Un panorama de la robotique

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1 Un panorama de la robotique
Patrick MONASSIER – 9 décembre 2008

2 Sommaire LES ORIGINES L’imaginaire robotique et les origines
Ils sont partout… mais qu’est ce qu’un robot ? PENSER SON ROBOT L’architecture des robots Autopsie d’un 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 l’eau, s’aventurer 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 d’intelligence pour un robot ?

3 LES ORIGINES Les origines Les origines
L’imaginaire robotique et les origines Les origines

4 L’imaginaire robotique
Les origines Premiers rêves L’imaginaire robotique Les sculpteurs grecs croyaient que les statues prenaient vie. Ils s’efforçaient 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

5 Les origines Les origines Robot-cerveau-travail-torture-esclave
L'auteur tchèque Karel Capek ( ) 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-travail-torture-esclave Isaac Asimov (1920–1992) 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 l’humanité ni, en restant passif, permettre que l’humanité souffre d’un mal.

6 … mais qu’est ce qu’un robot ?
Les origines Ils ont partout… … mais qu’est ce qu’un robot ? Production Médical Domestique Loisirs Militaire Nucléaire Education Cinéma, SF … Science fiction : Machine à l’aspect humain, capable de se mouvoir, d’exécuter 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 quelqu’un toute initiative, réduire un travail à une tâche automatique, comparable à celle d’un robot. Robot minimal C-3PO et R2D2 La Guerre des étoiles Mouvement, autonomie, intelligence

7 PENSER SON ROBOT Penser son robot Exemple robot industriel 6 axes
L’architecture des robots Exemple robot industriel 6 axes

8 L’architecture des robots
Penser son robot L’architecture des robots Environnement Percevoir le monde Réflexion Action Stratégie Bouger Décision Se déplacer Capteurs Microprocesseur Actionneurs Ordinateur

9 Exemple : Robot industriel 6 axes
Penser son robot Exemple : Robot industriel 6 axes

10 LES MOUVEMENTS Penser son robot
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 l’eau, s’aventurer dans les airs

11 Rouler ! Sur des roues Sur des chenilles Les mouvements
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 d’énergie. Complexité mécanique. Risque de bloquage d’une chenille Très bonne mobilité. 2 degrés de liberté. Robot d’observation miniature

12 Bien posés sur leurs pattes !
Les mouvements Bien posés sur leurs pattes ! 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, l’insecte est supporté par 3 des ses pattes qui forment un solide trépier. L’allure 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 l’air. 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

13 Sur deux jambes ! Marcher
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 s’incline 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 l’équilibre. On obtient des centaines de degrés de liberté, sans oublier les problèmes liés à la dynamique… Plaqué le long du corps d’une personne, cet “exo-robot” exosquelette lui donne des forces surhumaines.

14 Sur deux jambes ! Se balancer et avancer tout seul Les mouvements
Pour contrôler les jambes d’un 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. Lorsqu’on fait un pas, l’une 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 n’a pas à calculer où il doit aller, il ne fait qu’osciller. Cela ne veut pas dire qu’on a pas besoin du cerveau ni des muscles pour marcher, mais que les choses vivantes peuvent également profiter des lois de la physique.

15 Sauter, escalader les murs
Les mouvements Sauter, escalader les murs Une étude plus attentive du monde animal montre que marcher n’est pas la seule façon de se déplacer, même sur terre ferme. Pour éviter les rochers, on peut sauter par-dessus, on peut se balancer d’arbre en arbre. Et puis, il y a les surfaces verticales : comment les escalader ? Sauter est parfois très profitable : imaginez l’utilité pour des militaires évoluant en terrain hostile, d’un robot pouvant être projeté dans des étages d’un bâtiment pour effectuer des reconnaissances. La NASA est aussi intéressée pour l’exploration des planètes. Escalader : Les robots Geckos (Waalbots ) Les geckos forment une famille de lézards de taille modeste dont on rencontre les espèces dans de très nombreux pays.

16 La reptation Les mouvements
L’avantage des robots-serpent est qu’ils 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. L’onde de la vipère est perpendiculairement au sol. Le ver de terre se contracte, puis s’étire de toute sa longueur, suivant une technique appelée extension. Le cobra a recours à l’extension et aux ondes horizontales. Les ondes horizontales nécessitent peu d’énergie, mais produisent beaucoup de frottement avec le sol. Les ondes verticales créent peu de frottement, mais consomment plus d’énergie et nécessitent un équilibre vertical.

17 Robot sous-marin d’exploration
Les mouvements Se déplacer sous l’eau ! 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 d’atteindre une telle vitesse. Une autre explication serait que le dauphin réduit au maximum les frottements de sa peau avec l’eau. Cette hypothèse serait plausible si le dauphin était capable de maintenir un écoulement laminaire, au lieu de l’écoulement 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 d’exploration

18 S’aventurer dans les airs !
Les mouvements S’aventurer dans les airs ! Tout débute avec l’armée 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 qu’il peut rester en suspension dans l’air pendant plusieurs heures Un drone ou un UAV (Unmanned Air Vehicle) est un aéronef inhabité, piloté à distance, semi-autonome ou autonome, susceptible d’emporter différentes charges utiles le rendant capable d’effectuer des tâches spécifiques pendant une durée de vol pouvant varier en fonction de ses capacités. Robot insecte The Tomahawk land-attack cruise Hélicoptère miniature

19 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

20 Sens ACTIFS et sens PASSIFS
Percevoir le monde Sens ACTIFS et sens PASSIFS Les sens externes se divisent en deux types : les sens passifs – tels la vue te l’ouïe -, qui ne font que capter des données fournies par l’environnement, sans l’affecter; les sens actifs – comme le toucher – qui recueillent des données en interagissant avec l’environnement. Les animaux utilisent plus que nous ces sensations actives. Les sensations d’un 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 d’un animal. Taxie : mouvement d’un 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, l’exploration, etc.

21 Capteurs et intelligences
Percevoir le monde Si l’intelligence n’est qu’une question d’interaction et de bon choix du monde réel, les capteurs sont une condition indispensable pour l’intelligence. Sans capteur, nous ne pourrions pas dire que nous sommes dans un monde réel, ce que nous faisons, ni l’effet 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 d’autres animaux un lien sensoriel important avec notre environnement, d’où un comportement souvent étroitement lié aux informations reçues. Certains animaux ont des sens assez différents des nôtres. Les facettes de chacun des yeux d’une mouche peuvent percevoir jusqu’à 300 modifications du champ de vision par seconde contre 60 pour l’homme. L’extrème sensibilité au mouvement que cela procure à l’insecte, associé à une vision de 360°, explique pourquoi il nous est si difficile d’attraper une mouche !

22 Capteurs et intelligences
à travers 3 exemples Percevoir le monde Le déplacement L’odométrie 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 : l’information 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

23 La vision active Percevoir le monde Reconnaissance en 3D
L’importance 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 qu’il 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 l’énorme afflux de données provenant d’une ou de deux caméras sur un robot est une tâche très difficile. Les chercheurs s’intéressent à la façon dont les humains et les animaux se servent réellement de leurs yeux en évitant d’être 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 d’une mouche, ce qui déclenche le réflexe avec la langue. Elle n’a pas besoin de reconnaître ce qu’elle a vu. Reconnaissance en 3D

24 A quelle distance ? Percevoir le monde Vision binoculaire 3D
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 l’écholocalisation reposent sur l’utilisation des ultrasons Les infrarouges sont très utilisés mais sensibles aux couleurs et à la lumière. Ultrasons Infrarouges Caméra et laser

25 Stratégie de déplacement - Exemple
Percevoir le monde Stratégie de déplacement - Exemple Eviter les obstacles, contourner, se situer, suivre un chemin, établir un itinéraire… Il faudrait que les robots aient 3 niveaux d’action : - 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 d’obstacles : Réactions et décision Quand nous nous déplaçons en voiture, nous pensons à l’endroit 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. S’il tourne à droite, il sera bloqué…

26 Entendre et sentir Percevoir le monde
La vue et l’ouïe jouent un grand rôle - nous considérons moins l’odorat. L’analyse 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 d’identifier une odeur. Les nez artificiels sont loin d’égaler un nez véritable. Ils servent à détecter des explosifs, des gaz ou de la viande avariée, le degré d’alcoolémie … On estime que nos fosses nasales possèdent entre 5 à 15 millions de récepteurs olfactifs, celles du chien entre 125 à 250 millions. L’abeille 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 d’intelligence pour un robot ?

28 Programmer un robot Intelligences Language informatique Wafer
Microprocesseur Carte électronique

29 Quel type d’intelligence doit-on viser pour un robot ?
Intelligences Nous avons tendance à croire que l’intelligence s’est développée avec nous, pourtant d’autres créatures se débrouillent très bien sans penser comme nous le faisons. Les roboticiens ont beaucoup à apprendre de créatures toutes simples… Quel type d’intelligence 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 d’apprentissage : assimiler de nouveaux comportements La robotique cognitive : un niveau supérieur à l’intelligence

30 La programmation informatique : planifier des tâches 1
Intelligences La programmation informatique : planifier des tâches 1 Très utilisé actuellement dans l’industrie et pour tous les robots qui ont à effectuer des tâches répétitives, plus ou moins complexes, dans des environnements protégés et parfaitement connus. L’industrie 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 d’un façon logique et linéaire, et réagissent en fonction d’événement simples. Les résultats sont cependant spectaculaires…

31 Intelligences Faire travailler ensemble des petits robots simples : solidarité, collaboration 2 Bien qu’un 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 lorsqu’ils 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 s’ils 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 s’approcher 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 l’entourent Cohésion : toujours avancer vers la position moyenne du groupe qui l’entoure On observe des règles quasiment similaires dans le vol groupé en V des oies sauvages.

32 Intelligence artificielle : le cerveau électronique
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 l’un de ses créateurs, Marvin Lee Minsky, comme « la construction de programmes informatiques qui s’adonnent à des tâches qui sont, pour l’instant, accomplies de façon plus satisfaisante par des êtres humains car elles demandent des processus mentaux de haut niveau tels que : l’apprentissage perceptuel, l’organisation 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.

33 Se relier aux systèmes nerveux vivants : la neuroélectronique 4
Intelligences Se relier aux systèmes nerveux vivants : la neuroélectronique 4 La combinaison de l’électronique 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 l’animat, 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 d’éléments très simples, les neurones, relativement lents, mais massivement connectés. Les prolongement des neurones, les dendrites, reçoivent des stimulations de centaines de milliers d’autres 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 d’un neurone.

34 Les mécanismes d’apprentissage : assimiler de nouveaux comportements 5
Intelligences Les mécanismes d’apprentissage : assimiler de nouveaux comportements 5 Nous considérons l’imitation comme un comportement enfantin et pas vraiment intelligent. Cependant, apprendre par imitation est une faculté rare, que l’on ne trouve que chez les êtres humains, et dans une moindre mesure, chez les grands singes, les dauphins, voir chez certains oiseaux. C’est aujourd’hui un grand sujetr d’intérêt pour les cogniticiens, les ethnologues, les spécialistes des sciences humaines et les roboticiens. Si un robot veut apprendre par imitation, il lui faut d’abord observer ce qu’il est censé copier, puis ensuite retenir ce qu’il 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 La robotique cognitive : un niveau supérieur à l’intelligence 6
Intelligences La robotique cognitive : un niveau supérieur à l’intelligence 6 Le mot cognitif est un adjectif qualifiant ce qui est relatif : à la cognition, c’est-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
C’est fini ! Un panorama de la robotique Patrick MONASSIER – 9 décembre 2008