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Dans le cadre de l'étude d'un système robotique aboutissant à des réalisations concrètes et à partir de l'analyse des travaux de recherche actuels en robotique et en I.A., nous avons choisi les techniques à intégrer et nous avons réalisé: un système de représentation géométrique et relationnel de l'environnement du robot basé sur la structure d'un réseau sémantique hiérarchique, amélioré par l'adjonction de "chemins" définis dans les descriptions fonctionnelles ; des outils de mise en oeuvre, en particulier un module de communication en langage naturel et un générateur de plans utilisant des règles de production et dont la base de faits est en partie constituée de la structure de représentation de l'environnement du robot ; les interfaces avec un système de vision et avec un robot
CE MEMOIRE A POUR OBJET L'ETUDE D'UN SYSTEME DE PROGRAMMATION DE TACHE ET DE CONDUITE D'UN ROBOT INDUSTRIEL, PAR LE BIAIS D'UN DIALOGUE HOMME-MACHINE TOTALEMENT GRAPHIQUE. CE SYSTEME INTEGRE EGALEMENT LES PRIMITIVES FONDAMENTALES DE DECISION, ASSURANT AINSI UNE RELATION DIRECTE AVEC TOUT SYSTEME DE COMMANDE A ARCHITECTURE DECENTRALISEE. L'AUTEUR MODELISE L'ENSEMBLE DE LA COMMANDE ET DE LA PROGRAMMATION DU ROBOT PAR TROIS MACHINES (MACHINES D'EXECUTION, DE RELATION ET DE CREATION), CE QUI LUI PERMET DE SPECIFIER LES CARACTERISTIQUES FONDAMENTALES DU SYSTEME DE PROGRAMMATION DE TACHE ET DE CONDUITE. LA DESCRIPTION DES TACHES EST ENTIEREMENT GRAPHIQUE, NOTAMMENT GRACE A L'INTRODUCTION DE LA NOTION DE MACRO-TRAJECTOIRE, QUI PERMET DE SPECIFIER TOUT A LA FOIS LE DEPLACEMENT ET LES ORIENTATIONS DES OBJETS MANIPULES. L'ENSEMBLE DE CES RESULTATS A CONDUIT A LA REALISATION D'UN LOGICIEL COMPLET DE PROGRAMMATION ET CONDUITE, INTEGRANT UN SYSTEME GRAPHIQUE INTERACTIF DE DIALOGUE HOMME/MACHINE, AUTORISANT AUSSI BIEN DES ACTIONS A EXECUTION IMMEDIATE, QU'A EXECUTION DIFFEREE
Cette thèse décrit une partie du travail effectué dans le cadre du projet européen Symbrion 1 . Ce projet vise à la réalisation de tâches complexes nécessitant la coopération de multiples robots dans un cadre de robotique en essaim (au moins 100 robots opérant ensemble). De multiples problèmes sont étudiés par le projet dont : l'auto-assemblage de robots en structures complexes et l'auto-organisation d'un grand nombre de robots afin de réaliser une tâche commune. Le principal sujet porte sur les mécanismes d'auto-adaptation pour la robotique modulaire et en essaim, avec un intérêt pour des capacités de forte coordination et de coopération à l'échelle de l'essaim.Les difficultés rencontrées dans la réalisation de ce projet sont dues à l'utilisation de robots dans des environnements ouverts restant inconnus jusqu'à la phase de déploiement. Puisque les conditions d'opérations ne peuvent être prédites à l'avance, des algorithmes d'apprentissage en ligne doivent être utilisés pour élaborer les comportements utilisés. Lorsqu'un grand nombre de robots sont utilisés, plusieurs considérations doivent être prise en compte : capacité de communication réduite, faible mémoire, faible capacité de calcul. Par conséquent les algorithmes d'apprentissage en ligne doivent être distribués à travers l'essaim.De multiples approches ont déjà été proposées pour faire face aux problèmes posés par l'apprentissage en ligne décentralisé de comportements robotiques, parmi lesquels la robotique probabiliste, l'apprentissage par renforcement, et la robotique évolutionnaire. Cependant, le problème abordé dans le cadre de cette thèse se caractérise par le fait que l'on considère un groupe de robots (en lieu et place d'un seul et unique robot). De plus, dû à la nature ouverte de l'environnement, il n'est pas possible de supposer que l'ingénieur humain ait les connaissances nécessaires pour définir les éléments indispensables aux processus d'apprentissage.Assurer l'intégrité de l'essaim est placé en tant que premier élément d'une feuille de route visant à définir un ensemble d'étapes nécessaires à la réalisation d'une tâche par un groupe de robot dans un environnement ouvert :- Étape 1 : Assurer l'intégrité de l'essaim.- Étape 2 : Maintenir les robots disponibles en tant que service à l'utilisateur.- Étape 3 : Réaliser la tâche définie par l'utilisateur.Dans le cadre de cette thèse nous travaillons à la réalisation de l'étape 1 de cette feuille de route, et assumons l'hypothèse de travail suivante :Hypothèse de travail : Dans un cadre de robotique collective en environnement ouvert, la réalisation d'une tâche définie par l'utilisateur implique tout d'abord un comportement auto-adaptatif.Le sujet de cette thèse est la réalisation de solutions algorithmiques décentralisées pouvant garantir l'in- tégrité d'un essaim de robots en environnement ouvert lorsque un système robotique collectif utilise une communication locale. La principale difficulté à sa résolution est le besoin de prendre en compte l'envi- ronnement. En effet, en fonction de l'environnement courant, les robots peuvent avoir à démontrer une grande variété de comportements à l'échelle globale comme la coopération, la spécialisation, l'altruisme, ou la division du travail.Dans cette thèse nous introduisons et définissons le problème de l'Adaptation Evolutionnaire Distribuée Guidée par l'Environnement. Nous proposons un algorithme pour résoudre ce problem. Cet algorithme a été validé aussi bien en simulation que sur des robots réels. Il a été utilisé pour étudier le problème de l'auto-adaptation dans les environnements suivants :- Environnement où l'émergence de consensus comportementaux est nécessaire.- Environnements où la robustesse face à des changements environnementaux est nécessaires.- Environnements où des comportements altruistes sont nécessaires.
Avec la construction des robots de plus en plus complexes, la croissance des architectures logicielles robotiques et l'explosion de la diversité toujours plus grande des applications et misions des robots, la conception, le développement et l'intégration des entités logicielles des systèmes robotiques, constituent une problématique majeure de la communauté robotique. En effet, les architectures logicielles robotiques et les plateformes de développement logiciel pour la robotique sont nombreuses, et sont dépendantes du type de robot (robot de service, collaboratif, agricole, médical, etc.) et de son mode d'utilisation (en cage, d'extérieur, en milieu occupé, etc.). L'effort de maintenance de ces plateformes et leur coût de développement sont donc considérables.Les roboticiens se posent donc une question fondamentale : comment réduire les coûts de développement des systèmes logiciels robotiques, tout en augmentant leur qualité et en préservant la spécificité et l'indépendance de chaque système robotique? Cette question induit plusieurs autres : d'une part, comment décrire et encapsuler les diverses fonctions que doit assurer le robot, sous la forme d'un ensemble d'entités logicielles en interaction? Et d'autre part, comment conférer à ces entités logicielles, des propriétés de modularité, portabilité, réutilisabilité, interopérabilité, etc.?A notre avis, l'une des solutions les plus probables et prometteuses à cette question consiste à élever le niveau d'abstraction dans la définition des entités logicielles qui composent les systèmes robotiques. Pour ce faire, nous nous tournons vers l'ingénierie dirigée par les modèles, et plus particulièrement la conception des DSML (Domain Specific Modeling Language).Dans cette thèse, nous réalisons dans un premier temps, une étude comparative des langages de modélisation et de méthodes utilisés dans le développement des systèmes embarqués temps réel en général. L'objectif de ce premier travail étant de voir s'il en existe qui puissent permettre de répondre aux questions susmentionnées des roboticiens. Cette étude, non seulement nous montre que ces approches ne sont pas adaptées à la définition des architectures logicielles robotiques, mais elle aboutit surtout à unFramework, que nous proposons et qui aide à choisir la (les) méthode(s) et/ou le(s) langage(s) de modélisation le(s) plus adapté(s) aux besoins du concepteur. Par la suite, nous proposons un DSML baptisé RsaML (Robotic Software Architecture Modeling Language), pour la définition des architectures logicielles robotiques avec prise en compte de propriétés temps réel. Pour ce faire, un méta-modèle est proposé à partir des concepts que les roboticiens ont l'habitude d'utiliser pour la définition de leurs applications. Il constitue la syntaxe abstraite du langage. Les propriétés temps réel sont identifiées à leur tour et incluses dans les concepts concernés. Des règles sémantiques du domaine de la robotique sont ensuite définies sous forme de contraintes OCL, puis intégrées au méta-modèle, pour permettre que des vérifications de propriétés non fonctionnelles et temps réel soient effectuées sur les modèles construits. Le Framework de modélisation EMF d'Eclipse a été utilisé pour mettre en oeuvre un éditeur qui supporte le langage RsaML.La suite des travaux réalisés dans cette thèse a consisté à définir des transformations de modèles, puis à les utiliser pour implémenter des générateurs. Ces derniers permettent à partir d'un modèle RsaML construit, d'une part, de produire sa documentation et, d'autre part, de produire du code source en langage C. Ces contributions sont validées à travers un cas d'étude décrivant un scénario basé sur le robot Khepera III.
LA REALISATION TECHNOLOGIQUE DE LA STRUCTURE DE CHAINE MECANIQUE OUVERTE D'UN PORTEUR DE ROBOT INDUSTRIEL ENTRAINE L'APPARITION DE DEFAUTS DANS LA GEOMETRIE DE LA TRAJECTOIRE REELLEMENT EFFECTUEE. CES PHENOMENES DEGRADENT LE NIVEAU DES PERFORMANCES METROLOGIQUES DE LA TACHE ROBOTISEE. AUSSI, APRES AVOIR EFFECTUE UN INVENTAIRE DES DIFFERENTES CAUSES A L'ORIGINE DE CES PHENOMENES, IL EST PROPOSE UNE MODELISATION DE LEUR INFLUENCE AU NIVEAU GLOBAL. IL EST PRESENTE ENSUITE UNE APPLICATION LOGICIELLE PERMETTANT DE RECONSTITUER PAR SIMULATION LA TRAJECTOIRE REELLE, A PARTIR DES CARACTERISTIQUES DE LA TACHE ET DU ROBOT. CETTE APPLICATION SERA VALIDEE PAR UNE EXPERIMENTATION SUR UNE CELLULE ROBOTISEE INDUSTRIELLE. ENFIN, EN CONCLUSION DE CE MEMOIRE, L'EXAMEN DES DIFFERENTS AXES D'APPLICATION DE CETTE APPROCHE TECHNOLOGIQUE DEBOUCHE SUR DE NOUVELLES PERSPECTIVES DE RECHERCHE, TANT SUR LE PLAN DE LA CFAO ROBOTIQUE QUE SUR CELUI DE LA CONCEPTION OU DE LA GESTION D'EXPLOITATION DES ROBOTS INDUSTRIELS
LA PLUPART DES ROBOTS ACTUELLEMENT UTILISES DANS L'INDUSTRIE SONT DES ROBOTS A ARCHITECTURE SERIELLE. LES RECHERCHES SUR L'AMELIORATION DES STRUCTURES PASSENT PAR LE DEVELOPPEMENT DE NOUVELLES ARCHITECTURES; C'EST POURQUOI DES ARCHITECTURES DITES PARALLELES ONT ETE DEVELOPPEES. DEPUIS UNE DIZAINE D'ANNEES, DES RECHERCHES MULTIPLES SONT EFFECTUEES DANS CE DOMAINE. CE TRAVAIL CONTRIBUE A CE DEVELOPPEMENT. UN INCONVENIENT IMPORTANT DES ROBOTS PARALLELES ACTUELS RESIDE DANS LEUR FAIBLE VOLUME DE DEBATTEMENT. CELUI QUE NOUS AVONS DEVELOPPE CONSERVE LES QUALITES PRINCIPALES DES STRUCTURES PARALLELES TOUT EN POSSEDANT UN VOLUME DE TRAVAIL SUFFISAMMENT IMPORTANT. L'ETUDE QUE NOUS PRESENTONS VA DE LA CONCEPTION A LA REALISATION D'UN NOUVEAU ROBOT. LES MODELES GEOMETRIQUES INVERSE ET DIRECT DE CE ROBOT Y SONT DEVELOPPES; LE MODELE DIRECT FAIT APPEL A UNE METHODE ITERATIVE. UNE ETUDE THEORIQUE EN FOURNIT LES POSITIONS SINGULIERES PAR UNE METHODE GEOMETRIQUE PROCHE DE LA GEOMETRIE DE GRASSMANN. UNE APPLICATION NUMERIQUE DES RESULTATS TROUVES MONTRENT QUE LE PROTOTYPE DEVELOPPE NE COMPREND PAS DE POSITIONS SINGULIERES DANS SON VOLUME DE TRAVAIL. LES STRUCTURES PARALLELES POSSEDENT DES QUALITES INTRINSEQUES DE PRECISION, DE RIGIDITE ET DE SOLIDITE ENTRAINANT DES AVANTAGES D'UNE IMPORTANCE FONDAMENTALE POUR LA ROBOTIQUE TELLES QUE GRANDES VITESSES, FIABILITE ET EFFICACITE. L'ETUDE ET LE DEVELOPPEMENT DE CES STRUCTURES DOIVENT ENCORE ETRE POURSUIVIS ET DEVRAIENT PERMETTRE DE COUVRIR UN PLUS LARGE SPECTRE DE TACHES ROBOTIQUES
This book presents the results of an assessment of the state of robotics in Japan, South Korea, Western Europe and Australia and a comparison of robotics R&D programs in these countries with those in the United States. The comparisons include areas like robotic vehicles, space robotics, service robots, humanoid robots, networked robots, and robots for biological and medical applications, and based on criteria such as quality, scope, funding and commercialization. This important study identifies a number of areas where the traditional lead of the United States is being overtaken by developments in other countries./a