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THSE Pour lobtention du grade de DOCTEUR DE LUNIVERSITE DE POITIERS Facult des Sciences Fondamentales et Appliques (Diplme National Arrt du 7 aot 2006) cole doctorale Sciences et Ingnierie en Matriaux, Mcanique, Energtique et Aronautique Domaine de recherche : Gnie mcanique, productique, transport et bio-ingnierie Prsente par Luc Boutin BIOMIMTISME : GENERATION DE TRAJECTOIRES POUR LA ROBOTIQUE HUMANODE A PARTIR DE MOUVEMENTS HUMAINS Directeurs de thse : Sad ZEGHLOUL et Patrick LACOUTURE Soutenue le 2 dcembre 2009 Devant la Commission dExamen JURY G. Poisson X. Wang L. Romdhane P. Seguin P. Lacouture S. Zeghloul Professeur dUniversit Directeur de Recherche Professeur dUniversit Maitre de confrences Professeur dUniversit Professeur dUniversit Universit dOrlans INRETS, Lyon/Bron Ecole Nationale dIngnieurs de Sousse Universit de Poitiers Universit de Poitiers Universit de Poitiers Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur L'tre humain croira toujours que, plus le robot parat humain, plus il est avanc, complexe et intelligent. Paroles du personnage de Elijah Baley dans Les robots de l'aube Isaac Asimov, J'ai lu, 1988 (tome 2, page 245) Mais avez-vous dj rencontr C3PO ? Robot R2D2 5 Remerciements CetravailateffectuauseinduLaboratoiredeMcaniquedesSolidesde PoitiersdirigparleprofesseurOlivierBonneau.Jetiensluiexprimertoutema gratitudepourmavoirdonnlopportunitdetravaillersurunsujetsetrouvantla frontiredelquipedeMcaniquedugestesportifetdelquipeMcanismeset robotique du laboratoire, cela dans un laboratoire pluridisciplinaire trs enrichissant. Jetienstoutdabordremercierlensembledesmembresdujurypourleurs remarques pertinentes qui ont contribu llaboration de ce document, notamment GrardPoissonetXuguangWangsuitelalectureetauxrapportsdupremier manuscrit.MerciaussiPascalSeguinpoursesnombreusespropositionsde corrections et damlioration du document. Durant ces trois ans de recherche, le professeur Patrick Lacouture ma accord toute sa confiance et ma donn les moyens humains et matriels de raliser les analyses du mouvement humain au sein dune quipe jeune et passionne. DemmejesuisreconnaissantenversleprofesseurSadZeghloulquimapermis dintgrer rapidement lquipe et a suivi la progression de mon travail avec un grand intrt. Lavancement complet de ce travail naurait pas pu tre abouti sans la collaboration fructueuseetefficacedAntoineEon.Nousavonsputravaillersurdesthmatiques trsprochesmaistoujoursenparfaitecomplmentarit.Derichesdiscussionssont encore attendre de nos projets de recherche en commun. Je souhaite aussi exprimer ma reconnaissance tous les membres des quipes du laboratoirequimontpermisdemintgrerrapidementdanslesdeuxdomaines scientifiquesettechniquesquesontlabiomcaniqueetlarobotique.Jeveux madresser spcialement aux membres du dsormais clbre bureau 3W04 : Fabien, TonyetEric,ainsiqunotrebureauaquariumderoboticiens :Nael,Antoine, Vincent, Fred, Riadh, Pascal, Samir et les autres. La collaboration avec le JRL-France fut, pour ce projet, un vritable challenge, mais aussiunechancedepouvoirappliquerlesmthodesdveloppesdesrobots humanodes la pointe de la technologie actuelle. Les trajectoires gnres pourront 6Remerciements dansunavenirprochetretestessurlesrobotsToulousepourHRP-2ou Montpellier pour HOAP-3. Durantmadernireannedethse,uneopportunittrsenrichissantemat accorde par le professeur Ceccarelli de contribuer un travail de recherche dans le laboratoire LARM de lUniversit de Cassino. LEcole doctorale SPI&A de luniversit de Poitiers ainsi que le CIES Centre mont permis de financer ce projet qui a abouti la mise en place dune collaboration plus intense entre les deux laboratoires. Je tiens remercier toutes les personnes qui ont bien voulu nous consacrer un peu deleur temps pour participerauxexprimentationset auxcapturesde mouvement. Ltudedumouvementhumainneseferapassansledvouementdespersonnes qui nous entourent. Un grand merci eux. Jesouhaiterendrehommagemesparentsquimonttoujourssoutenudansmes projetsdtudeetquimontdonnlesmoyensdeconstruiremavieetmacarrire dans des conditions trs favorises. MercimachreetcourageuseAudreypoursarelectureattentivedudocument final ainsi que pour son soutien durant la finalisation de ces travaux. 7 Table des matires REMERCIEMENTS5 TABLE DES MATIERES7 AVANT-PROPOS11 0. DE LHUMAIN AU ROBOT13 0.1. LHISTOIRE DE LANALYSE DU MOUVEMENT HUMAIN13 0.2. DES PREMIERS AUTOMATES AUX ROBOTS HUMANODES15 0.3. LIMITATION DU MOUVEMENT HUMAIN17 I. ENREGISTREMENT ET ANALYSE DU MOUVEMENT HUMAIN21 1. PROTOCOLE DE MESURE23 1.1. LES TECHNIQUES DACQUISITION24 1.2. LE MATERIEL A DISPOSITION AU LMS28 1.3. CHOIX DU MODELE CINEMATIQUE HUMAIN29 1.4. POSITIONNEMENT DES MARQUEURS31 1.5. LOCALISATION DES CENTRES ARTICULAIRES34 CONCLUSION35 2. EXTRACTION DES DONNEES ARTICULAIRES37 2.1.MOUVEMENT DES SEGMENTS DANS LE REPERE TERRESTRE37 2.2.MATRICE DE ROTATION INTERSEGMENTAIRE ET EXTRACTION ANGULAIRE41 2.3.ETUDE DE LINFLUENCE DU CHOIX DE LA SEQUENCE43 CONCLUSION53 3. DETECTION DES EVENEMENTS DE CONTACT55 3.1.DESCRIPTION DE LA PROBLEMATIQUE55 3.2.LES METHODES EXISTANTES ET LEURS LIMITES56 3.3.LES DONNEES DENTREE DU PROBLEME58 3.4.MODIFICATION DE LA METHODE HPA61 3.5.COMPARAISON DES PERFORMANCES DES ALGORITHMES63 CONCLUSION74 8Table des matires 4. ANALYSE DE LA LOCOMOTION HUMAINE77 4.1.ANALYSE TEMPORELLE77 4.2.TRAJECTOIRES DES CDM ET CDP80 4.3.MOUVEMENTS DES MEMBRES INFERIEURS87 4.4.PARTICIPATION DES MEMBRES SUPERIEURS89 CONCLUSION ET DISCUSSION91 CONCLUSION DE LA PREMIERE PARTIE93 II. GENERATION DE TRAJECTOIRES POUR LES ROBOTS HUMANODES95 5. PRINCIPE DE TRANSPOSITION AU ROBOT97 5.1.PROBLEMATIQUE97 5.2.ADAPTATION AUX LONGUEURS SEGMENTAIRES DU ROBOT99 5.3.PRESENTATION DU PROCESSUS DE TRANSPOSITION101 5.4.ARCHITECTURE DES ROBOTS HUMANODES103 5.5.TRAJECTOIRES DES MEMBRES SUPERIEURS105 5.6.ORIENTATION DU BASSIN106 CONCLUSION107 6. EQUILIBRE ET DYNAMIQUE DU ROBOT MARCHEUR109 6.1.CRITERES DE STABILITE DUN ROBOT MARCHEUR109 6.2.FORMULATION MATRICIELLE DYNAMIQUE DUN SYSTEME POLYARTICULE113 6.3.CALCUL DU ZMP120 CONCLUSION121 7. DEFINITION DES TRAJECTOIRES DES PIEDS ET DU ZMP DE REFERENCE123 7.1.DEFINITION DES PHASES ET SOUS-PHASES DE MARCHE123 7.2.TRAJECTOIRES DE REFERENCE DES PIEDS125 7.3.TRAJECTOIRES DE REFERENCE DU ZMP128 CONCLUSION131 8. EVITEMENT DE COLLISIONS133 8.1.LIMITES DES TRAJECTOIRES DE REFERENCE DES PIEDS133 8.2.DEVELOPPEMENT DUNE STRATEGIE DEDIEE134 8.3.AUTRES METHODES ENVISAGEABLES ET AUTO-COLLISION138 CONCLUSION139 Table des matires9 9. RESOLUTION DU MODELE GEOMETRIQUE INVERSE141 9.1.DEFINITION DES CONTRAINTES A RESPECTER141 9.2.CINEMATIQUE INVERSE142 9.3.ALGORITHME DE CINEMATIQUE INVERSE DEDIE148 CONCLUSION150 10. LES EXEMPLES DAPPLICATION : HRP-2 ET HOAP-3151 10.1.LA MARCHE EN LIGNE DROITE SUIVIE DUN VIRAGE152 10.2.LE SLALOM156 10.3.LES LIMITES DES ROBOTS HUMANODES159 CONCLUSION161 CONCLUSION GENERALE163 BIBLIOGRAPHIE167 LISTE DES FIGURES175 11 Avant-propos Ces travaux interviennent dans le cadre dun rapprochement entre deux quipes du laboratoire de mcanique des solides de lUniversit de Poitiers et du CNRS. LquipedeMcaniqueduGesteSportif (MGS),creauseindulaboratoirede PhysiquedesMatriauxen1984,arejointen2002leLMScomptetenudeses domainesdapplicationprochesdelamcaniquedessolides.Lobjectifdelquipe estdamliorerlacomprhensiondumouvementhumaintravers,notamment,les interactions dynamiques entre le corps humain et son environnement, ainsi quentre sesdiffrentssegments.Danscecadre,uneffortparticulierateffectu concernantlamliorationdelamodlisationmcaniquepersonnaliseducorps humainpourquelesrsultatsdanalysesoientprochesdelaralitphysique. Lexprimentation,lasimulation,ainsiquelasynthseoptimaledemouvements, sontlesmoyensmisenuvredepuisdenombreusesannespourvaliderde nouvelles mthodes danalyse du geste. LquipeMcanismesetRobotiquea,quantelle,descomptencesreconnues dansledomainedelaconceptiondedispositifsexprimentauxrobotiss,dansla dynamique des systmes complexes, ainsi que dans les applications de prhension et de manipulation fine. Depuis le projet BIP2000, abouti il y a quelques annes par laralisationdunrobotbipde(105kgpour1m80),lquipeadveloppdes comptencestechniquesetthoriquessurlaconceptionetlagnrationde trajectoires des robots bipdes. Le projet de cette thse tablit un lien fort entre lanalyse du mouvement humain et la commande des humanodes. Comment reproduire au mieux un mouvement captur avec un robot humanode ? Pourquoi les robots humanodes existants aujourdhui ne se dplacent pas tout fait comme nous ?

13 Chapitre 0 0. De lhumain au robot Sommaire 0.1. Lhistoire de lanalyse du mouvement humain 0.2. Des premiers automates aux robots humanodes 0.3. Limitation du mouvement humain 13 15 17 0.1. Lhistoire de lanalyse du mouvement humain Depuislongtempsleshommesessaientdexpliquerlecomportementduvivantet notammentdanalysersonmouvement.Aristote(384-322av.JC)danssontrait De motu animalium voque dj une approche biomcanique du mouvement des animaux. Beaucoup plus tard, Lonard de Vinci (1452-1519) ralise des travaux sur ladescriptionducorpshumain.WilliamHarvey(1578-1658)quantluiestconnu poursestravauxfondamentauxsurlacirculationdusangetposa,lepremier,le problme de la microcirculation et de la circulation capillaire. Untournantimportantdanslanalysedelagestuellebiologiquefutsansdoute linvention de la photographie et de la cinmatographie. En fait, la problmatique de lanalysedumouvementhumainatunlmentinitiateurdelinventiondela cinmatographie. En France, ds les annes 1880, quinze ans avant lapremireprojection publiquedes frreslumires Paris,tienne-JulesMarey(1830-1904), professeurdephysiologieaucollgedeFrance inventelechronophotographeplaquedeverre : un vritable anctre de la camra [Dre95]. En1882,aveclaidedesonassistantGeorgesDemen[Dre95],ilscraientle premier laboratoire de biomcanique au monde : la station physiologique du parc des princes.Unepistedecourse,accompagnederailspermettantdeffectuerles Figure1:Chronophotographied