Asservissement d'un bras robotique d'assistance à l'aide d'un système de stéréo vision artificielle et d'un suiveur de regard

The recent increased interest in the use of serial robots to assist individuals with severe upper limb disability brought-up an important issue which is the design of the right human computer interaction (HCI). Indeed, so far, the control of assistive robotic arms (ARA) is often done using a joystick. For the users who have a severe upper limb disability, this type of control is not a suitable option. In this master's thesis, a novel solution is presented to overcome this issue. The developed solution is composed of two main components. The first one is a stereo vision system which is used to inform the ARA of the content of its workspace. It is important for the ARA to be aware of what is present in its workspace since it needs to avoid the unwanted objects while it is on its way to grasp the object of interest. The second component is the actual HCI, where an eye tracker is used. Indeed, the eye tracker was chosen since the eyes, often, remain functional even for patients with severe upper limb disability. However, usually, low-cost, commercially available eye trackers are mainly designed for 2D applications with a screen which is not intuitive for the user since he needs to constantly watch a reproduction of the scene on a 2D screen instead of the 3D scene itself. In other words, the eye tracker needs to be made viable for usage in a 3D environment without the use of a screen. This was achieved in this master thesis work. A stereo vision system, an eye tracker as well as an ARA are the main components of the developed system named PoGARA which is short for Point of Gaze Assistive Robotic Arm. Using PoGARA, during the tests, the user was able to reach and grasp an object for 80% of the trials with an average time of 13.7 seconds without obstacles, 15.3 seconds with one obstacles and 16.3 seconds with two obstacles.

Résumé

L'utilisation récente de bras robotiques sériels dans le but d'assister des personnes ayant des problèmes de motricités sévères des membres supérieurs soulève une nouvelle problématique au niveau de l'interaction humain-machine (IHM). En effet, jusqu'à maintenant le « joystick » est utilisé pour contrôler un bras robotiques d'assistance (BRA). Pour les utilisateurs ayant des problèmes de motricité sévères des membres supérieurs, ce type de contrôle n'est pas une option adéquate. Ce mémoire présente une autre option afin de pallier cette problématique. La solution présentée est composée de deux composantes principales. La première est une caméra de stéréo vision utilisée afin d'informer le BRA des objets présents dans son espace de travail. Il est important qu'un BRA soit conscient de ce qui est présent dans son espace de travail puisqu'il doit être en mesure d'éviter les objets non voulus lorsqu'il parcourt un trajet afin d'atteindre l'objet d'intérêt pour l'utilisateur. La deuxième composante est l'IHM qui est dans ce travail représentée par un suiveur de regard à bas coût. Effectivement, le suiveur de regard a été choisi puisque, généralement, les yeux d'un patient ayant des problèmes sévères de motricités au niveau des membres supérieurs restent toujours fonctionnels. Le suiveur de regard est généralement utilisé avec un écran pour des applications en 2D ce qui n'est pas intuitif pour l'utilisateur puisque celui-ci doit constamment regarder une reproduction 2D de la scène sur un écran. En d'autres mots, il faut rendre le suiveur de regard viable dans un environnement 3D sans l'utilisation d'un écran, ce qui a été fait dans ce mémoire. Un système de stéréo vision, un suiveur de regard ainsi qu'un BRA sont les composantes principales du système présenté qui se nomme PoGARA qui est une abréviation pour Point of Gaze Assistive Robotic Arm. En utilisant PoGARA, l'utilisateur a été capable d'atteindre et de prendre un objet pour 80% des essais avec un temps moyen de 13.7 secondes sans obstacles, 15.3 secondes avec un obstacle et 16.3 secondes avec deux obstacles.