Robotique - Robotics

Le système de main robotique Shadow

La robotique est un domaine interdisciplinaire qui intègre l' informatique et l' ingénierie . La robotique implique la conception, la construction, l'exploitation et l'utilisation de robots . Le but de la robotique est de concevoir des machines qui peuvent aider et assister les humains. Les domaines de la robotique de génie mécanique , génie électrique , génie informatique , mécatronique , électronique , génie biologique , génie informatique , génie de contrôle , génie logiciel , mathématiques, etc.

La robotique développe des machines qui peuvent se substituer aux humains et reproduire les actions humaines. Les robots peuvent être utilisés dans de nombreuses situations à de nombreuses fins, mais aujourd'hui, beaucoup sont utilisés dans des environnements dangereux (y compris l'inspection de matières radioactives, la détection et la désactivation de bombes ), des processus de fabrication ou là où les humains ne peuvent pas survivre (par exemple dans l'espace, sous l'eau, dans des conditions de chaleur élevée , et le nettoyage et le confinement des matières dangereuses et des rayonnements). Les robots peuvent prendre n'importe quelle forme, mais certains sont conçus pour ressembler à des humains en apparence. Ceci est censé aider à l'acceptation des robots dans certains comportements réplicatifs qui sont généralement effectués par des personnes. De tels robots tentent de reproduire la marche, le levage, la parole, la cognition ou toute autre activité humaine. De nombreux robots d'aujourd'hui sont inspirés par la nature, contribuant au domaine de la robotique bio-inspirée .

Certains robots nécessitent une intervention de l'utilisateur pour fonctionner tandis que d'autres robots fonctionnent de manière autonome. Le concept de création de robots capables de fonctionner de manière autonome remonte à l'époque classique , mais la recherche sur les fonctionnalités et les utilisations potentielles des robots n'a considérablement augmenté qu'au 20e siècle. Tout au long de l'histoire, divers érudits, inventeurs, ingénieurs et techniciens ont souvent supposé que les robots seraient un jour capables d'imiter le comportement humain et de gérer les tâches à la manière des humains. Aujourd'hui, la robotique est un domaine en pleine croissance, à mesure que les progrès technologiques se poursuivent ; la recherche, la conception et la construction de nouveaux robots servent à diverses fins pratiques, que ce soit au niveau national , commercial ou militaire . De nombreux robots sont conçus pour effectuer des tâches dangereuses pour les humains, telles que désamorcer des bombes, trouver des survivants dans des ruines instables et explorer des mines et des épaves. La robotique est également utilisée dans les STEM (science, technologie , ingénierie et mathématiques ) comme aide pédagogique.

Étymologie

Le mot robotique est dérivé du mot robot , qui a été présenté au public par l' écrivain tchèque Karel Čapek dans sa pièce RUR (Rossum's Universal Robots) , qui a été publiée en 1920. Le mot robot vient du mot slave robota , qui signifie travail /travail. La pièce commence dans une usine qui fabrique des êtres artificiels appelés robots , des créatures qui peuvent être confondues avec des humains – très similaires aux idées modernes des androïdes . Karel Čapek lui-même n'a pas inventé le mot. Il a écrit une courte lettre en référence à une étymologie dans l' Oxford English Dictionary dans laquelle il a nommé son frère Josef Čapek comme son auteur réel.

Selon l' Oxford English Dictionary , le mot robotique a d' abord été utilisé en version imprimée par Isaac Asimov , dans sa science - fiction histoire courte « Menteur! » , publié en mai 1941 dans Astounding Science Fiction . Asimov ignorait qu'il inventait le terme ; puisque la science et la technologie des appareils électriques sont l' électronique , il a supposé que la robotique faisait déjà référence à la science et à la technologie des robots. Dans certains des autres travaux d'Asimov, il déclare que la première utilisation du mot robotique était dans sa nouvelle Runaround ( Astounding Science Fiction , mars 1942), où il a présenté son concept des trois lois de la robotique . Cependant, la publication originale de "Liar!" est antérieur à celui de "Runaround" de dix mois, de sorte que le premier est généralement cité comme l'origine du mot.

Histoire

En 1948, Norbert Wiener formule les principes de la cybernétique , base de la robotique pratique.

Les robots totalement autonomes ne sont apparus que dans la seconde moitié du 20e siècle. Le premier robot programmable et à commande numérique, l' Unimate , a été installé en 1961 pour soulever des pièces de métal chaudes d'une machine de moulage sous pression et les empiler. Les robots commerciaux et industriels sont répandus aujourd'hui et utilisés pour effectuer des tâches à moindre coût, avec plus de précision et de fiabilité que les humains. Ils sont également employés dans certains travaux qui sont trop sales, dangereux ou ennuyeux pour convenir aux humains. Les robots sont largement utilisés dans la fabrication , l'assemblage, l'emballage et l'emballage, l'exploitation minière, le transport, l'exploration de la terre et de l' espace , la chirurgie, l'armement, la recherche en laboratoire , la sécurité et la production en série de biens de consommation et industriels .

Date Importance Nom du robot Inventeur
IIIe siècle av. J.-C. et avant L'une des premières descriptions d'automates apparaît dans le texte de Lie Zi , lors d'une rencontre beaucoup plus ancienne entre le roi Mu de Zhou (1023-957 av. Ce dernier aurait présenté au roi une figure de forme humaine grandeur nature de son ouvrage mécanique. Yan Shi (chinois :偃师)
Premier siècle après JC et avant Descriptions de plus de 100 machines et automates, dont une pompe à incendie, un orgue à vent, une machine à prépaiement et une machine à vapeur, dans Pneumatica and Automata de Heron of Alexandria Ctésibius , Philon de Byzance , Héron d'Alexandrie et autres
c. 420 avant JC Un oiseau en bois propulsé à la vapeur, capable de voler Pigeon volant Archytas de Tarente
1206 Création des premiers automates humanoïdes, bande d'automates programmables Bande de robots, automate de lavage des mains, paons mobiles automatisés Al-Jazari
1495 Conceptions pour un robot humanoïde Chevalier mécanique Léonard de Vinci
Années 1560 (non spécifié) Moine mécanique qui avait des pieds machinaux construits sous ses robes qui imitaient la marche. Les yeux, les lèvres et la tête du robot bougent tous dans des gestes réalistes. Moine mécanique Léonard de Vinci
1738 Canard mécanique capable de manger, de battre des ailes et d'excréter Canard à digérer Jacques de Vaucanson
1898 Nikola Tesla fait la démonstration du premier navire radiocommandé. Téléautomate Nikola Tesla
1921 Les premiers automates fictifs appelés "robots" apparaissent dans la pièce RUR Les robots universels de Rossum Karel Čapek
années 1930 Robot humanoïde exposé aux expositions universelles de 1939 et 1940 électrique Société électrique de Westinghouse
1946 Premier ordinateur numérique polyvalent Tourbillon Plusieurs personnes
1948 Des robots simples présentant des comportements biologiques Elsie et Elmer William Gray Walter
1956 Premier robot commercial, de la société Unimation fondée par George Devol et Joseph Engelberger , basé sur les brevets de Devol Unimate Georges Devol
1961 Premier robot industriel installé. Unimate Georges Devol
1967 à 1972 Premier robot intelligent humanoïde à grande échelle et premier androïde . Son système de contrôle des membres lui permettait de marcher avec les membres inférieurs, de saisir et de transporter des objets avec les mains, à l'aide de capteurs tactiles. Son système de vision lui a permis de mesurer les distances et les directions vers des objets à l'aide de récepteurs externes, d'yeux et d'oreilles artificiels. Et son système de conversation lui permettait de communiquer avec une personne en japonais, avec une bouche artificielle. WABOT-1 Université Waseda
1973 Premier robot industriel à six axes à entraînement électromécanique Fameux Groupe de robots KUKA
1974 Le premier robot industriel électrique contrôlé par micro-ordinateur au monde , l'IRB 6 d'ASEA, a été livré à une petite entreprise d'ingénierie mécanique du sud de la Suède. La conception de ce robot avait déjà été brevetée en 1972. CISR 6 Groupe Robotique ABB
1975 Bras de manipulation universel programmable, un produit Unimation PUMA Victor Scheinman
1978 Premier langage de programmation de robot au niveau objet, permettant aux robots de gérer les variations de la position, de la forme et du bruit des capteurs. Freddy I et II, langage de programmation de robots RAPT Patricia Ambler et Robin Popplestone
1983 Premier langage de programmation parallèle multitâche utilisé pour la commande d'un robot. Il s'agissait du langage EDL (Event Driven Language) sur l'ordinateur de processus IBM/Series/1, avec la mise en œuvre de mécanismes de communication inter-processus (WAIT/POST) et d'exclusion mutuelle (ENQ/DEQ) pour le contrôle du robot. ADRIEL I Stevo Bozinovski et Mihail Sestakov

Aspects robotiques

Construction mécanique
Aspect électrique
Un niveau de programmation

Il existe de nombreux types de robots ; ils sont utilisés dans de nombreux environnements différents et pour de nombreux usages différents. Bien qu'étant très divers dans leur application et leur forme, ils partagent tous trois similitudes fondamentales en ce qui concerne leur construction :

  1. Les robots ont tous une sorte de construction mécanique, un cadre, une forme ou une forme conçue pour accomplir une tâche particulière. Par exemple, un robot conçu pour traverser de la terre ou de la boue peut utiliser des chenilles . L'aspect mécanique est principalement la solution du créateur pour accomplir la tâche assignée et gérer la physique de l'environnement qui l'entoure. La forme suit la fonction.
  2. Les robots ont des composants électriques qui alimentent et contrôlent les machines. Par exemple, le robot à chenilles aurait besoin d'une certaine puissance pour déplacer les chenilles. Cette puissance se présente sous forme d'électricité, qui devra voyager à travers un fil et provenir d'une batterie, un circuit électrique de base . Même les machines à essence qui tirent leur énergie principalement de l'essence ont toujours besoin d'un courant électrique pour démarrer le processus de combustion, c'est pourquoi la plupart des machines à essence, comme les voitures, ont des batteries. L'aspect électrique des robots est utilisé pour le mouvement (à travers les moteurs), la détection (où les signaux électriques sont utilisés pour mesurer des choses comme la chaleur, le son, la position et l'état de l'énergie) et le fonctionnement (les robots ont besoin d'un certain niveau d' énergie électrique fourni à leurs moteurs et capteurs pour activer et effectuer les opérations de base)
  3. Tous les robots contiennent un certain niveau de code de programmation informatique . Un programme est la façon dont un robot décide quand ou comment faire quelque chose. Dans l'exemple de la chenille, un robot qui doit se déplacer sur une route boueuse peut avoir la bonne construction mécanique et recevoir la bonne quantité d'énergie de sa batterie, mais n'irait nulle part sans un programme lui disant de se déplacer. Les programmes sont l'essence même d'un robot, il peut avoir une excellente construction mécanique et électrique, mais si son programme est mal construit, ses performances seront très médiocres (ou il peut ne pas fonctionner du tout). Il existe trois types différents de programmes robotiques : la télécommande, l'intelligence artificielle et l'hybride. Un robot avec programmation de télécommande a un ensemble préexistant de commandes qu'il n'exécutera que s'il reçoit un signal d'une source de contrôle, généralement un être humain avec une télécommande. Il est peut-être plus approprié de considérer les dispositifs contrôlés principalement par des commandes humaines comme relevant de la discipline de l'automatisation plutôt que de la robotique. Les robots qui utilisent l' intelligence artificielle interagissent seuls avec leur environnement sans source de contrôle et peuvent déterminer les réactions aux objets et aux problèmes qu'ils rencontrent à l'aide de leur programmation préexistante. L'hybride est une forme de programmation qui intègre à la fois des fonctions d'IA et de RC.

Applications

Comme de plus en plus de robots sont conçus pour des tâches spécifiques, cette méthode de classification devient plus pertinente. Par exemple, de nombreux robots sont conçus pour des travaux d'assemblage, qui peuvent ne pas être facilement adaptables à d'autres applications. Ils sont appelés "robots d'assemblage". Pour le soudage continu, certains fournisseurs fournissent des systèmes de soudage complets avec le robot, c'est-à-dire l'équipement de soudage ainsi que d'autres installations de manutention de matériaux telles que des plaques tournantes, etc. en tant qu'unité intégrée. Un tel système robotique intégré est appelé « robot de soudage » même si son unité de manipulation discrète pourrait être adaptée à une variété de tâches. Certains robots sont spécialement conçus pour la manipulation de charges lourdes et sont étiquetés comme « robots à usage intensif ».

Les applications actuelles et potentielles comprennent :

Composants

Source d'énergie

L' atterrisseur InSight avec panneaux solaires déployés en salle blanche

À l' heure actuelle, la plupart du temps ( au plomb) des piles sont utilisées comme source d'énergie. De nombreux types de batteries peuvent être utilisés comme source d'alimentation pour les robots. Elles vont des batteries plomb-acide, qui sont sûres et ont une durée de vie relativement longue mais sont plutôt lourdes par rapport aux batteries argent-cadmium qui sont beaucoup plus petites en volume et sont actuellement beaucoup plus chères. La conception d'un robot alimenté par batterie doit prendre en compte des facteurs tels que la sécurité, la durée de vie du cycle et le poids . Des générateurs, souvent un type de moteur à combustion interne , peuvent également être utilisés. Cependant, de telles conceptions sont souvent mécaniquement complexes et nécessitent un combustible, nécessitent une dissipation thermique et sont relativement lourdes. Une attache reliant le robot à une alimentation électrique supprimerait complètement l'alimentation électrique du robot. Cela a l'avantage d'économiser du poids et de l'espace en déplaçant tous les composants de production et de stockage d'énergie ailleurs. Cependant, cette conception présente l'inconvénient d'avoir constamment un câble connecté au robot, ce qui peut être difficile à gérer. Les sources d'alimentation potentielles pourraient être :

Actionnement

Les actionneurs sont les « muscles » d'un robot, les pièces qui transforment l' énergie stockée en mouvement. Les actionneurs de loin les plus populaires sont les moteurs électriques qui font tourner une roue ou un engrenage, et les actionneurs linéaires qui contrôlent les robots industriels dans les usines. Il y a quelques avancées récentes dans les types alternatifs d'actionneurs, alimentés par l'électricité, les produits chimiques ou l'air comprimé.

Moteurs électriques

La grande majorité des robots utilisent des moteurs électriques , souvent brossées et moteurs à courant continu sans balai dans des robots portables ou moteurs à courant alternatif dans les robots industriels et CNC machines. Ces moteurs sont souvent préférés dans les systèmes avec des charges plus légères et où la forme prédominante de mouvement est la rotation.

Actionneurs linéaires

Divers types d'actionneurs linéaires se déplacent vers l'intérieur et l'extérieur au lieu de tourner, et ont souvent des changements de direction plus rapides, en particulier lorsque des forces très importantes sont nécessaires, comme avec la robotique industrielle. Ils sont généralement alimentés par de l'air comprimé et oxydé ( actionneur pneumatique ) ou une huile ( actionneur hydraulique ). Les actionneurs linéaires peuvent également être alimentés par de l'électricité qui consiste généralement en un moteur et une vis sans fin. Un autre type courant est un actionneur linéaire mécanique qui est tourné à la main, comme une crémaillère et un pignon sur une voiture.

Actionneurs élastiques en série

L'actionnement élastique en série (SEA) repose sur l'idée d'introduire une élasticité intentionnelle entre l'actionneur du moteur et la charge pour un contrôle de force robuste. En raison de l'inertie réfléchie plus faible qui en résulte, l'actionnement élastique en série améliore la sécurité lorsqu'un robot interagit avec l'environnement (par exemple, des humains ou une pièce) ou lors de collisions. De plus, il offre également une efficacité énergétique et une absorption des chocs (filtrage mécanique) tout en réduisant l'usure excessive de la transmission et des autres composants mécaniques. Cette approche a été utilisée avec succès dans divers robots, en particulier des robots de fabrication avancés et des robots humanoïdes ambulants .

La conception du contrôleur d'un actionneur élastique en série est le plus souvent réalisée dans le cadre de la passivité car elle assure la sécurité de l'interaction avec des environnements non structurés. Malgré sa stabilité remarquable et sa robustesse, ce framework souffre des limitations strictes imposées au contrôleur qui peuvent compromettre les performances. Le lecteur est renvoyé à l'étude suivante qui résume les architectures de contrôleurs communes pour SEA ainsi que les conditions de passivité suffisante correspondantes . Une étude récente a dérivé les conditions de passivité nécessaires et suffisantes pour l'une des architectures de contrôle d'impédance les plus courantes , à savoir la SEA à source de vitesse. Ce travail est particulièrement important car il détermine pour la première fois les limites de passivité non conservatrice dans un schéma SEA, ce qui permet une plus grande sélection de gains de contrôle.

Muscles aériens

Les muscles artificiels pneumatiques, également appelés muscles à air, sont des tubes spéciaux qui se dilatent (généralement jusqu'à 40 %) lorsque de l'air est forcé à l'intérieur d'eux. Ils sont utilisés dans certaines applications robotiques.

Fil musculaire

Le fil musculaire, également appelé alliage à mémoire de forme, fil Nitinol® ou Flexinol®, est un matériau qui se contracte (moins de 5%) lorsque l'électricité est appliquée. Ils ont été utilisés pour certaines applications de petits robots.

Polymères électroactifs

Les EAP ou EPAM sont un matériau plastique qui peut se contracter considérablement (jusqu'à 380% de contrainte d'activation) à partir de l'électricité, et ont été utilisés dans les muscles faciaux et les bras de robots humanoïdes, et pour permettre aux nouveaux robots de flotter, voler, nager ou marcher.

Moteurs piézo

Des alternatives récentes aux moteurs à courant continu sont les moteurs piézo ou les moteurs à ultrasons . Ceux-ci fonctionnent sur un principe fondamentalement différent, selon lequel de minuscules éléments piézocéramiques , vibrant plusieurs milliers de fois par seconde, provoquent un mouvement linéaire ou rotatif. Il existe différents mécanismes de fonctionnement ; un type utilise la vibration des éléments piézoélectriques pour faire tourner le moteur en cercle ou en ligne droite. Un autre type utilise les éléments piézo pour faire vibrer un écrou ou pour entraîner une vis. Les avantages de ces moteurs sont la résolution nanométrique , la vitesse et la force disponible pour leur taille. Ces moteurs sont déjà disponibles dans le commerce, et utilisés sur certains robots.

Nanotubes élastiques

Les nanotubes élastiques sont une technologie prometteuse pour les muscles artificiels en développement expérimental à un stade précoce. L'absence de défauts dans les nanotubes de carbone permet à ces filaments de se déformer élastiquement de plusieurs pour cent, avec des niveaux de stockage d'énergie de peut-être 10  J /cm 3 pour les nanotubes métalliques. Le biceps humain pourrait être remplacé par un fil de 8 mm de diamètre de ce matériau. Un "muscle" aussi compact pourrait permettre aux futurs robots de distancer et de dépasser les humains.

Détection

Les capteurs permettent aux robots de recevoir des informations sur une certaine mesure de l'environnement ou des composants internes. Ceci est essentiel pour que les robots effectuent leurs tâches et agissent sur tout changement dans l'environnement pour calculer la réponse appropriée. Ils sont utilisés pour diverses formes de mesures, pour avertir les robots de la sécurité ou des dysfonctionnements et pour fournir des informations en temps réel sur la tâche qu'ils effectuent.

Toucher

Les mains robotiques et prothétiques actuelles reçoivent beaucoup moins d' informations tactiles que la main humaine. Des recherches récentes ont développé un réseau de capteurs tactiles qui imite les propriétés mécaniques et les récepteurs tactiles du bout des doigts humains. Le réseau de capteurs est construit comme un noyau rigide entouré d'un fluide conducteur contenu par une peau élastomère. Des électrodes sont montées sur la surface du noyau rigide et sont connectées à un dispositif de mesure d'impédance à l'intérieur du noyau. Lorsque la peau artificielle touche un objet, le trajet du fluide autour des électrodes est déformé, produisant des changements d'impédance qui cartographient les forces reçues de l'objet. Les chercheurs s'attendent à ce qu'une fonction importante de ces bouts de doigts artificiels soit l'ajustement de la prise robotique sur les objets tenus.

Des scientifiques de plusieurs pays européens et d' Israël ont développé une main prothétique en 2009, appelée SmartHand, qui fonctionne comme une vraie main, permettant aux patients d'écrire avec, de taper sur un clavier , de jouer du piano et d'effectuer d'autres mouvements fins. La prothèse est dotée de capteurs qui permettent au patient de ressentir une sensation réelle au bout de ses doigts.

Vision

La vision par ordinateur est la science et la technologie des machines qui voient. En tant que discipline scientifique, la vision par ordinateur s'intéresse à la théorie derrière les systèmes artificiels qui extraient des informations à partir d'images. Les données d'image peuvent prendre de nombreuses formes, telles que des séquences vidéo et des vues de caméras.

Dans la plupart des applications pratiques de vision par ordinateur, les ordinateurs sont préprogrammés pour résoudre une tâche particulière, mais les méthodes basées sur l'apprentissage deviennent de plus en plus courantes.

Les systèmes de vision par ordinateur reposent sur des capteurs d'image qui détectent le rayonnement électromagnétique qui se présente généralement sous la forme de lumière visible ou de lumière infrarouge . Les capteurs sont conçus en utilisant la physique du solide . Le processus par lequel la lumière se propage et se réfléchit sur les surfaces est expliqué à l'aide de l' optique . Les capteurs d'images sophistiqués nécessitent même la mécanique quantique pour fournir une compréhension complète du processus de formation d'images. Les robots peuvent également être équipés de plusieurs capteurs de vision pour mieux calculer le sens de la profondeur dans l'environnement. Comme les yeux humains, les « yeux » des robots doivent également être capables de se concentrer sur une zone d'intérêt particulière et de s'adapter aux variations d'intensité lumineuse.

Il existe un sous-domaine de la vision par ordinateur où les systèmes artificiels sont conçus pour imiter le traitement et le comportement du système biologique , à différents niveaux de complexité. En outre, certaines des méthodes basées sur l'apprentissage développées dans le cadre de la vision par ordinateur ont leur origine en biologie.

Autre

D'autres formes courantes de détection en robotique utilisent le lidar, le radar et le sonar. Le lidar mesure la distance à une cible en éclairant la cible avec une lumière laser et en mesurant la lumière réfléchie avec un capteur. Le radar utilise des ondes radio pour déterminer la portée, l'angle ou la vitesse des objets. Le sonar utilise la propagation du son pour naviguer, communiquer avec ou détecter des objets sur ou sous la surface de l'eau.

Manipulation

Robot industriel KUKA opérant dans une fonderie
Puma, l'un des premiers robots industriels
Baxter, un robot industriel moderne et polyvalent développé par Rodney Brooks

Une définition de la manipulation robotique a été fournie par Matt Mason comme suit : « la manipulation fait référence au contrôle par un agent de son environnement par le biais d'un contact sélectif ».

Les robots doivent manipuler des objets ; ramasser, modifier, détruire ou avoir un autre effet. Ainsi, l'extrémité fonctionnelle d'un bras de robot destinée à produire l'effet (qu'il s'agisse d'une main ou d'un outil) est souvent appelée effecteurs terminaux , tandis que le « bras » est appelé manipulateur . La plupart des bras de robot ont des effecteurs remplaçables, chacun leur permettant d'effectuer une petite gamme de tâches. Certains ont un manipulateur fixe qui ne peut pas être remplacé, tandis que quelques-uns ont un manipulateur très général, par exemple, une main humanoïde.

Pinces mécaniques

L'un des types les plus courants d'effecteurs finaux sont les "préhenseurs". Dans sa manifestation la plus simple, il se compose de seulement deux doigts qui peuvent s'ouvrir et se fermer pour ramasser et lâcher une gamme de petits objets. Les doigts peuvent, par exemple, être constitués d'une chaîne traversée par un fil métallique. Les mains qui ressemblent et fonctionnent plus comme une main humaine incluent la main de l' ombre et la main du Robonaut . Les mains de complexité moyenne incluent la main de Delft . Les pinces mécaniques peuvent être de différents types, y compris les mâchoires à friction et englobantes. Les mâchoires à friction utilisent toute la force de la pince pour maintenir l'objet en place par friction. Les mâchoires englobantes maintiennent l'objet en place, en utilisant moins de friction.

Effecteurs d'aspiration

Les effecteurs d'aspiration, alimentés par des générateurs de vide, sont des dispositifs astrictifs très simples qui peuvent supporter des charges très importantes à condition que la surface de préhension soit suffisamment lisse pour assurer l'aspiration.

Les robots Pick and Place pour les composants électroniques et pour les gros objets comme les pare-brise de voiture, utilisent souvent des effecteurs à vide très simples.

L'aspiration est un type d'effecteur terminal très utilisé dans l'industrie, en partie parce que la conformité naturelle des effecteurs terminaux à aspiration douce peut permettre à un robot d'être plus robuste en présence d'une perception robotique imparfaite. A titre d'exemple : considérons le cas d'un système de vision robot qui estime la position d'une bouteille d'eau, mais a 1 centimètre d'erreur. Bien que cela puisse amener une pince mécanique rigide à percer la bouteille d'eau, l'effecteur d'aspiration souple peut juste se plier légèrement et se conformer à la forme de la surface de la bouteille d'eau.

Effecteurs à usage général

Certains robots avancés commencent à utiliser des mains entièrement humanoïdes, comme la main de l'ombre, MANUS et la main de Schunk . Ce sont des manipulateurs très adroits, avec jusqu'à 20 degrés de liberté et des centaines de capteurs tactiles.

Locomotion

Robots roulants

Segway au musée du Robot à Nagoya

Pour plus de simplicité, la plupart des robots mobiles ont quatre roues ou un certain nombre de pistes continues . Certains chercheurs ont essayé de créer des robots à roues plus complexes avec seulement une ou deux roues. Ceux-ci peuvent présenter certains avantages tels qu'une plus grande efficacité et des pièces réduites, ainsi que permettre à un robot de naviguer dans des endroits confinés qu'un robot à quatre roues ne pourrait pas faire.

Robots d'équilibrage à deux roues

Les robots d'équilibrage utilisent généralement un gyroscope pour détecter de combien un robot tombe, puis entraînent les roues proportionnellement dans la même direction, pour contrebalancer la chute des centaines de fois par seconde, sur la base de la dynamique d'un pendule inversé . De nombreux robots d'équilibrage différents ont été conçus. Bien que le Segway ne soit pas communément considéré comme un robot, il peut être considéré comme un composant d'un robot, lorsqu'il est utilisé en tant que tel, Segway les appelle RMP (Robotic Mobility Platform). Un exemple de cette utilisation a été comme la NASA de Robonaut qui a été monté sur un Segway.

Robots d'équilibrage à une roue

Un robot d'équilibrage à une roue est une extension d'un robot d'équilibrage à deux roues afin qu'il puisse se déplacer dans n'importe quelle direction 2D en utilisant une boule ronde comme seule roue. Plusieurs robots d'équilibrage à une roue ont été conçus récemment, comme le " Ballbot " de l'Université Carnegie Mellon, qui correspond à la hauteur et à la largeur approximatives d'une personne, et le " BallIP " de l'Université Tohoku Gakuin . En raison de leur forme longue et mince et de leur capacité à manœuvrer dans des espaces restreints, ils ont le potentiel de fonctionner mieux que les autres robots dans des environnements avec des personnes.

Robots orbes sphériques

Plusieurs tentatives ont été faites dans des robots qui sont complètement à l'intérieur d'une boule sphérique, soit en faisant tourner un poids à l'intérieur de la boule, soit en faisant tourner les coques extérieures de la sphère. Ceux-ci ont également été appelés bot orb ou bot ball.

Robots à six roues

L'utilisation de six roues au lieu de quatre peut offrir une meilleure traction ou une meilleure adhérence sur les terrains extérieurs tels que la terre rocheuse ou l'herbe.

Robots traqués

Les chenilles des chars offrent encore plus de traction qu'un robot à six roues. Les roues à chenilles se comportent comme si elles étaient composées de centaines de roues, elles sont donc très courantes pour les robots extérieurs et militaires, où le robot doit conduire sur un terrain très accidenté. Cependant, ils sont difficiles à utiliser à l'intérieur comme sur les tapis et les sols lisses. Les exemples incluent le robot urbain "Urbie" de la NASA.

La marche appliquée aux robots

La marche est un problème difficile et dynamique à résoudre. Plusieurs robots ont été fabriqués qui peuvent marcher de manière fiable sur deux jambes, cependant, aucun n'a encore été fabriqué qui soit aussi robuste qu'un humain. Il y a eu de nombreuses études sur la marche inspirée par l'homme, comme le laboratoire AMBER qui a été créé en 2008 par le département de génie mécanique de la Texas A&M University. De nombreux autres robots ont été construits qui marchent sur plus de deux jambes, car ces robots sont beaucoup plus faciles à construire. Les robots marcheurs peuvent être utilisés sur des terrains accidentés, ce qui offrirait une meilleure mobilité et une meilleure efficacité énergétique que les autres méthodes de locomotion. En règle générale, les robots sur deux jambes peuvent bien marcher sur des sols plats et peuvent parfois monter des escaliers . Personne ne peut marcher sur un terrain rocheux et accidenté. Certaines des méthodes qui ont été essayées sont :

Technique ZMP

Le point de moment nul (ZMP) est l'algorithme utilisé par des robots , tels que Honda s » ASIMO . Les essais de l' ordinateur de bord du robot pour maintenir le total des forces d' inertie (la combinaison de la Terre de la gravité et de l' accélération et de décélération de la marche), exactement opposée par le sol la force de réaction (la force de l'étage de poussée en arrière sur le pied du robot). De cette façon, les deux forces s'annulent, ne laissant aucun moment (force provoquant la rotation et la chute du robot). Cependant, ce n'est pas exactement comme cela qu'un humain marche, et la différence est évidente pour les observateurs humains, dont certains ont souligné qu'ASIMO marche comme s'il avait besoin des toilettes . L'algorithme de marche d'ASIMO n'est pas statique et un certain équilibrage dynamique est utilisé (voir ci-dessous). Cependant, il nécessite toujours une surface lisse pour marcher.

Sauter

Plusieurs robots, construits dans les années 1980 par Marc Raibert au MIT Leg Laboratory, ont démontré avec succès une marche très dynamique. Initialement, un robot avec une seule jambe et un tout petit pied pouvait rester debout simplement en sautant . Le mouvement est le même que celui d'une personne sur un pogo stick . Lorsque le robot tombe d'un côté, il saute légèrement dans cette direction pour se rattraper. Bientôt, l'algorithme a été généralisé à deux et quatre pattes. Un robot bipède a été démontré en train de courir et même d'effectuer des sauts périlleux . Un quadrupède a également été démontré qui pouvait trotter , courir, faire le pas et bondir. Pour une liste complète de ces robots, consultez la page MIT Leg Lab Robots.

Équilibrage dynamique (chute contrôlée)

Un moyen plus avancé pour un robot de marcher consiste à utiliser un algorithme d'équilibrage dynamique, qui est potentiellement plus robuste que la technique Zero Moment Point, car il surveille en permanence le mouvement du robot et place les pieds afin de maintenir la stabilité. Cette technique a été récemment démontrée par le robot Dexter d' Anybots , qui est si stable qu'il peut même sauter. Un autre exemple est la TU Delft Flame .

Dynamique passive

L'approche peut-être la plus prometteuse utilise la dynamique passive où l' élan des membres qui se balancent est utilisé pour une plus grande efficacité . Il a été démontré que des mécanismes humanoïdes totalement non alimentés peuvent descendre une pente douce, en utilisant uniquement la gravité pour se propulser. En utilisant cette technique, un robot n'a besoin de fournir qu'une petite quantité de puissance motrice pour marcher sur une surface plane ou un peu plus pour gravir une colline . Cette technique promet de rendre les robots marcheurs au moins dix fois plus efficaces que les marcheurs ZMP, comme ASIMO.

Autres modes de locomotion

En volant

Un avion de ligne moderne est essentiellement un robot volant , avec deux humains pour le gérer. Le pilote automatique peut contrôler l'avion pour chaque étape du voyage, y compris le décollage, le vol normal et même l'atterrissage. D'autres robots volants sont inhabités et sont connus sous le nom de véhicules aériens sans pilote (UAV). Ils peuvent être plus petits et plus légers sans pilote humain à bord et voler en territoire dangereux pour des missions de surveillance militaire. Certains peuvent même tirer sur des cibles sous commandement. Des drones sont également en cours de développement et peuvent tirer sur des cibles automatiquement, sans avoir besoin d'une commande humaine. Les autres robots volants incluent les missiles de croisière , l'Entomopter et le micro-robot hélicoptère Epson . Des robots tels que Air Penguin, Air Ray et Air Jelly ont des corps plus légers que l'air, propulsés par des pagaies et guidés par un sonar.

serpenter
Deux serpents robots. Celui de gauche a 64 moteurs (avec 2 degrés de liberté par segment), celui de droite 10.

Plusieurs robots serpents ont été développés avec succès. Imitant la façon dont les vrais serpents se déplacent, ces robots peuvent naviguer dans des espaces très confinés, ce qui signifie qu'ils pourraient un jour être utilisés pour rechercher des personnes piégées dans des bâtiments effondrés. Le robot serpent japonais ACM-R5 peut même naviguer à la fois sur terre et dans l'eau.

Patinage

Un petit nombre de robots de patinage ont été développés, dont l'un est un dispositif de marche et de patinage multimode. Il a quatre pieds, avec des roues non motorisées, qui peuvent marcher ou rouler. Un autre robot, Plen, peut utiliser une planche à roulettes ou des patins à roulettes miniatures et patiner sur un bureau.

Capucin, un robot grimpeur
Escalade

Plusieurs approches différentes ont été utilisées pour développer des robots capables d'escalader des surfaces verticales. Une approche imite les mouvements d'un grimpeur humain sur un mur avec des saillies ; ajuster le centre de gravité et déplacer chaque membre à tour de rôle pour obtenir un effet de levier. Un exemple de ceci est Capucin, construit par le Dr Ruixiang Zhang à l'Université de Stanford, en Californie. Une autre approche utilise la méthode spécialisée du coussinet des orteils des geckos grimpeurs , qui peuvent fonctionner sur des surfaces lisses telles que le verre vertical. Wallbot et Stickybot sont des exemples de cette approche.

Le China's Technology Daily a rapporté le 15 novembre 2008, que le Dr Li Hiu Yeung et son groupe de recherche de New Concept Aircraft ( Zhuhai ) Co., Ltd. avaient développé avec succès un robot gecko bionique nommé « Speedy Freelander ». Selon le Dr Yeung, le robot gecko pourrait rapidement monter et descendre une variété de murs de bâtiments, naviguer à travers les fissures du sol et des murs et marcher la tête en bas au plafond. Il a également su s'adapter aux surfaces de verre lisse, aux murs rugueux, collants ou poussiéreux ainsi qu'à divers types de matériaux métalliques. Il pourrait également identifier et contourner automatiquement les obstacles. Sa flexibilité et sa vitesse étaient comparables à celles d'un gecko naturel. Une troisième approche consiste à imiter le mouvement d'un serpent grimpant à un poteau.

Natation (Piscine)

Il est calculé qu'en nageant certains poissons peuvent atteindre une efficacité propulsive supérieure à 90 %. De plus, ils peuvent accélérer et manœuvrer bien mieux que n'importe quel bateau ou sous - marin artificiel , et produisent moins de bruit et de perturbation de l'eau. Par conséquent, de nombreux chercheurs étudiant les robots sous-marins aimeraient copier ce type de locomotion. Des exemples notables sont l' Essex University Computer Science Robotic Fish G9 et le Robot Tuna construit par l'Institute of Field Robotics, pour analyser et modéliser mathématiquement le mouvement thunniforme . L'Aqua Penguin, conçu et construit par Festo d'Allemagne, copie la forme aérodynamique et la propulsion par les « nageoires » avant des pingouins . Festo a également construit l'Aqua Ray et l'Aqua Jelly, qui imitent respectivement la locomotion de la raie manta et des méduses.

Poisson robotique : iSplash -II

En 2014, iSplash -II a été développé par le doctorant Richard James Clapham et le professeur Huosheng Hu à l'Université d'Essex. C'était le premier poisson robotique capable de surpasser les vrais poissons carangiformes en termes de vitesse maximale moyenne (mesurée en longueurs corporelles/seconde) et d'endurance, la durée pendant laquelle la vitesse maximale est maintenue. Cette construction a atteint des vitesses de nage de 11,6BL/s (c'est-à-dire 3,7 m/s). La première version, iSplash -I (2014) a été la première plate-forme robotique à appliquer un mouvement de nage carangiforme sur tout le corps qui s'est avéré augmenter la vitesse de nage de 27% par rapport à l'approche traditionnelle d'une forme d'onde confinée postérieure.

Voile
Le robot voilier autonome Vaimos

Des robots voiliers ont également été développés afin d'effectuer des mesures à la surface de l'océan. Un robot voilier typique est Vaimos construit par l'IFREMER et l'ENSTA-Bretagne. La propulsion des robots voiliers utilisant le vent, l'énergie des batteries n'est utilisée que pour l'ordinateur, pour la communication et pour les actionneurs (pour régler le gouvernail et la voile). Si le robot est équipé de panneaux solaires, le robot pourrait théoriquement naviguer indéfiniment. Les deux principales compétitions de robots voiliers sont la WRSC , qui se déroule chaque année en Europe, et Sailbot .

Interaction environnementale et navigation

Radar, GPS et lidar sont tous combinés pour fournir une navigation appropriée et éviter les obstacles (véhicule développé pour 2007 DARPA Urban Challenge )

Bien qu'un pourcentage important de robots en service aujourd'hui soient contrôlés par l'homme ou fonctionnent dans un environnement statique, il existe un intérêt croissant pour les robots capables de fonctionner de manière autonome dans un environnement dynamique. Ces robots nécessitent une combinaison de matériel et de logiciels de navigation pour traverser leur environnement. En particulier, des événements imprévus (par exemple des personnes et d'autres obstacles qui ne sont pas immobiles) peuvent causer des problèmes ou des collisions. Certains robots très avancés tels que ASIMO et le robot Meinü disposent d'un matériel et d'un logiciel de navigation de robot particulièrement performants. De plus, les voitures autocontrôlées , la voiture sans conducteur d' Ernst Dickmann et les participants au DARPA Grand Challenge , sont capables de bien détecter l'environnement et de prendre par la suite des décisions de navigation sur la base de ces informations, y compris par un essaim de robots autonomes. La plupart de ces robots utilisent un appareil de navigation GPS avec des points de cheminement, ainsi qu'un radar , parfois combiné à d'autres données sensorielles telles que le lidar , des caméras vidéo et des systèmes de guidage inertiel pour une meilleure navigation entre les points de cheminement.

Interaction homme-robot

Kismet peut produire une gamme d'expressions faciales.

L'état de l'art de l'intelligence sensorielle pour les robots devra progresser de plusieurs ordres de grandeur si nous voulons que les robots travaillant dans nos maisons aillent au-delà de l'aspiration des sols. Si les robots doivent fonctionner efficacement dans les maisons et autres environnements non industriels, la façon dont on leur demande d'effectuer leur travail, et surtout comment on leur dira d'arrêter, sera d'une importance cruciale. Les personnes qui interagissent avec eux peuvent avoir peu ou pas de formation en robotique, et donc toute interface devra être extrêmement intuitive. Les auteurs de science-fiction supposent également généralement que les robots seront finalement capables de communiquer avec les humains par la parole , les gestes et les expressions faciales , plutôt que par une interface de ligne de commande . Bien que la parole soit le moyen le plus naturel pour l'humain de communiquer, elle n'est pas naturelle pour le robot. Il faudra probablement beaucoup de temps avant que les robots n'interagissent aussi naturellement que le fictif C-3PO , ou Data of Star Trek, Next Generation . Même si l'état actuel de la robotique ne peut pas répondre aux normes de ces robots de science-fiction, les personnages médiatiques robotiques (par exemple, Wall-E, R2-D2) peuvent susciter la sympathie du public qui augmente la volonté des gens d'accepter de vrais robots à l'avenir. L'acceptation des robots sociaux est également susceptible d'augmenter si les gens peuvent rencontrer un robot social dans des conditions appropriées. Des études ont montré qu'interagir avec un robot en regardant, en touchant ou même en imaginant interagir avec le robot peut réduire les sentiments négatifs que certaines personnes ont à propos des robots avant d'interagir avec eux. Cependant, si les sentiments négatifs préexistants sont particulièrement forts, interagir avec un robot peut augmenter ces sentiments négatifs envers les robots.

Reconnaissance de la parole

Interpréter le flux continu de sons provenant d'un humain, en temps réel , est une tâche difficile pour un ordinateur, principalement en raison de la grande variabilité de la parole . Un même mot, prononcé par la même personne peut sonner différemment selon l' acoustique locale , le volume , le mot précédent, si le locuteur a ou non un rhume , etc. Cela devient encore plus difficile lorsque le locuteur a un accent différent . Néanmoins, de grands progrès ont été accomplis dans le domaine depuis que Davis, Biddulph et Balashek ont ​​conçu le premier « système de saisie vocale » qui reconnaissait « dix chiffres prononcés par un seul utilisateur avec une précision de 100 %» en 1952. Actuellement, les meilleurs systèmes peuvent reconnaître parole continue et naturelle, jusqu'à 160 mots par minute, avec une précision de 95 %. Avec l'aide de l'intelligence artificielle, les machines peuvent aujourd'hui utiliser la voix des gens pour identifier leurs émotions telles que satisfait ou en colère

Voix robotique

D'autres obstacles existent lorsqu'on permet au robot d'utiliser la voix pour interagir avec les humains. Pour des raisons sociales, la voix synthétique s'avère sous-optimale en tant que moyen de communication, ce qui oblige à développer la composante émotionnelle de la voix robotique à travers diverses techniques. Un avantage du branchement diphonique est l'émotion que le robot est programmé pour projeter, peut être transportée sur la bande vocale, ou le phonème, déjà préprogrammé sur le support vocal. L'un des premiers exemples est un robot enseignant nommé Leachim développé en 1974 par Michael J. Freeman . Leachim a pu convertir la mémoire numérique en discours verbal rudimentaire sur des disques informatiques préenregistrés. Il a été programmé pour enseigner à des étudiants du Bronx, à New York .

Gestes

On peut imaginer, dans le futur, expliquer à un robot chef comment faire une pâtisserie, ou demander son chemin à un robot policier. Dans ces deux cas, faire des gestes de la main aiderait les descriptions verbales. Dans le premier cas, le robot reconnaîtrait les gestes faits par l'humain, et peut-être les répéterait pour confirmation. Dans le second cas, le robot policier ferait un geste pour indiquer "en bas de la route, puis tourner à droite". Il est probable que les gestes feront partie de l'interaction entre les humains et les robots. De nombreux systèmes ont été développés pour reconnaître les gestes de la main humaine.

Expression faciale

Les expressions faciales peuvent fournir un retour rapide sur la progression d'un dialogue entre deux humains, et pourraient bientôt être en mesure de faire de même pour les humains et les robots. Les visages robotiques ont été construits par Hanson Robotics à l' aide de leur polymère élastique appelé Frubber , permettant un grand nombre d'expressions faciales en raison de l'élasticité du revêtement facial en caoutchouc et des moteurs souterrains intégrés ( servos ). Le revêtement et les servos sont construits sur un crâne en métal . Un robot doit savoir comment approcher un humain, à en juger par son expression faciale et son langage corporel . Que la personne soit heureuse, effrayée ou qu'elle ait l'air folle affecte le type d'interaction attendu du robot. De même, des robots comme Kismet et l'ajout le plus récent, Nexi, peuvent produire une gamme d'expressions faciales, ce qui lui permet d'avoir des échanges sociaux significatifs avec les humains.

Émotions artificielles

Des émotions artificielles peuvent également être générées, composées d'une séquence d'expressions faciales ou de gestes. Comme on peut le voir dans le film Final Fantasy : The Spirits Within , la programmation de ces émotions artificielles est complexe et nécessite une grande quantité d'observation humaine. Pour simplifier cette programmation dans le film, des préréglages ont été créés avec un logiciel spécial. Cela a réduit le temps nécessaire pour faire le film. Ces préréglages pourraient éventuellement être transférés pour être utilisés dans des robots réels. Un exemple de robot doté d'émotions artificielles est Robin le robot développé par une société informatique arménienne Expper Technologies, qui utilise une interaction peer-to-peer basée sur l'IA. Sa tâche principale est d'atteindre le bien-être émotionnel, c'est-à-dire de surmonter le stress et l'anxiété. Robin a été formé pour analyser les expressions faciales et utiliser son visage pour afficher ses émotions compte tenu du contexte. Le robot a été testé par des enfants dans des cliniques américaines, et les observations montrent que Robin a augmenté l'appétit et la gaieté des enfants après s'être rencontrés et avoir parlé.

Personnalité

Beaucoup de robots de science-fiction ont une personnalité , quelque chose qui peut ou non être souhaitable dans les robots commerciaux du futur. Néanmoins, les chercheurs tentent de créer des robots qui semblent avoir une personnalité : c'est-à-dire qu'ils utilisent des sons, des expressions faciales et un langage corporel pour essayer de transmettre un état interne, qui peut être la joie, la tristesse ou la peur. Un exemple commercial est Pleo , un dinosaure robot jouet, qui peut présenter plusieurs émotions apparentes.

Intelligence sociale

Le laboratoire de machines socialement intelligentes du Georgia Institute of Technology étudie de nouveaux concepts d'interaction pédagogique guidée avec des robots. L'objectif des projets est un robot social qui apprend la tâche et les objectifs à partir de démonstrations humaines sans connaissance préalable des concepts de haut niveau. Ces nouveaux concepts sont fondés sur des données de capteurs continus de bas niveau grâce à un apprentissage non supervisé , et les objectifs des tâches sont ensuite appris à l'aide d'une approche bayésienne. Ces concepts peuvent être utilisés pour transférer des connaissances vers des tâches futures, ce qui permet un apprentissage plus rapide de ces tâches. Les résultats sont démontrés par le robot Curi qui peut prélever des pâtes d'une casserole sur une assiette et servir la sauce sur le dessus.

Contrôler

Puppet Magnus , une marionnette manipulée par un robot avec des systèmes de contrôle complexes.
RuBot II peut résoudre manuellement les cubes Rubik.

La structure mécanique d'un robot doit être contrôlée pour effectuer des tâches. Le contrôle d'un robot implique trois phases distinctes : la perception, le traitement et l'action ( paradigmes robotiques ). Les capteurs donnent des informations sur l'environnement ou le robot lui-même (par exemple la position de ses articulations ou de son effecteur final). Ces informations sont ensuite traitées pour être stockées ou transmises et pour calculer les signaux appropriés aux actionneurs ( moteurs ) qui déplacent la mécanique.

La phase de traitement peut varier en complexité. À un niveau réactif, il peut traduire les informations brutes du capteur directement en commandes d'actionneur. La fusion de capteurs peut d'abord être utilisée pour estimer des paramètres d'intérêt (par exemple la position de la pince du robot) à partir de données de capteurs bruyants. Une tâche immédiate (telle que déplacer la pince dans une certaine direction) est déduite de ces estimations. Les techniques de la théorie du contrôle convertissent la tâche en commandes qui pilotent les actionneurs.

À des échelles de temps plus longues ou avec des tâches plus sophistiquées, le robot peut avoir besoin de construire et de raisonner avec un modèle « cognitif ». Les modèles cognitifs tentent de représenter le robot, le monde et comment ils interagissent. La reconnaissance de formes et la vision par ordinateur peuvent être utilisées pour suivre des objets. Les techniques de cartographie peuvent être utilisées pour construire des cartes du monde. Enfin, la planification du mouvement et d'autres techniques d' intelligence artificielle peuvent être utilisées pour déterminer comment agir. Par exemple, un planificateur peut trouver comment accomplir une tâche sans heurter des obstacles, tomber, etc.

Niveaux d'autonomie

TOPIO , un robot humanoïde , a joué au ping-pong à Tokyo IREX 2009.

Les systèmes de contrôle peuvent également avoir différents niveaux d'autonomie.

  1. L'interaction directe est utilisée pour les appareils haptiques ou téléopérés, et l'humain a un contrôle presque complet sur le mouvement du robot.
  2. Les modes d'assistance à l'opérateur permettent à l'opérateur de commander des tâches de niveau moyen à élevé, le robot trouvant automatiquement comment les réaliser.
  3. Un robot autonome peut rester sans interaction humaine pendant de longues périodes. Des niveaux d'autonomie plus élevés ne nécessitent pas nécessairement des capacités cognitives plus complexes. Par exemple, les robots des usines d'assemblage sont complètement autonomes mais fonctionnent selon un schéma fixe.

Une autre classification prend en compte l'interaction entre le contrôle humain et les mouvements de la machine.

  1. Téléopération . Un humain contrôle chaque mouvement, chaque changement d'actionneur de machine est spécifié par l'opérateur.
  2. Supervision. Un humain spécifie des mouvements généraux ou des changements de position et la machine décide des mouvements spécifiques de ses actionneurs.
  3. Autonomie au niveau des tâches. L'opérateur ne précise que la tâche et le robot se débrouille pour l'accomplir.
  4. Autonomie totale. La machine créera et terminera toutes ses tâches sans interaction humaine.

Recherche

Deux ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory se tiennent avec trois véhicules, fournissant une comparaison de taille de trois générations de rovers martiens. À l'avant et au centre se trouve la pièce de rechange du premier rover martien, Sojourner , qui a atterri sur Mars en 1997 dans le cadre du projet Mars Pathfinder. Sur la gauche se trouve un véhicule d'essai Mars Exploration Rover (MER) qui est un frère de travail de Spirit and Opportunity , qui a atterri sur Mars en 2004. À droite se trouve un rover d'essai pour le Mars Science Laboratory, qui a atterri Curiosity sur Mars en 2012 .
Sojourner mesure 65 cm (2,13 pi) de long. Les Mars Exploration Rovers (MER) mesurent 1,6 m (5,2 pi) de long. La curiosité à droite mesure 3 m (9,8 pi) de long.

Une grande partie de la recherche en robotique ne se concentre pas sur des tâches industrielles spécifiques, mais sur des enquêtes sur de nouveaux types de robots , des façons alternatives de penser ou de concevoir des robots et de nouvelles façons de les fabriquer. D'autres enquêtes, comme le projet Cyberflora du MIT , sont presque entièrement académiques.

Une première innovation particulière dans la conception de robots est l'open sourcing de projets de robots. Pour décrire le niveau d'avancement d'un robot, le terme « Generation Robots » peut être utilisé. Ce terme est inventé par le professeur Hans Moravec , chercheur principal à l' Institut de robotique de l'Université Carnegie Mellon pour décrire l'évolution future proche de la technologie des robots. Les robots de première génération , prédit Moravec en 1997, devraient avoir une capacité intellectuelle comparable peut-être à un lézard et devraient être disponibles d'ici 2010. Parce que le robot de première génération serait incapable d' apprendre , cependant, Moravec prédit que le robot de deuxième génération serait une amélioration. sur le premier et devenir disponible d'ici 2020, avec l'intelligence peut-être comparable à celle d'une souris . Le robot de troisième génération devrait avoir une intelligence comparable à celle d'un singe . Bien que des robots de quatrième génération , des robots dotés d' une intelligence humaine , prédit le professeur Moravec, deviendraient possibles, il ne prévoit pas que cela se produira avant 2040 ou 2050 environ.

Le second est celui des robots évolutifs . Il s'agit d'une méthodologie qui utilise le calcul évolutif pour aider à concevoir des robots, en particulier la forme du corps, ou des contrôleurs de mouvement et de comportement . De la même manière que l'évolution naturelle , une grande population de robots est autorisée à concourir d'une manière ou d'une autre, ou leur capacité à effectuer une tâche est mesurée à l'aide d'une fonction de fitness . Ceux qui fonctionnent le moins bien sont retirés de la population et remplacés par un nouvel ensemble, qui a de nouveaux comportements basés sur ceux des gagnants. Au fil du temps, la population s'améliore et un robot satisfaisant peut éventuellement apparaître. Cela se produit sans aucune programmation directe des robots par les chercheurs. Les chercheurs utilisent cette méthode à la fois pour créer de meilleurs robots et pour explorer la nature de l'évolution. Parce que le processus nécessite souvent de simuler de nombreuses générations de robots, cette technique peut être exécutée entièrement ou principalement en simulation , à l'aide d'un progiciel de simulation de robot , puis testée sur de vrais robots une fois que les algorithmes évolués sont suffisamment bons. Actuellement, il y a environ 10 millions de robots industriels qui travaillent dans le monde, et le Japon est le premier pays ayant une forte densité d'utilisation de robots dans son industrie manufacturière.

Dynamique et cinématique

Vidéo externe
icône vidéo Comment fonctionne le jouet BB-8 Sphero

L'étude du mouvement peut être divisée en cinématique et dynamique . La cinématique directe ou cinématique directe fait référence au calcul de la position, de l'orientation, de la vitesse et de l' accélération de l' effecteur terminal lorsque les valeurs articulaires correspondantes sont connues. La cinématique inverse fait référence au cas opposé dans lequel les valeurs articulaires requises sont calculées pour des valeurs d'effecteur terminales données, comme cela est fait dans la planification de la trajectoire. Certains aspects particuliers de la cinématique incluent la gestion de la redondance (différentes possibilités d'effectuer le même mouvement), l' évitement des collisions et l' évitement des singularités . Une fois que toutes les positions, vitesses et accélérations pertinentes ont été calculées à l'aide de la cinématique , des méthodes du domaine de la dynamique sont utilisées pour étudier l'effet des forces sur ces mouvements. La dynamique directe fait référence au calcul des accélérations dans le robot une fois que les forces appliquées sont connues. La dynamique directe est utilisée dans les simulations informatiques du robot. La dynamique inverse fait référence au calcul des forces de l'actionneur nécessaires pour créer une accélération prescrite de l'effecteur. Ces informations peuvent être utilisées pour améliorer les algorithmes de contrôle d'un robot.

Dans chaque domaine mentionné ci-dessus, les chercheurs s'efforcent de développer de nouveaux concepts et stratégies, d'améliorer ceux qui existent déjà et d'améliorer l'interaction entre ces domaines. Pour ce faire, des critères de performances « optimales » et des moyens d'optimiser la conception, la structure et le contrôle des robots doivent être développés et mis en œuvre.

Bionique et biomimétique

La bionique et la biomimétique appliquent la physiologie et les méthodes de locomotion des animaux à la conception de robots. Par exemple, la conception de BionicKangaroo était basée sur la façon dont les kangourous sautent.

L'informatique quantique

Des recherches ont été menées pour savoir si les algorithmes robotiques peuvent être exécutés plus rapidement sur des ordinateurs quantiques que sur des ordinateurs numériques . Ce domaine a été appelé robotique quantique.

Éducation et formation

Le robot éducatif SCORBOT-ER 4u

Les ingénieurs en robotique conçoivent des robots, les entretiennent, développent de nouvelles applications pour eux et mènent des recherches pour étendre le potentiel de la robotique. Les robots sont devenus un outil pédagogique populaire dans certains collèges et lycées, en particulier dans certaines régions des États - Unis , ainsi que dans de nombreux camps d'été pour les jeunes, suscitant l'intérêt des étudiants pour la programmation, l'intelligence artificielle et la robotique.

Formation professionnelle

Des universités comme le Worcester Polytechnic Institute (WPI) proposent des licences , des masters et des doctorats dans le domaine de la robotique. Les écoles professionnelles proposent des formations en robotique destinées aux métiers de la robotique.

Attestation

La Robotics Certification Standards Alliance (RCSA) est une autorité internationale de certification en robotique qui confère diverses certifications en robotique liées à l'industrie et à l'éducation.

Camp d'été de robotique

Plusieurs programmes nationaux de camps d'été incluent la robotique dans leur programme de base. De plus, des programmes d'été de robotique pour les jeunes sont fréquemment offerts par des musées et des institutions célèbres.

Concours de robotique

Il existe de nombreuses compétitions à travers le monde. Le programme SeaPerch s'adresse aux étudiants de tous âges. Ceci est une courte liste d'exemples de compétition; pour une liste plus complète, voir Concours de robots .

Concours pour les plus jeunes

L'organisation FIRST propose les compétitions FIRST Lego League Jr. pour les plus jeunes. L'objectif de ce concours est d'offrir aux plus jeunes l'opportunité de commencer à s'initier à la science et à la technologie. Les enfants de cette compétition construisent des modèles Lego et ont la possibilité d'utiliser le kit robotique Lego WeDo.

Compétitions pour les enfants de 9 à 14 ans

L'une des compétitions les plus importantes est la FLL ou FIRST Lego League . L'idée de cette compétition spécifique est que les enfants commencent à développer leurs connaissances et à se lancer dans la robotique en jouant avec Lego depuis l'âge de neuf ans. Ce concours est associé à National Instruments . Les enfants utilisent Lego Mindstorms pour résoudre des défis de robotique autonome dans cette compétition.

Concours pour adolescents

Le FIRST Tech Challenge est conçu pour les étudiants intermédiaires, en tant que transition de la FIRST Lego League à la FIRST Robotics Competition .

Le concours FIRST Robotics se concentre davantage sur la conception mécanique, avec un jeu spécifique joué chaque année. Les robots sont construits spécifiquement pour le jeu de cette année. En match play, le robot se déplace de manière autonome pendant les 15 premières secondes du jeu (bien que certaines années telles que Deep Space de 2019 modifient cette règle), et est actionné manuellement pour le reste du match.

Concours pour les élèves plus âgés

Les différentes compétitions RoboCup incluent des équipes d'adolescents et d'étudiants universitaires. Ces compétitions se concentrent sur des compétitions de football avec différents types de robots, des compétitions de danse et des compétitions de recherche et de sauvetage en milieu urbain. Tous les robots de ces compétitions doivent être autonomes. Certaines de ces compétitions se concentrent sur des robots simulés.

L'AUVSI organise des compétitions de robots volants , de bateaux robots et de robots sous - marins .

Le Student AUV Competition Europe (SAUC-E) attire principalement des équipes d'étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs. Comme dans les compétitions AUVSI, les robots doivent être totalement autonomes pendant qu'ils participent à la compétition.

Le Challenge Microtransat est une compétition pour traverser l'océan Atlantique à la voile.

Concours ouverts à tous

RoboGames est ouvert à tous ceux qui souhaitent participer à leurs plus de 50 catégories de compétitions de robots.

La Fédération des Associations Internationales de Robot-football organise les compétitions de la Coupe du Monde FIRA. Il existe des compétitions de robots volants, des compétitions de football de robots et d'autres défis, notamment des haltères d'haltérophilie fabriquées à partir de chevilles et de CD.

Programmes parascolaires de robotique

De nombreuses écoles à travers le pays commencent à ajouter des programmes de robotique à leur programme parascolaire. Parmi les principaux programmes de robotique parascolaire , citons FIRST Robotics Competition , Botball et BEST Robotics. Les compétitions de robotique incluent souvent des aspects commerciaux et marketing ainsi que l'ingénierie et la conception.

La société Lego a lancé un programme pour que les enfants apprennent et s'enthousiasment pour la robotique dès leur plus jeune âge.

Robotique éducative décoloniale

La robotique éducative décoloniale est une branche de la technologie décoloniale et de l'IA décoloniale, pratiquée dans divers endroits du monde. Cette méthodologie est résumée dans des théories et pratiques pédagogiques telles que la Pédagogie des opprimés et les méthodes Montessori . Et il vise à enseigner la robotique à partir de la culture locale, à pluraliser et mélanger les connaissances technologiques.

Emploi

Un technicien robot construit de petits robots tout-terrain. (Courtoisie : MobileRobots, Inc.)

La robotique est un composant essentiel dans de nombreux environnements de fabrication modernes. À mesure que les usines utilisent de plus en plus les robots, le nombre d'emplois liés à la robotique augmente et on observe une augmentation constante. L'emploi de robots dans les industries a augmenté la productivité et les gains d'efficacité et est généralement considéré comme un investissement à long terme pour les bienfaiteurs. Un article de Michael Osborne et  Carl Benedikt Frey a  révélé que 47 pour cent des emplois aux États-Unis sont menacés par l'automatisation "sur un nombre d'années indéterminé". Ces affirmations ont été critiquées au motif que la politique sociale, et non l'IA, cause le chômage. Dans un article de 2016 dans The Guardian, Stephen Hawking a déclaré : « L'automatisation des usines a déjà décimé les emplois dans la fabrication traditionnelle, et la montée de l'intelligence artificielle est susceptible d'étendre cette destruction d'emplois profondément dans les classes moyennes, avec seulement les plus attentionnés et créatifs. ou des rôles de supervision restants ».

Selon un rapport GlobalData de septembre 2021, l'industrie de la robotique valait 45 milliards de dollars en 2020, et d'ici 2030, elle aura augmenté à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 29% à 568 milliards de dollars, créant des emplois dans la robotique et les industries connexes.

Implications pour la sécurité et la santé au travail

Un document de discussion rédigé par l' EU-OSHA souligne comment la diffusion de la robotique présente à la fois des opportunités et des défis pour la sécurité et la santé au travail (SST).

Les plus grands avantages en matière de SST découlant de l'utilisation plus large de la robotique devraient être la substitution des personnes travaillant dans des environnements insalubres ou dangereux. Dans l'espace, la défense, la sécurité ou l'industrie nucléaire, mais aussi dans la logistique, la maintenance et l'inspection, les robots autonomes sont particulièrement utiles pour remplacer les travailleurs humains effectuant des tâches sales, ennuyeuses ou dangereuses, évitant ainsi l'exposition des travailleurs à des agents et conditions dangereux et réduire les risques physiques, ergonomiques et psychosociaux. Par exemple, les robots sont déjà utilisés pour effectuer des tâches répétitives et monotones, pour manipuler des matières radioactives ou pour travailler dans des atmosphères explosives. À l'avenir, de nombreuses autres tâches hautement répétitives, risquées ou désagréables seront effectuées par des robots dans une variété de secteurs comme l'agriculture, la construction, les transports, la santé, la lutte contre les incendies ou les services de nettoyage.

Malgré ces avancées, il existe certaines compétences auxquelles les humains seront mieux adaptés que les machines pendant un certain temps encore et la question est de savoir comment obtenir la meilleure combinaison de compétences humaines et robotiques. Les avantages de la robotique incluent des travaux lourds avec précision et répétabilité, tandis que les avantages des humains incluent la créativité, la prise de décision, la flexibilité et l'adaptabilité. Ce besoin de combiner des compétences optimales a eu pour effet de rapprocher plus étroitement robots collaboratifs et humains d'un espace de travail commun et a conduit au développement de nouvelles approches et normes pour garantir la sécurité de la « fusion homme-robot ». Certains pays européens incluent la robotique dans leurs programmes nationaux et essaient de promouvoir une coopération sûre et flexible entre les robots et les opérateurs pour atteindre une meilleure productivité. Par exemple, l'Institut fédéral allemand pour la sécurité et la santé au travail ( BAuA ) organise des ateliers annuels sur le thème « collaboration homme-robot ».

À l'avenir, la coopération entre robots et humains sera diversifiée, les robots augmentant leur autonomie et la collaboration homme-robot atteignant des formes complètement nouvelles. Les approches et normes techniques actuelles visant à protéger les salariés du risque de travailler avec des robots collaboratifs devront être revues.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • R. Andrew Russell (1990). Robot de détection tactile . New York : Prentice Hall. ISBN 978-0-13-781592-0.
  • E McGaughey, « Les robots automatiseront-ils votre travail ? Plein emploi, revenu de base et démocratie économique » (2018) SSRN, partie 2 (3)
  • DH Autor, « Pourquoi y a-t-il encore autant d'emplois ? L'histoire et l'avenir de l'automatisation du travail' (2015) 29(3) Journal of Economic Perspectives 3
  • Tooze, Adam , "La démocratie et ses mécontentements", The New York Review of Books , vol. LXVI, non. 10 (6 juin 2019), p. 52-53, 56-57. « La démocratie n'a pas de réponse claire pour le fonctionnement sans esprit de la bureaucratie et la puissance technologique . On peut en effet être témoins de son extension sous la forme d' intelligence artificielle et de la robotique. De même, après des décennies d'avertissement dire, le problème environnemental reste fondamentalement sans adresse .... Le dépassement bureaucratique et la catastrophe environnementale sont précisément le genre de défis existentiels lents que les démocraties gèrent très mal... Enfin, il y a la menace du jour : les entreprises et les technologies qu'elles promeuvent. " (p. 56-57.)

Liens externes