Système de cartographie 3D et de planification pour la manipulation robotique d'objets non rigides

Abstract

La manipulation intelligente des matériaux non rigides permettrait l'utilisation de robots à usage général dans l'automatisation de plusieurs tâches délicates ou demandant beaucoup de main-d'oeuvre, allant de l'assemblage industriel à l'exploration spatiale en passant par les procédures médicales, la manipulation des aliments et les travaux domestiques. Bien qu'une variété de stratégies aient été proposées au fil du temps pour manipuler les objets non rigides, celles-ci sont généralement spécifiques à une tâche particulière et imposent des contraintes sévères sur le type d'objet manipulé et l'environnement. Il n'existe pas encore de système global capable de planifier et d'exécuter, dans son ensemble, la saisie et la mise en forme d'un objet non rigide arbitraire, en particulier lorsque l'environnement n'est que partiellement observable et que les propriétés de l'objet sont initialement inconnues. L'objectif général de cette thèse est de contribuer au développement d'un tel système.

L'atteinte de cet objectif général passe par trois axes de contribution principaux, soit la conception globale du système, le développement d'un module de cartographie original adapté à la représentation d'objets déformables tridimensionnels, et la conception de mesures heuristiques pour guider l'observation et le remodelage de ces objets. Ainsi, le système global forme une solution intégrée pour le remodelage d'objets déformables tridimensionnels dans un environnement partiellement observable.

Cette recherche propose un système de cartographie original qui se distingue des solutions existantes en étant axé sur la manipulation d'objets déformables tridimensionnels, ainsi que des algorithmes de comparaison de formes adaptés à ce problème.

En termes de planification de tâche, le système doit coordonner les actions des différents éléments en fonction de la tâche à effectuer et des contraintes de l'environnement de travail. Après une prise de vue initiale, la tâche à accomplir est définie et des heuristiques d'observation sont intégrées dans des algorithmes pour observer la forme initiale de l'objet d'intérêt le plus complètement possible. Une fois cette forme obtenue, des heuristiques de manipulation sont proposées pour la sélection des points de prise et l'estimation du mouvement à accomplir. Un point de vue est également sélectionné pour effectuer le suivi de la forme en cours de déformation et, à la fin de la manipulation, la forme finale et la forme cible sont comparées. À cette fin, différentes mesures originales sont proposées pour évaluer la qualité du remodelage.

L'évaluation expérimentale du système proposé débute avec un robot physique équipé d'une caméra RGBD, permettant d'évaluer, de comparer et d'optimiser différentes méthodes pour la fusion des observations et la segmentation d'un objet d'intérêt dont la forme est initialement inconnue. Pour plus de répétabilité, la simulation est ensuite utilisée pour évaluer les autres composantes du système. Ainsi, les résultats obtenus montrent que les heuristiques d'observation permettent d'observer la forme de l'objet d'intérêt avec efficacité et précision. Les algorithmes de comparaison et les heuristiques de manipulation proposés permettent de choisir des points de prise et des déplacements visuellement plausibles qui, une fois la manipulation exécutée, permettent de rapprocher la forme de l'objet d'intérêt de la forme cible. Globalement, le système et les algorithmes développés dans le cadre de cette thèse représentent un avancement significatif vers un système intégré capable de gérer, de bout à bout et avec un minimum d'intervention humaine dans un environnement 3D, l'observation, la comparaison, la planification, la manipulation et le suivi de forme pour le remodelage d'un objet déformable dont les propriétés de forme et de matériau sont initialement inconnues.