UFR des Sciences, Département EEA

M2 EEAII Parcours ViRob

Fabio MORBIDI

Laboratoire MIS !Équipe Perception et Robotique!

E-mail: fabio.morbidi@u-picardie.fr!

Semestre 9, 2014/2015

Mardi 9h30-12h30, Salle TP102

2

1ère partie du cours – D. Kachi

Chapitre 1: Perception pour la robotique

Chapitre 2: Modélisation d’incertitudes

1. Introduction

3. Typologies de capteur

2. Classification des capteurs proprioceptifs/extéroceptifs

1. Introduction

3. Représentation statistique

2. Représentation de l’incertitude

4. Propagation de l’erreur: fusion des mesures de l’incertitude

Chapitre 3: Traitement des mesures

1. Réseau multi-capteurs

2. Fusion des mesures

3

Plan du cours

1ère partie: Perception avancée

2ème partie: Robotique mobile

Ch. 1: Introduction

Ch. 2: Locomotion

Ch. 3: Décision and contrôle

Ch. 1: Perception pour la robotique

Ch. 2: Modélisation d’incertitudes

Ch. 3: Traitement des mesures

4

Introduction to Autonomous Mobile Robots R. Siegwart, I.R. Nourbakhsh, D. Scaramuzza, MIT press, 2ème éd., 2011, 472 pages (Chapitres 1-3)

Robotics: Modelling, Planning and Control B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Springer, 1ère éd., 2009, 632 pages (Chapitre 11)

Robotique: Aspects Fondamentaux J.‐P. Lallemand, S. Zeghloul, Masson, 1994, 312 pages

Robot Modeling and Control M.W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar, Wiley, 1ère éd., 2006, 496 pages

Introduction to Robotics: Mechanics and Control J.J. Craig, Pearson Education, 3ème éd., 2008, 408 pages

Bibliographie

Diapos du cours: http://home.mis.u-picardie.fr/~fabio/Teaching.html

5

Ch. 1: Introduction

  Petit historique

  Systèmes/locomotions/applications

  Marché mondial et besoins technologiques

Partie 2

Partie 3

Partie 1

6

Histoire

Robot: Etymologie: mot tchèque robota (travail forcé), dans la pièce de théâtre “Rossum’s Universal Robots”, Karel Capek, 1920

Robotique: terme inventé par Isaac Asimov

Robot: “Appareil automatique capable de manipuler des objets ou d'exécuter des opérations selon un programme fixe, modifiable ou adaptable” (Larousse)

Robotique: “Science et technique de la conception et de la construction des robots” (Larousse)

Dans le dictionnaire …

7

Robotique: un domaine vraiment pluridisciplinaire !

Mécanique

Electronique Informatique

Automatique

Intelligence artificielle

Psychologie Mathématiques

Ethologie

8

Un robot mobile est la combinaison de composants matériels (mécanique, hardware) et immatériels (logiciels)

Catégories fonctionnelles:

•  Locomotion/manipulation

•  Perception (localisation, reconnaissance d’objets et de scènes) •  Raisonnement (apprentissage, planification, navigation)

•  Communication (R/R, R/H, H/R)

•  Emotions? •  Comportement social?

Asimo, Honda Rollin’ Justin, DLR

9

Grand succès dans la science-fiction des années ’50-’60 (humanoïdes)

•  The Naked Sun (1956)

•  I, Robot (1950) – “Les trois lois de la

robotique” dans la nouvelle Runaround, 1942

•  Cycle de Fondation (1951-1988)

•  Do Androids Dream of Electric Sheep? (alias Blade Runner, 1968)

•  Ubik (1969)

•  The Three Stigmata of Palmer Eldritch (1965)

Isaac Asimov

Philip K. Dick

10

Chaîne de montage

Tâches répétitives

Prédictible Contrôlable

Environnement naturel

Dynamique, incertain!

VS.

11

Premiers robots mobiles

•  “Robot boat” de Nikola Tesla (1898)

Navire télécommandé

Madison Square Garden, New York, Electrical Exhibition

•  “Canard” de Jacques de Vaucanson (1739)

Canard articulé en cuivre capable de boire, manger, cancaner, déplacer les ailes et digérer comme un véritable animal « Automate »

12

  « Shakey » Stanford Research Institute (1966)

•  Premier robot mobile percevant son environnement

•  Capteurs •  Caméra

•  Télémètre

•  Contact

13

  « Genghis » MIT (1988) ◦ Six pattes ◦ Apprentissage autonome

 Franchissement d’obstacles  Réaction de chaque jambe à l’environnement ◦ Programme de contrôle très simple

Maintenant au Smithsonian Air and Space Museum (Washington DC)

14

  « Genghis » MIT (1988)

15

Deux paradigmes différents

Shakey (1966) Genghis (1988)

Pensée, Raisonnement Action, Comportement

Intelligence: cerveau Intelligence: organisme

Intelligence artificielle Vie artificielle

Traitement d’information

Coordination sensori-motrice

Pensée cartésienne Agent-centré, Basé action

16

Tendance récente (dix dernières années)

•  Robotique coopérative: essaims, pelotons, troupeaux, équipes, formations de robots

•  Contrôle décentralisé ou distribué

“Consensus and cooperation in networked multi-agent systems”, R. Olfati-Saber, J.A. Fax, R.M. Murray, Proc. of the IEEE, vol. 95, n. 1, pp. 215-233, 2007

17

Autoassemblage programmable: “Essaim d'un millier de robots”

(août 2014)

Video

Équipes de robots terrestres

18

Voestalpine Klangwolke, Linz, Autriche, 1 sept. 2012 – 49 AscTec Hummingbirds

Équipes de robots aériens

Spectacles de lumière (« feux d'artifice robotiques »)

Video

Micro-hélicoptère à quatre pales (quadrirotor)

19

Projet Flyfire (laboratoire SENSEable City) en collaboration avec le laboratoire ARES du MIT

Écrans interactifs 3D

Video

Équipes de robots aériens

20

Tendances pour le futur

•  Miniaturisation: micro/nano robotique

•  Robots humanoïdes de plus en plus réalistes: « clones robotiques » (Hiroshi Ishiguro)

•  Voitures robotiques sans conducteur (DARPA Grand Challenge; Google, Nissan, Volvo)

•  Robotique portable, prothèses robotiques, exosquelettes …

Qu'est-ce qui différencie un robot et un être humain ?

On a besoin d’une nouvelle définition de robot …

21

  Le milieu hostile

•  Industrie nucléaire

•  Exploration: planétaire (ex. robots Philae), sous-marine, volcanique, spéléologique

•  Robots militaires (drone Predator de l’US Air force)

•  Sauvetage lors de catastrophes naturelles (tremblements de terre, inondations, avalanches)

  Les travaux répétitifs

•  Nettoyage

•  Assemblage de composants (industrie de 5G$ de dollars: ABB, Kuka, Stäubli, Fanuc, Adept, etc.) •  Grande vitesse et précision

•  Tâches: soudure, peinture, positionnement de micro composants

•  Domaine agricole

Applications

22

Applications

  Le service ◦  Médicine

  Aide au geste chirurgical (laparoscopie, robot da Vinci)

  Pilules robotiques

◦  Aide aux handicapés et personnes âgées (fauteuil roulant autonome)

◦  Robot guide (musées, centres commerciaux; Robox, BlueBotics)

www.davincisurgery.com

http://sssa.bioroboticsinstitute.it

Projet EU COALAS

Caméra panoramique

23

Robot manipulateur vs. robot mobile

  Robots manipulateurs (cours M1 de Robotique Industrielle) o  Très implanté sur les lignes d’assemblage o  Manque de mobilité évidente o  Mouvements limités

•  A l’opposé: robot mobile •  Problématiques de mobilité(déplacement en autonomie)

•  Mécanismes de locomotion complexes

24

  Environnement hostile locomotion non conventionnelle ◦  « Rovers » NASA sur Mars

◦  Sojourner (1997) ◦  Spirit et Opportunity (2004) ◦  Curiosity (2012)

◦  Téléopérés depuis la Terre, mais détection automatique d’obstacles

Systèmes et locomotions

Sojourner

Spirit

Curiosity

25

  Même sur terre … ◦  Premier robot marchant

appliqué

◦  Conçu pour sortir le bois de la forêt

◦  Coordination automatique des jambes

◦  Navigation par opérateur humain sur le robot (téléopération)

Robot Plustech

Systèmes et locomotions

26

Snakebot, Carnegie Mellon University

  Robots rampants ◦  Inspiration: locomotion

des serpents

◦  Modulaires et flexibles

◦  Déplacement sur tous les terrains (insertion dans passages étroits)

◦  Idéals pour missions de sauvetage

•  Véhicules chenillés

Systèmes et locomotions

27

  Magnebike (ETH + ALSTOM) ◦  Roues magnétiques ◦  Grande mobilité ◦  Inspection de structures

complexes ◦  Tubes

◦  Pipelines

◦  Turbines

Systèmes et locomotions

  Gibbot (NxR lab, Northwestern University) •  Robot « singe »

•  Brachiation

•  Deux extrémités magnétiques

•  Déplacement sur parois

métalliques

Video

28

  ParkourBot (Northwestern et Carnegie Mellon University) ◦  Robot sauter/grimper ◦  Deux pattes élastiques ◦  Application: inspection de tuyaux

Video

Systèmes et locomotions

29

  Transport automatique dans les entrepôts: Kiva systems (R. D’Andrea Amazon 2011)

◦  Flotte de robots mobiles

◦  Stockage global par logiciel gestionnaire

◦  Déplacements auto-gérés

Systèmes et locomotions

30

Systèmes et locomotions

 Nettoyage ◦ Robot40 par Cleanfix ◦ Nettoyage de gymnases ◦ Navigation basée sonars et infrarouge

◦ VC-RE70V par Samsung ◦ Aspirateur autonome ◦ Exploration exhaustive ◦ SLAM visuel « plafond » ◦ Capteur optique: mesure

la pollution de l’air aspiré

◦ Roomba par iRobot ◦ Nettoyage de maisons ◦ Brosse rotative ◦ Bumpers

  Systèmes à roues en recherche

1.  Pioneer (ActivMedia)

2.  e-puck

3.  Khepera III

4.  Koala 2.5

5.  TurtleBot (iRobot Create + Microsoft Kinect, Willow Garage)

6.  AmigoBot (Adept)

Systèmes et locomotions

EPFL, École Polytechnique Fédérale de Lausanne

1

2

3

4

5 6

32

  Sirius (University of Sydney) ◦  Véhicule sous-marin

autonome (AUV) ◦  Cartographie 3D du fond

sous-marin ◦  Assemblage d’images

stéréo (mosaïque)

Systèmes et locomotions

33

Les drones

◦  Voilure fixe  Non motorisée ◦  Planeur

 Motorisée ◦  Traction ◦  Propulsion

◦  Voilure tournante   Birotor  Quadrirotor  Hexarotor

◦  Voilure battante ◦  Plus léger que l’air

  Dirigeable

Systèmes et locomotions

AscTec Firefly DJI Phantom

34

  Volatiloïde ◦ SmartBird (Festo) ◦ Hummingbird (AeroVironment)

Systèmes biomimétiques

  Poissonoïde ◦ Airacuda (Festo)

 Commande pneumatique  «Muscles» fluides

•  Insectoïde •  Genghis

•  Humanoïde •  HRP2, Asimo, Baxter, Nao

Video

35

Marché mondial et besoins technologiques

  Aujourd’hui ◦  Industrie: 20% ◦ Robotique personnelle

et de service: 72%   2025 ◦  Industrie: 15% ◦ Robotique personnelle

et de service: 77%   Robotique personnelle

seule: de 5G$ à 50G$!

36

Robotique de service ◦  Robot semi ou complètement autonome

◦  Robot réalisant des tâches pour les humains … … hormis les opérations de manufacture

  Stock de robots de service pour pros: x1.5 en 4 ans (de 63000 à 112000); 1er secteur: sécurité/défense

  Ventes de robots domestiques: x2 en 4 ans (de 4.4 millions d’unités à 9.2 millions)

  Ventes de robots ludiques: x2.5 en 4 ans (de 2.8 millions d’unités à 9.5 millions)

Marché mondial des robots*

*Début 2008, fin 2012

37

  Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS)

Environnements de simulation/développement

•  Environnement Windows (.NET) pour le développement d’applications robotiques

•  Destiné à chercheurs, amateurs, développeurs professionnels

•  Robot Operating System (ROS)

•  Ensemble de libraries software et outils (drivers, algorithmes, etc.) pour développer applications robotiques

•  Open source: www.ros.org

•  Gazebo •  Simulation précise et efficace de populations de robots dans environnements intérieurs et extérieurs

•  Moteur physique robuste, interfaces graphiques avancées

•  Gratuit: http://gazebosim.org