNRS (www.cnrs.fr) - Université de Montpellier (www.umontpellier.fr) , LIRMM (www.lirmm.fr) en collaboration avec HONDA (Japon) sur la recherche fondamentale en interaction physique humano-humanoïde avec des perspectives d'assistance pour les personnes fragiles.

Le sujet principal de cette recherche est la planification et le contrôle de robots humanoïdes en interaction physique multi-contact rapprochée avec une personne humaine (tâches d'assistance prédéfinies), en tenant compte de la perception humaine, de l'équilibre dynamique, de la sécurité et des incertitudes qui doivent être prises en compte à la fois au niveau de la planification et du contrôle dans l'espace des tâches. Les incertitudes qui doivent être prises en compte sont, par exemple, le positionnement de l'homme par rapport au robot, le manque de connaissances sur les limites de forces musculaires réelles de l'homme, les incertitudes sur les contacts de l'homme avec son environnement et sur les contacts de l'interaction robot-homme. Le travail comprend également un volet concernant l'application des pratiques et des compétences des aides-soignants et des essais sur des patients réels dans des centres EHPAD dans le sud de la France.

DÉROULEMENT DE LA THÈSE

Au cours de la première année, la recherche se concentrera sur la modélisation du problème de l'équilibre dynamique 3D dans des contextes multi-contacts du point de vue des aspects fondamentaux du calcul géométrique (des connaissances sur les polytopes, les sommes de Minkowki seront appréciées). L'idée est de revisiter plusieurs approches existantes ; par exemple, celles basées sur la relation entre le centre de masse et son accélération et les forces de contact en considérant les contacts multimodaux fixes/mobiles (les contacts mobiles sont ceux utilisés pour supporter le mouvement de la personne, les fixes sont les contacts entre le robot et son environnement. Une comparaison avec d'autres approches, par exemple dans quelle mesure le point de capture 3D, le ZMP 3D étendu peuvent être utilisés dans ce contexte, sera également effectuée. La première étape consiste à optimiser le temps de calcul en considérant un point de contact mobile. Des expériences réelles permettront d'évaluer les algorithmes par le biais d'un cas d'utilisation où l'humanoïde doit pousser une boîte rigide ayant différents poids placés sur un plan incliné afin d'émuler un robot aidant une personne à se lever ou à s'asseoir, etc. A la fin de l'année, si possible, nous envisageons de remplacer cette boîte par une personne valide. Afin de réaliser l'expérience avec une personne, les contacts souples et le contrôle de la manipulation en multi-contacts seront étudiés. Parallèlement à l'équilibre dynamique, le contrôleur sera aussi étendu pour gérer des contacts compliants. Comme expérience canonique, nous considérerons la manipulation d'une boîte déformable localement ayant une rigidité proche de celle d'un humain et de différents poids.

Pour la deuxième année, les études sur l'équilibre dynamique seront étendues à la paire homme-robot. C'est-à-dire : comment le robot peut construire une représentation mathématique des contraintes d'équilibre dynamique de l'humain et l'utiliser pour planifier et contrôler en ligne l'assistance au mouvement d'une personne. L'estimation du centre de masse humain a été étudiée dans plusieurs travaux récents et pourrait être évaluée dans diverses postures. De plus, l'estimation des forces de contact à partir de la vision est également étudiée au sein de notre groupe. Nous pouvons nous baser sur les technologies existantes et les améliorer pour les adapter à l'interaction physique entre l'homme et l'humanoïde avec des paramètres multi-contacts afin de calculer l'ensemble des contraintes d'équilibre dynamique de l'homme lorsqu'il est manipulé par l'humanoïde. Cet ensemble sera couplé à celui du robot et on considérera le contrôle dans des conditions de perte soudaine de contact (par exemple, lorsqu'une personne se lève d'une chaise, le contact entre son corps et la chaise disparaît et, par conséquent, les contraintes d'équilibre dynamique peuvent changer de “forme”). La recherche doit également prendre en compte les questions de robustesse liées à la sécurité, telles que les incertitudes sur les emplacements de contact, les incertitudes sur le modèle de contact, les incertitudes sur l'emplacement du centre de masse humain, etc. Au cours de cette année, la manipulation multi-contact compatible avec le contrôleur est testée sur certains cas d'utilisation définis par HONDA. Des expériences sur des cas d'utilisation réels seront définies à partir de nos recherches actuelles avec des centres de vieillissement (EHPAD) dans le sud de la France. Elles pourront être testées dans le cadre de ce projet en utilisant le robot HONDA (Asimo ou le nouveau robot) sur des sujets sains au Japon.

Pour la dernière année, en fonction des réalisations de l'année précédente, la recherche sera poursuivie mais orientée vers l'intégration du contrôle du corps entier pour des essais avec des patients réels. Au niveau fondamental, et pour augmenter le niveau de sécurité de l'assistance humanoïde, l'éventualité pour le robot de planifier des contacts supplémentaires à la volée peut être envisagée. C'est-à-dire que nous considérons que le contrôleur est capable de générer des contacts à la demande pour augmenter les marges de sécurité. Ce problème pourrait être abordé par la question suivante : étant donné une trajectoire souscrite du CdM et une région initiale avec contact, comment et où générer un contact (éventuellement à la volée) qui soit conforme à l'expansion nécessaire de la région d'équilibre dynamique du CdM. En d'autres termes, quel contact prendre pour imposer un chemin de CoM souhaité ?

Résultats attendus en fin de thèse
- Démonstrateur final selon les scénarios et les exigences choisis par HONDA (y compris la localisation du démonstrateur) en France et au Japon.
- Au moins une publication dans un journal de rang A+
- Rédaction et soutenance de la thèse de doctorat
- Recommandations technologiques et plans futurs
- Diffusion et présentation devant le panel et les officiels de HONDA.

Contexte de travail

Date de début : novembre 2021
Durée : 3 ans
Lieu : principalement à Montpellier (sud de la France, ville de la côte méditerranéenne) avec des séjours potentiels courts (1 mois) ou relativement longs (plus d'un mois à Tokyo, Japon).
Compétences recherchées : Master en mathématiques appliquées ou géométrie computationnelle ou optimisation ou mécanique théorique avec de bonnes compétences en programmation C++, Python. Des connaissances en IA et en apprentissage automatique sont un plus.
Environnement de développement : https://github.com/jrl-umi3218/mc_rtc
Plateformes robotiques : HRP-4, Pepper et Honda Asimo (et autres Honda)

Contraintes et risques

Sans objet

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