Conception d'un système intelligent d'ouverture de portes par l'asservissement d'un bras robotique d'assistance sur fauteuil roulant

Les manipulateurs sériels d'assistance sont des outils bénéfiques pour les personnes vivant avec des déficiences neuromotrices. Pour toujours être à la portée de l'utilisateur, certains des manipulateurs, dont le manipulateur Jaco2, ont même été développés pour être montés sur le fauteuil roulant du patient. Effectivement, ceux-ci permettent aux utilisateurs d'accomplir plusieurs tâches de la vie quotidienne nécessitant généralement l'assistance d'un soignant ou d'un membre de la famille. Cependant, certaines tâches quotidiennes restent tout de même difficilement réalisables à l'aide de ces manipulateurs ; l'ouverture de portes en est un exemple. En effet, face à cette tâche, les utilisateurs nécessitent habituellement de l'assistance humaine même lorsque le manipulateur est disponible. Pour pallier ce problème, l'objectif principal de ce travail est de développer un système intelligent d'assistance à l'ouverture des portes pour les utilisateurs en fauteuil roulant en asservissant uniquement le manipulateur sériel d'assistance. Le manipulateur utilisé dans ce travail de maîtrise est le Jaco2 6 DDL de Kinova Inc. La solution présentée est composée de deux composantes principales. La première est un système de stéréovision supporté par l'analyse intelligente de scènes tridimensionnelles par vision artificielle pour déterminer la nature et la position des poignées. Celle-ci est munie d'un système de détection et de classification. La détection est réalisée en combinant deux méthodes : une détection à l'aide d'un algorithme de reconnaissance Faster R-CNN ainsi qu'une détection à l'aide de l'information tridimensionnelle de la scène. Ces deux méthodes sont combinées pour éliminer la détection de faux positifs. Malheureusement, dû à la taille limitée de la base de données utilisée pour l'entrainement, l'algorithme Faster R-CNN réalise régulièrement de mauvaises détections. Malgré cela, grâce à l'ajout de l'information tridimensionnelle, les résultats démontrent un taux de réussite de 0.9 pour la détection des poignées de porte rondes et de 1 pour les poignées à levier. En ce qui concerne la classification, celle-ci est réalisée à l'aide de descripteurs HOG et a été développée pour reconnaître les poignées rondes, à levier, et à tirer. Avec l'ensemble des expérimentations ne générant aucune erreur de classification, cette méthode s'est avérée 100% efficace pour déterminer la classe des poignées. La deuxième est formée de trois systèmes de contrôle du manipulateur, permettant respectivement 1) d'atteindre la poignée, 2) de l'opérer, et 3) d'ouvrir la porte. Pour atteindre la poignée, la boucle de contrôle mise en place a été munie d'un PID, d'une compensation gravitationnelle, et d'une action anticipative pour compenser les forces causées par les inerties internes. Pour les deux autres systèmes, un contrôle par impédance sans retour de force a été implémenté, muni d'un amortissement sur la vitesse angulaire des actuateurs pour rendre le système plus sécuritaire. De plus, pour opérer les poignées rondes, l'utilisation d'un intégrateur est aussi ajoutée pour faciliter la tâche. Suite aux simulations, les résultats démontrent que le système atteint en tout temps la poignée avec une erreur de position inférieure à 1mm et une erreur d'orientation inférieure à 0.05°. Le système est également en mesure d'opérer les poignées rondes et à levier avec un taux de réussite de 0.96 et 1 respectivement. Finalement, le système parvient à assister l'utilisateur lors de l'ouverture de la porte lui permettant d'accomplir cette tâche en moins de 30 secondes en tout temps. Toutefois, les résultats démontrent également que l'orientation de l'effecteur est importante pour que celui-ci parvienne à maintenir sa prise sur la poignée lors de situations réelles. Effectivement, dans les situations où le poignet de l'effecteur ne possédait pas un actuateur perpendiculaire au sol, il était facile pour l'utilisateur d'exercer des forces sur la poignée pouvant atteindre plusieurs centaines de Newtons.