UFR des Sciences, Département EEA M2 EEAII Parcours ViRob. Fabio MORBIDI

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1 UFR des Sciences, Département EEA M2 EEAII Parcours ViRob Fabio MORBIDI Laboratoire MIS! Équipe Perception et Robotique! Mardi 9h30-12h30, Salle TP102 Semestre 9, 2014/2015

2 1ère partie du cours D. Kachi Chapitre 1: Perception pour la robotique 1. Introduction 2. Classification des capteurs proprioceptifs/extéroceptifs 3. Typologies de capteur Chapitre 2: Modélisation d incertitudes 1. Introduction 2. Représentation de l incertitude 3. Représentation statistique 4. Propagation de l erreur: fusion des mesures de l incertitude Chapitre 3: Traitement des mesures 1. Réseau multi-capteurs 2. Fusion des mesures 2

3 Plan du cours 1ère partie: Perception avancée Ch. 1: Perception pour la robotique Ch. 2: Modélisation d incertitudes Ch. 3: Traitement des mesures 2ème partie: Robotique mobile Ch. 1: Introduction Ch. 2: Locomotion Ch. 3: Décision and contrôle 3

4 Bibliographie 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 Diapos du cours: 4

5 Ch. 1: Introduction Petit historique Partie 1 Systèmes/locomotions/applications Partie 2 Marché mondial et besoins technologiques Partie 3 5

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 Dans le dictionnaire 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) 6

7 Robotique: un domaine vraiment pluridisciplinaire! Electronique Informatique Mécanique Automatique Ethologie Intelligence artificielle Mathématiques Psychologie 7

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 8

9 Grand succès dans la science-fiction des années (humanoïdes) The Naked Sun (1956) I, Robot (1950) Les trois lois de la robotique dans la nouvelle Runaround, 1942 Cycle de Fondation ( ) Isaac Asimov Do Androids Dream of Electric Sheep? (alias Blade Runner, 1968) Ubik (1969) The Three Stigmata of Palmer Eldritch (1965) Philip K. Dick 9

10 VS. Chaîne de montage Tâches répétitives Prédictible Contrôlable Environnement naturel Dynamique, incertain! 10

11 Premiers robots mobiles 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» Robot boat de Nikola Tesla (1898) Navire télécommandé Madison Square Garden, New York, Electrical Exhibition 11

12 «Shakey» Stanford Research Institute (1966) Premier robot mobile percevant son environnement Capteurs Caméra Télémètre Contact 12

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) 13

14 «Genghis» MIT (1988) 14

15 Deux paradigmes différents Shakey (1966) Genghis (1988) Pensée, Raisonnement Intelligence: cerveau Intelligence artificielle Traitement d information Action, Comportement Intelligence: organisme Vie artificielle Coordination sensori-motrice Pensée cartésienne Agent-centré, Basé action 15

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 ,

17 Équipes de robots terrestres Autoassemblage programmable: Essaim d'un millier de robots (août 2014) Video 17

18 Équipes de robots aériens Spectacles de lumière («feux d'artifice robotiques») Micro-hélicoptère à quatre pales (quadrirotor) Video Voestalpine Klangwolke, Linz, Autriche, 1 sept AscTec Hummingbirds 18

19 Équipes de robots aériens Écrans interactifs 3D Video Projet Flyfire (laboratoire SENSEable City) en collaboration avec le laboratoire ARES du MIT 19

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 20

21 Applications 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 21

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) Caméra panoramique Projet EU COALAS 22

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 23

24 Systèmes et locomotions 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 Spirit Curiosity Sojourner 24

25 Systèmes et locomotions 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 25

26 Systèmes et locomotions 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 Snakebot, Carnegie Mellon University 26

27 Systèmes et locomotions Magnebike (ETH + ALSTOM) Roues magnétiques Grande mobilité Inspection de structures complexes Tubes Pipelines Turbines Gibbot (NxR lab, Northwestern University) Robot «singe» Brachiation Deux extrémités magnétiques Déplacement sur parois métalliques Video 27

28 Systèmes et locomotions ParkourBot (Northwestern et Carnegie Mellon University) Robot sauter/grimper Deux pattes élastiques Application: inspection de tuyaux Video 28

29 Systèmes et locomotions Transport automatique dans les entrepôts: Kiva systems (R. D Andrea Amazon 2011) Flotte de robots mobiles Stockage global par logiciel gestionnaire Déplacements auto-gérés 29

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 30

31 Systèmes et locomotions Systèmes à roues en recherche 1. Pioneer (ActivMedia) 2. e-puck 3. Khepera III EPFL, École Polytechnique Fédérale de Lausanne 4. Koala TurtleBot (irobot Create + Microsoft Kinect, Willow Garage) 6. AmigoBot (Adept)

32 Systèmes et locomotions Sirius (University of Sydney) Véhicule sous-marin autonome (AUV) Cartographie 3D du fond sous-marin Assemblage d images stéréo (mosaïque) 32

33 Systèmes et locomotions Les drones Voilure fixe Non motorisée Planeur Motorisée Traction Propulsion Voilure tournante Birotor Quadrirotor Hexarotor Voilure battante Plus léger que l air Dirigeable AscTec Firefly DJI Phantom 33

34 Systèmes biomimétiques Volatiloïde SmartBird (Festo) Hummingbird (AeroVironment) Video Poissonoïde Airacuda (Festo) Commande pneumatique «Muscles» fluides Insectoïde Genghis Humanoïde HRP2, Asimo, Baxter, Nao 34

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$! 35

36 Marché mondial des robots* 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 à ); 1 er 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) *Début 2008, fin

37 Environnements de simulation/développement Robot Operating System (ROS) Ensemble de libraries software et outils (drivers, algorithmes, etc.) pour développer applications robotiques Open source: Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS) Environnement Windows (.NET) pour le développement d applications robotiques Destiné à chercheurs, amateurs, développeurs professionnels Gazebo Simulation précise et efficace de populations de robots dans environnements intérieurs et extérieurs Moteur physique robuste, interfaces graphiques avancées Gratuit: 37