Un panorama de la robotique

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Un panorama de la robotique
Patrick MONASSIER 9 décembre 2008
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Sommaire

• LES ORIGINES
• Limaginaire robotique et les origines
• Ils sont partout mais quest ce quun robot ?

• PENSER SON ROBOT
• Larchitecture des robots
• Autopsie dun robot
• Exemple robot industriel 6 axes

• LES MOUVEMENTS
• Créer le mouvement, se déplacer, rouler
• Bien posés sur leur pattes, sur deux jambes !
• Marcher, se balancer et avancer tout seul
• Sauter, escalader les murs, la reptation
• Se déplacer sous leau, saventurer dans les airs

• PERCEVOIR LE MONDE
• Sens actifs et sens passifs, rester simple
• Capteurs et intelligences
• La vision active. A quelle distance ?
• Entendre et sentir
• Stratégie de déplacement, se nourrir

• INTELLIGENCES
• Programmer un robot
• Quel type dintelligence pour un robot ?

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Les origines

• LES ORIGINES
• Limaginaire robotique et les origines
• Les origines

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Les origines
Premiers rêves
Limaginaire robotique
Les sculpteurs grecs croyaient que les statues
prenaient vie. Ils sefforçaient de leur donner
une image aussi vivante que possible
Les automates mécaniques
Le canard mécanique de Jacques de Vaucanson 1738
Ils veulent notre peau !
Le monstre de Frankenstein Mary Shelley 1818
Ils prennent forme humaine
Un androïde est un robot construit à l'image d'un
être humain. A.I. Intelligence Artificielle,
Steven Spielberg, 2001
Si l'on s'en réfère aux lois de la robotique, les
robots ne sont pas dotés de la faculté de tuer...
I, Robot, Alex Proyas, 2004
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Les origines
Les origines
L'auteur tchèque Karel Capek (1890-1938) inventa
le mot "robot" dans sa pièce R. U. R. Rossum's
Universal Robots (1920). Rossum désignant le
cerveau en tchèque. En tchèque robota
signifie travail, corvée. Travail vient du latin
Tripalium, instrument de torture utilisé pour
punir les esclaves rebelles. Robot-cerveau-trava
il-torture-esclave
Isaac Asimov (19201992) est considéré par
certains comme le pape de la science-fiction
Les trois lois de la robotique (1942) - un
robot ne peut nuire à un être humain ni laisser
sans assistance un être humain en danger. - un
robot doit obéir aux ordres qui lui sont donnés
par les êtres humains, sauf quand ces ordres sont
incompatibles avec la première loi. - un robot
doit protéger sa propre existence tant que cette
protection n'est pas incompatible avec la
première ou la deuxième loi.
Loi Zéro Un robot ne peut nuire à lhumanité
ni, en restant passif, permettre que lhumanité
souffre dun mal.
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Les origines
Ils ont partout
mais quest ce quun robot ?

• Production
• Médical
• Domestique
• Loisirs
• Militaire
• Nucléaire
• Education
• Cinéma, SF

Science fiction Machine à laspect humain,
capable de se mouvoir, dexécuter des opérations,
de parler. Technique Système automatique
mécanisé capable d'effectuer une ou plusieurs
tâches, dans un environnement donné, de manière
autonome, par l'exécution d'un programme.
Robotiser Enlever à quelquun toute initiative,
réduire un travail à une tâche automatique,
comparable à celle dun robot.
Robot minimal
C-3PO et R2D2 La Guerre des étoiles
Mouvement, autonomie, intelligence
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Penser son robot

• PENSER SON ROBOT
• Larchitecture des robots
• Exemple robot industriel 6 axes

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Penser son robot
Larchitecture des robots
Environnement
Percevoir le monde Réflexion Action Stratégie B
ouger Décision Se déplacer
Capteurs Microprocesseur Actionneurs Ordina
teur
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Exemple Robot industriel 6 axes
Penser son robot
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Penser son robot

• LES MOUVEMENTS
• Créer le mouvement, se déplacer, rouler
• Bien posés sur leur pattes, sur deux jambes !
• Marcher, se balancer et avancer tout seul
• Sauter, escalader les murs, La reptation, la
  reptation
• Se déplacer sous leau, saventurer dans les airs

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Les mouvements
Rouler !
Sur des roues
Le plus simple deux roues motorisées et une
roue libre. 2 degrés de liberté, rotation et
translation Les robots à 4 roues ou plus sont
plus difficiles à maîtriser Convient très bien
sur les sols plats ou sur les routes mais plus
délicat sur les terrains accidentés.
Tondeuse automatique
ROBOVOLC pour les volcans
Sur des chenilles
Robot pour les hôpitaux
Robot militaire
La surface en contact avec le sol est plus
importante. Consomme plus dénergie. Complexité
mécanique. Risque de bloquage dune
chenille Très bonne mobilité. 2 degrés de
liberté.
Robot dobservation miniature
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Bien posés sur leurs pattes !
Les mouvements

• Les insectes ont généralement six pattes. Les
  blattes et les cafards sont ceux qui courent le
  plus vite
• Marche en tripode alterné à tout moment,
  linsecte est supporté par 3 des ses pattes qui
  forment un solide trépier.
• Lallure résulte des différentes positions des
  pattes levées ou posées sur le sol et de la force
  déployée. A un moment donné, un cheval au galop a
  les 4 pattes en lair.
• Complications
• gérer les degrés de liberté.
• Quand et de combien soulever les pattes ?
• A quelle vitesse et de combien doit-on les
  avancer ?

Le robot Hylos est un véhicule autonome
tout-terrain équipé d'organes de propulsion
hybride roue-patte
Darwin et les robots
Auto-apprentissage de la marche par le robot
lui-même Simulation réaliste d'un hexapode en
difficulté suite à la perte d'une patte
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Les mouvements
Sur deux jambes ! Marcher
Le défi majeur pour un robot bipède peut se
résumer en un mot équilibre
La mécanique de la marche a été étudiée sous tous
les angles. Il y a 246 muscles dans les membres
inférieurs, le bassin sincline quand nous
faisons un pas abaissant ainsi le centre de
gravité, tandis que le tronc doit se maintenir au
dessus des jambes en mouvement. Même le plus
petit orteil joue un rôle dans léquilibre. On
obtient des centaines de degrés de liberté, sans
oublier les problèmes liés à la dynamique
Plaqué le long du corps dune personne, cet
exo-robot exosquelette lui donne des forces
surhumaines.
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Les mouvements
Sur deux jambes ! Se balancer et avancer tout
seul
Pour contrôler les jambes dun robot, on peut
utiliser un concept connu sous le nom de ZMP
(Zero Moment Point) formulé par Vukobratovich,
repris dans les robots Honda P2 puis P3.
Quand un ingénieur observe un bipède, il pense au
balancier, mécanisme simple étudié depuis des
siècles. Lorsquon fait un pas, lune des jambes
se balance au niveau de la hanche, le corps
avance et le jambe au sol pivote autour du pied
encore au sol, lequel fait un mouvement
inverse. Un balancier na pas à calculer où il
doit aller, il ne fait quosciller. Cela ne veut
pas dire quon a pas besoin du cerveau ni des
muscles pour marcher, mais que les choses
vivantes peuvent également profiter des lois de
la physique.
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Les mouvements
Sauter, escalader les murs
Une étude plus attentive du monde animal montre
que marcher nest pas la seule façon de se
déplacer, même sur terre ferme. Pour éviter les
rochers, on peut sauter par-dessus, on peut se
balancer darbre en arbre. Et puis, il y a les
surfaces verticales comment les escalader ?
Escalader Les robots Geckos (Waalbots )
Sauter est parfois très profitable imaginez
lutilité pour des militaires évoluant en terrain
hostile, dun robot pouvant être projeté dans des
étages dun bâtiment pour effectuer des
reconnaissances. La NASA est aussi intéressée
pour lexploration des planètes.
Les geckos forment une famille de lézards de
taille modeste dont on rencontre les espèces dans
de très nombreux pays.
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La reptation
Les mouvements
Lavantage des robots-serpent est quils peuvent
opérer dans des espaces confinés, comme des
canalisations dans lesquels les autres robots
peuvent difficilement passer. La construction
modulaire est un avantage. La couleuvre avance
grâce à une ondulation horizontale qui se propage
le long de son corps. Londe de la vipère est
perpendiculairement au sol. Le ver de terre se
contracte, puis sétire de toute sa longueur,
suivant une technique appelée extension. Le cobra
a recours à lextension et aux ondes horizontales.
Les ondes horizontales nécessitent peu dénergie,
mais produisent beaucoup de frottement avec le
sol. Les ondes verticales créent peu de
frottement, mais consomment plus dénergie et
nécessitent un équilibre vertical.
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Les mouvements
Se déplacer sous leau !
Comment les dauphins atteignent-ils une vitesse
de 10 mètres par seconde ? Cette énigme est
connue depuis 70 ans comme le paradoxe de Gray
Selon les calculs des ingénieurs, les muscles
des dauphins devraient être 7 fois plus puissants
pour leur permettre datteindre une telle
vitesse. Une autre explication serait que le
dauphin réduit au maximum les frottements de sa
peau avec leau. Cette hypothèse serait
plausible si le dauphin était capable de
maintenir un écoulement laminaire, au lieu de
lécoulement turbulent auquel on pourrait
s'attendre du fait des vitesses atteintes. En
effet, le flux laminaire produit moins de traînée
et pourrait expliquer la vitesse extraordinaire
du dauphin.
Robot-Thon les militaires de la marine espèrent
confier à un robot de ce genre des missions plus
longues que celles des engins actuels. Ils
pourraient par exemple porter des caméras ou des
détecteurs de radioactivité.
Certains robots utilisent des nageoires
élastiques oscillant entre 0,2 et 1 fois par
seconde peuvent atteindre 0,25m/s.
Robot sous-marin dexploration
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Saventurer dans les airs !
Les mouvements
Tout débute avec larmée américaine envoyer
des drones avec caméra sur des champs de
bataille, des robots de reconnaissance ou de
bombadement aériens. Des études sont menées sur
le vol des insectes le vol du bourdon par
exemple. Le concept de poussière électronique
pourrait voir le jour un ensemble de capteurs,
microprocesseur et émetteur logés dans un grain
de silicium, si petit quil peut rester en
suspension dans lair pendant plusieurs heures
Un drone ou un UAV (Unmanned Air Vehicle) est un
aéronef inhabité, piloté à distance,
semi-autonome ou autonome, susceptible demporter
différentes charges utiles le rendant capable
deffectuer des tâches spécifiques pendant une
durée de vol pouvant varier en fonction de ses
capacités.
Robot insecte
The Tomahawk land-attack cruise
Hélicoptère miniature
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Percevoir le monde

• PERCEVOIR LE MONDE
• Sens actifs et sens passifs, rester simple
• Capteurs et intelligences
• La vision active. A quelle distance ?
• Stratégie de déplacement - Exemple
• Entendre et sentir

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Sens ACTIFS et sens PASSIFS
Percevoir le monde
Les sens externes se divisent en deux types les
sens passifs tels la vue te louïe -, qui ne
font que capter des données fournies par
lenvironnement, sans laffecter les sens actifs
comme le toucher qui recueillent des données
en interagissant avec lenvironnement. Les
animaux utilisent plus que nous ces sensations
actives. Les sensations dun robot restent très
primitives par rapport à celles des êtres vivants
et de nombreuses recherche sont en cours pour
améliorer leurs capteurs.
Rester simple
Assez bizarrement, même les capteurs très simples
peuvent produire, chez un robot, un comportement
qui ressemble à celui dun animal.
Taxie mouvement dun animal en réaction à un
certain stimuli - Phototaxie pour la lumière -
Pyrotaxie pour la chaleur - Phonotaxie pour
le son
Agressif peureux amoureux
explorateur
Les petits véhicules de Braitenberg évoluent par
l'ajout de capteurs, d'actionneurs et de
connexions simulant des réseaux de neurones
basiques (neuroscience). Malgré leur simplicité,
les 14 versions de robots présentent des
comportements complexes et autonomes comme
l'agression, l'attirance, la fuite,
lexploration, etc.
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Capteurs et intelligences
Percevoir le monde
Si lintelligence nest quune question
dinteraction et de bon choix du monde réel, les
capteurs sont une condition indispensable pour
lintelligence. Sans capteur, nous ne pourrions
pas dire que nous sommes dans un monde réel, ce
que nous faisons, ni leffet de nos
actions. Pour une créature vivante, se déplacer
sans possibilité de percevoir les changements
dans son environnement serait aller à la
catastrophe.
Tous les microchiroptères se dirigent en vol par
écholocation. Les échos renseignent l'animal sur
la position, la distance relative et même la
nature des objets de son environnement. Ceci
permet aux microchiroptères de voler dans
l'obscurité totale.
Nous avons en commun avec dautres animaux un
lien sensoriel important avec notre
environnement, doù un comportement souvent
étroitement lié aux informations reçues. Certains
animaux ont des sens assez différents des nôtres.
Les 3.000 facettes de chacun des yeux dune
mouche peuvent percevoir jusquà 300
modifications du champ de vision par seconde
contre 60 pour lhomme. Lextrème sensibilité au
mouvement que cela procure à linsecte, associé à
une vision de 360, explique pourquoi il nous est
si difficile dattraper une mouche !
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Capteurs et intelligences à travers 3 exemples
Percevoir le monde
Le déplacement
Lodométrie est une technique permettant
d'estimer la position d'un véhicule en mouvement
(du grec hodos voyage- et metron mesure). Cette
mesure de bas niveau est présente sur quasiment
tous les robots mobiles, grâce à des capteurs
embarqués permettant de mesurer le déplacement du
robot (de ses roues).
La Vision par caméra
La pixelisation
Le monde du robot est divisé en pixels ou en
voxels linformation sensorielle sert à
déterminer ceux qui sont vides ou ceux qui sont
occupés Voxel volumetric pixel - équivalent
3D du pixel.
Orientation - Géolocalisation
Les pigeons utilisent le soleil en guise de
boussole et leur faculté de percevoir le champ
magnétique terrestre.
Il est possible maintenant de se géolocaliser par
GPS
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La vision active
Percevoir le monde
Limportance de la vue se reflète dans le langage
je vois signifie souvent je comprends
Il faut donner aux caméras du robot leurs propres
degrés de liberté, sans oublier quil peut lui
aussi bouger. Suivre du regard aide à la
reconnaissance des objets. Faire un zoom permet
de saisir le contexte pour la reconnaissance de
tâches.
Traiter lénorme afflux de données provenant
dune ou de deux caméras sur un robot est une
tâche très difficile. Les chercheurs
sintéressent à la façon dont les humains et les
animaux se servent réellement de leurs yeux en
évitant dêtre submergé par trop de données. Ils
appellent cela la vision active
Robot industriel
Rassembler des informations sur la scène de façon
dynamique et sélective.
La grenouille perçoit essentiellement les objets
de la taille dune mouche, ce qui déclenche le
réflexe avec la langue. Elle na pas besoin de
reconnaître ce quelle a vu.
Reconnaissance en 3D
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A quelle distance ?
Percevoir le monde
La distance est essentielle. La vision humaine
fournit des données tridimensionnelles. La vision
3D ou 2D1/2 par caméras tente de donner une
réponse satisfaisante.
Vision binoculaire 3D
La pixelisation
Caméras
Le sonar et lécholocalisation reposent sur
lutilisation des ultrasons Les infrarouges sont
très utilisés mais sensibles aux couleurs et à la
lumière.
Ultrasons
Infrarouges
Caméra et laser
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Stratégie de déplacement - Exemple
Percevoir le monde
Eviter les obstacles, contourner, se situer,
suivre un chemin, établir un itinéraire

• Il faudrait que les robots aient 3 niveaux
  daction
• - Les réflexes, totalement prédéterminés et très
  rapides
• - Les réactions, assez rapides, grâce auxquelles
  le robot de déplace en fonction des
  indications de ses capteurs.
• La prise de décision globale, plus lente,
  impliquant toute une stratégie

Eviter les chocs Réflexes Evitement dobstacles
Réactions et décision
Quand nous nous déplaçons en voiture, nous
pensons à lendroit où nous allons, mais la façon
dont nous circulons est réfléchie, et la façon
dont nous évitons les accidents est complètement
réactionnelle.
?
Le robot cherche à atteindre la porte située
derrière le bureau. Sil tourne à droite, il sera
bloqué
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Entendre et sentir
Percevoir le monde
La vue et louïe jouent un grand rôle - nous
considérons moins lodorat. Lanalyse des sons
et le traitement de la parole sont des
disciplines scientifiques situées au croisement
du traitement du signal numérique et du
traitement du langage. Il existe quatre grandes
familles de modules vocaux analyse de parole,
reconnaissance de la parole où l'on s'attache à
comprendre ce qui est dit et reconnaissance du
locuteur qui permet d'effectuer une
identification, la synthèse vocale qui est le
codeur de parole.
Les nez artificiels sont élaborés à partir de
réseaux de capteurs, réagissant chacun à un
composé particulier, reliés à un calculateur
chargé didentifier une odeur. Les nez
artificiels sont loin dégaler un nez véritable.
Ils servent à détecter des explosifs, des gaz ou
de la viande avariée, le degré dalcoolémie
On estime que nos fosses nasales possèdent entre
5 à 15 millions de récepteurs olfactifs, celles
du chien entre 125 à 250 millions.
Labeille dispose à peu près de la même faculté
olfactive que l'homme. Néanmoins, elle perçoit
l'odeur de la cire, des fleurs et autres odeurs
biologiquement importantes entre 10 et 100 fois
mieux que l'homme.
27
Intelligences

• INTELLIGENCES
• Programmer un robot
• Quel type dintelligence pour un robot ?

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Intelligences
Programmer un robot
Language informatique
Wafer
Microprocesseur
Carte électronique
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Intelligences
Nous avons tendance à croire que lintelligence
sest développée avec nous, pourtant dautres
créatures se débrouillent très bien sans penser
comme nous le faisons. Les roboticiens ont
beaucoup à apprendre de créatures toutes simples
Quel type dintelligence doit-on viser pour un
robot ?

• Des axes de recherche
• La programmation informatique planifier des
  tâches
• Faire travailler ensemble des petits robots
  simples solidarité, collaboration
• Intelligence artificielle le cerveau
  électronique
• Se relier aux systèmes nerveux vivants la
  neuroélectronique
• Les mécanismes dapprentissage assimiler de
  nouveaux comportements
• La robotique cognitive un niveau supérieur à
  lintelligence

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Intelligences
La programmation informatique planifier
des tâches
1
Très utilisé actuellement dans lindustrie et
pour tous les robots qui ont à effectuer des
tâches répétitives, plus ou moins complexes, dans
des environnements protégés et parfaitement
connus. Lindustrie automobile est grosse
consommatrice de ces technologies les process
de fabrication y sont parfaitement décrits et
maîtrisés. Les robots qui évoluent dans ce milieu
sont programmés dun façon logique et linéaire,
et réagissent en fonction dévénement simples.
Les résultats sont cependant spectaculaires
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Faire travailler ensemble des petits robots
simples solidarité, collaboration
Intelligences
2
Bien quun comportement inné soit rigide comparé
à un comportement acquis, les insectes sociaux
montrent que la coopération et la coordination
peuvent se substituer à la flexibilité
individuelle. De nombreux animaux semblent se
déplacer de façon organisée lorsquils se
rassemblent en grand nombre. Les formations
animales sont des cas de collaboration ne
nécessitant que très peu de communication. Que
nous appelions ces groupes des essaims, des
bancs, des bandes ou des troupeaux, les
roboticiens pensent que sils comprennent leur
fonctionnement, les robots pourraient aussi
former de tels regroupements.
En suivant ces règles, les robots peuvent couvrir
une garde surface Opérations de sauvetage,
satellites terrestres
Les Boïds suivent 3 règles simples Séparation
ne pas sapprocher trop près de quoi que ce soit,
y compris un autre boïd Alignement chaque boïd
aligne sa vitesse sur le vitesse sur celle des
boïd qui lentourent Cohésion toujours avancer
vers la position moyenne du groupe qui
lentoure On observe des règles quasiment
similaires dans le vol groupé en V des oies
sauvages.
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Intelligences
Intelligence artificielle le cerveau
électronique
3
Le terme intelligence artificielle, créé par John
McCarthy, est souvent abrégée par le sigle IA et
est définie par lun de ses créateurs, Marvin Lee
Minsky, comme  la construction de programmes
informatiques qui sadonnent à des tâches qui
sont, pour linstant, accomplies de façon plus
satisfaisante par des êtres humains car elles
demandent des processus mentaux de haut niveau
tels que  lapprentissage perceptuel,
lorganisation de la mémoire et le raisonnement
critique . On y trouve donc le côté
 artificiel  atteint par l'usage des
ordinateurs ou de processus électroniques
élaborés et le côté  intelligence  associé à
son but d'imiter le comportement
A.I. Intelligence artificielle film de Steven
Spielberg (2001)
Dans un XXIe siècle, où la fonte des glaces a
submergé la majorité des terres habitables et
provoqué famines et exodes, les robots sont
devenus une composante essentielle de la vie
quotidienne et assurent désormais la plupart des
tâches domestiques. Pourtant, le professeur
Hobby veut aller encore plus loin en créant le
premier androïde sensible un enfant capable de
développer un vaste répertoire d'émotions et de
souvenirs.
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Se relier aux systèmes nerveux vivants la
neuroélectronique
Intelligences
4
La combinaison de lélectronique et de la
biologie existe depuis longtemps dans les œuvres
de science-fiction. Les signaux électriques
provenant des neurones sont captés par des
électrodes et convertis en signaux de commande
pour lanimat, pendant que des données
sensorielles issues du monde virtuel sont
envoyées aux neurones.
Pourquoi ne pas donner à un robot un cerveau
électronique ? Parce que, pour le moment, nous ne
comprenons que le fonctionnement de cerveaux très
simples.
Le cerveau est constitués déléments très
simples, les neurones, relativement lents, mais
massivement connectés. Les prolongement des
neurones, les dendrites, reçoivent des
stimulations de centaines de milliers dautres
neurones connectés. Bien que les réactions soient
individuellement lentes, leur nature parallèle
produit une énorme puissance de calcul. Les
réseaux neuronaux artificiels sont basés sur une
version électronique très simplifiée dun neurone.
34
Intelligences
Les mécanismes dapprentissage
assimiler de nouveaux comportements
5
Nous considérons limitation comme un
comportement enfantin et pas vraiment
intelligent. Cependant, apprendre par imitation
est une faculté rare, que lon ne trouve que chez
les êtres humains, et dans une moindre mesure,
chez les grands singes, les dauphins, voir chez
certains oiseaux. Cest aujourdhui un grand
sujetr dintérêt pour les cogniticiens, les
ethnologues, les spécialistes des sciences
humaines et les roboticiens. Si un robot veut
apprendre par imitation, il lui faut dabord
observer ce quil est censé copier, puis ensuite
retenir ce quil apprend, donc se souvenir de ces
données. Il doit ensuite être capable de
reproduire des séquences plus ou moins complexes
et avoir des comportements élémentaires.
35
Intelligences
La robotique cognitive un niveau supérieur à
lintelligence
6

• Le mot cognitif est un adjectif qualifiant ce qui
  est relatif
• à la cognition, cest-à-dire aux grandes
  fonctions de l'esprit (perception, langage,
  mémoire, raisonnement, décision, mouvement...).
  On parle ainsi des fonctions cognitives
  supérieures pour désigner les facultés que l'on
  retrouve chez l'homme mais pas chez l'animal
  comme le raisonnement logique, le jugement moral
  ou esthétique...
• aux sciences cognitives ou qui en adoptent les
  principaux paradigmes1 . On parle ainsi de
  psychologie cognitive ou de thérapie
  cognitivo-comportementale.

1 Un paradigme est une représentation du monde,
une manière de voir les choses, un modèle
cohérent de vision du monde qui repose sur une
base définie (modèle théorique ou courant de
pensée). C'est en quelque sorte un rail de la
pensée dont les lois ne doivent pas être
confondues avec un autre paradigme.
36
Un panorama de la robotique
Cest fini !
Patrick MONASSIER 9 décembre 2008