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1 (*) sur la base de travaux réalisés à l’Institut des Systèmes Intelligents et

1 (*) sur la base de travaux réalisés à l’Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique UPMC/CNRS (UMR 7222) Les robots et Les hommes* Philippe Bidaud Prof. UPMC DSB – TIS ONERA Université Pierre et Marie Curie Paris Sorbonne 2 Définition contemporaine (1980) Un système mécatronique multifonctionnel, programmable capable de réaliser des tâches variées de manière autonome (en adaptation avec les variations de l’environnement) Exemple : Le robot ICUB www.icub.org 3 QU’EST-CE QU’UN ROBOT ? Définition originelle de « robot » (1921) le mot « robot » a été utilisé pour la première fois dans une pièce de théâtre ! « R.U.R. : Rossums Universal Robots » de Karel Capek (dramaturge tchèque). 4 QU’EST-CE QU’UN ROBOT ? Système mécanique poly-articulé à haute mobilité Système de perception multi-modal (vision, acoustique, haptique, etc..) Système temps-réel intégrant les fonctions de perception et la commande (réactive) Interfaces homme/système et un système décisionnel (cognitif) LA GÉNÈSE DE LA ROBOTIQUE • Souvent représenté sous forme humanoïde, le robot “actualise” le mythe de Prométhée ? “Une affaire et une histoire d’ingénieurs ! ” • Le robot : vecteur de progrès ? “La machine conduit l’homme à se spécialiser dans l’humain” (Jean Fourastié) • Un potentiel danger dans la confrontation du créateur et de sa créature ? “Plus que la machine, c’est son créateur qu’il convient de redouter !” Les premiers élans pour créer mécaniquement la vie datent de 200 ans avant JC …. En Décembre 1845, Joseph Faber expose sa "merveilleuse machine qui parle" à l'Hôtel du Fonds musicaux à Philadelphie La machine programmable est née ! En Décembre 2014, le défi robotique de la DARPA démontrera les capacités d'exécuter par des robots autonomes des tâches complexes dans des environnements déstructurés. 6 L’HISTOIRE DE LA ROBOTIQUE En 1680 : De motu animalium Giovanni Alfonso Borelli (1681) tente d'expliquer les mouvements du corps à l'aide des principes de la mécanique En 2010 : Le robot Asimo (Honda) "Advanced Step in Innovative Mobility” se déplace de manière autonome 7 ROBOTIQUE ET MOBILITÉ En 1878 : Eadweard Muybridge a photographié un cheval nommé "Occident" en mouvement rapide en utilisant une série de 12 caméras stéréoscopiques. En 2012 : le robot quadrupède Cheetah de Boston Dynamics atteint les 50 Km/h. 8 ROBOTIQUE ET MOBILITÉ Electro et Sparko 1940 : Electro Westinghouse et Sparko (les spokebots) conçus pour divertir les foules à l'exposition universelle de New York. Ces Animats utilisaient pour la première fois des moteurs électriques. 9 LES PREMIERS ROBOTS The Middleton Family at the New York World's Fair Robert R. Snody (1939) Le premier robot industriel remonte à 1954 quand George Devol (1912-2011) déposa un brevet d'invention de l'Automation Universel (qui donnera son nom à Unimation Corp la première compagnie de robot créée en 1956) Le premier robot fut mis en application dans l'usine d'Ewing Township (à Parkway Avenue dans la banlieue de Trenton) de General Motors en 1961 pour extraire des pièces d'une cellule de fonderie sous pression 10 LE PREMIER ROBOT INDUSTRIEL McCarthy développera plus tard (63) le premier système "oeil-main" dans lequel un ordinateur est capable de voir de vrais blocs 3D via une caméra vidéo et de contrôler un bras robotisé pour effectuer des exercices simples d'empilage et d'arrangement. Le DC. Power Lab - L'ancien site de SAIL. Ce nom était très drôle parce que son lien au réseau électrique était inexistant et Victor D. Scheinman inventeur du tout premier robot à 6 axes disposant d’une solution analytique pour le modèle géométrique inverse. 11 LE PREMIER LABO DE ROBOTIQUE John McCarthy (né à Boston en 1927), informaticien et spécialiste des sciences cognitives (prix Turing 1971) fonde en 1956 le MIT AI Lab avec Marvin Lee Minsky spécialiste des sciences cognitives G. Giralt (1931-2013), chercheur au CNRS/LAAS, initiateur du premier programme national de Robotique (1980-85) www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosrob/accueil/laboratoires/ labo/tuteur.html J. Vertut, ingénieur CEA-Saclay, pionnier de la télémanipulation et de la robotique mobile nucléaire. 12 ARA : LE PREMIER PROGRAMME DE ROBOTIQUE EN FRANCE Le premier robot industriel G. Devol & J. Engelberger 13 Trallfa, Norvège, propose le premier robot de peinture commerciale Le premier robot industriel utilisé sur une ligne de production Ternstedt (Trenton, NJ) Unimation signe un accord de licence avec Kawasaki Heavy Industries de fabrication et de robots Unimate Le premier robot cylindrique, l' Versatran de l'AMF, USA Robot industriel T3 contrôlé par mini- ordinateur développé par Richard Hohn pour Cincinnati Milacron GM a installé la première place robots de soudage à sa Lordstown usine d'assemblage Le premier IRB 6 d'ASEA (Suède) a été livré à une PME d'ingénierie mécanique en suède. LES ROBOTS PIONNIERS 1959 1961 1962 1969 1969 1969 1974 1975 14 1. Jean-Vertut développe “Virgule” un télé-manipulateur à retour d’effort du CEA 2. Ichiro Kato, Waseda University, a développé le premier au robot humanoïde à l’échelle 1 (Wabot-1) 3. Le “Programmable Universal Machine for Assembly (PUMA) développé par Unimation/Vicarm, USA pour General Motors 4. Robot Scara (Selective Compliance Assembly Robot Arm) par Sankyo Seiki et Hirata Japon (cinématique de type SMG) LES ANNÉES 1970 1 2 3 4 15 25 ANS DE ROBOTIQUE Extrait du film réalisé à l’occasion de l’IEEE/ICRA 2000 à SFO par O. Khatib 1. Les télé-opérateurs à retour d’effort s’installent dans centrales nuclaires 2. Les robots de soudage par points inauguré ouvrent une nouvelle ère pour les robots à CC moteurs, puis aux brusless 3. Premiers travaux sur la locomotion dynamique. Marc Raibert (CMU) développe toute une génération de “robots à pattes” 4. Diffusion des logiciels de programmation hors-ligne 16 LES ANNÉES 1980 1 3 4 2 1. Le chien AIBO par Sony (150 000 exemplaires vendus en 6 ans) 2. Les robots parallèles Delta (R. Clavel EPFL) – acc = 15g 3. Le Canadarm équipe les navettes spatiales de la NASA 4. Conception des robots d’exploration planétaires au JPL lancés lors de la mission MER de 2003 (toujours en fonctionnement) 17 LES ANNÉES 1990 1 2 3 4 1. Le robot de chirurgie laparoscopique Da-Vinci (2MEuros – 1750 exemplaires en service dont 45 en France en 2010) 2. 4 millions de robots Romba vendus en 7 ans 3. Le Packbot d’iRobot (40 commandés par l’US-Army en 2003 – 13.000 vendus en 2007) 4. Asimo (Honda Corp) : ”Advanced Step in Innovative Mobility” dans sa 3ème version. 18 1 2 3 4 LES ANNÉES 2000 Illustration de la necessité d’adaptation !! 19 LA RECHERCHE EN ROBOTIQUE Illustration de la necessité de la sûreté !! 20 LA RECHERCHE EN ROBOTIQUE LA RECHERCHE EN ROBOTIQUE • Quoi : Traiter des problèmes de génération de mouvements, d’effort, de perception, d’analyse de l’environnement, de synthèse de comportements, de décision et d’adaptation, etc. • Pourquoi : Développer un corpus de connaissances propres au domaine pour la formalisation des problèmes et les paradigmes de la « synthèse » de systèmes et de comportements adaptatifs sûrs. • Comment : Elaborer des méthodes s’appuyant sur les sciences de l’ingénieur, les sciences de l’information, les sciences cognitives et les sciences du vivant. 21 LA RECHERCHE EN ROBOTIQUE A TRAVERS QUELQUES EXEMPLES 1. La synthèse de mécanismes 2. La commande de manipulateurs redondants 3. La locomotion bipède 4. La planification d’activités motrices 22 Mechanism and machine design” !? Exemple du mécanisme de Watt (R. Stuart 1824) Rencontre entre la géométrie différentielle la théorie des mécanismes et les méthodes numériques Mécanisme de Bennett : Synthetica software (J.M McCarty) 23 COMPUATIONAL KINEMATICS The theory and methodology of design of general-purpose machines that may be controlled by a computer to perform all the tasks of a set of special-purpose machines is the focus of modern machine design research. (Prof. Ferdinand Freudenstein 1926-2006) Prof. Freudenstein, Berkof, Hall, Uicker, Roth, Duffy, and Hunt. Après Poinsot, Charles, Hamiton Pluker et avec Caley, Grassmann, Klein. 1st Ed.1900 By Sir Robert Stawell Ball (1840-1913) Exemple de résultat (2): Configurations stationnaires et incertaines dans des mécanismes parallèles 24 Exemple de résultat (1): Solutions au PGI par l’élimination dyalitique COMPUTATIONAL KINEMATICS 25 COMPUTATIONAL KINEMATICS Ellipsoïde de traction dans les systèmes articulés Utilisation de la capacité de franchissement comme indice de praticabilité du terrain. COMPUTATIONAL KINEMATICS Synthèse de mécanismes spatiaux pour la chirurgie mini-invasive Les systèmes de manipulation exploitent des architectures complexes à haute mobilité dont la conception doit satisfaire des contraintes et critères multiples. 26 Force & position Exemple des méthodes évolutionnistes : Détermination de cinématiques optimales du point de vue des tâches et des contraintes avec évaluation par simulation physique. COMMANDE COMPATIBLE AVEC LES CONTRAINTES 27 COMMANDE COMPATIBLE AVEC LES CONTRAINTES 28 COMMANDE DE L’EQUILIBRE POSTURAL 29 Locomotion dynamique par la commande du ZMP (zero moment point) du Rayon Résiduel COMMANDE DE L’EQUILIBRE POSTURAL PERTURBE 30 COMMANDE DE L’EQUILIBRE POSTURAL 31 Coordination tâche/posture par commande prédictive Critère optimiser dans la commande de l’impédance des membres supérieurs et de la posture par le contrôle du ZMP. COMMANDE DE L’EQUILIBRE PERTURAL 32 SYNTHÈSE D’ACTIVITÉS MOTRICES 33 Les recherches actuelles apportent des réponses à : Développement de repertoires d’activités motrices (ou sensori- motrices) élementaires. Sûreté des actions élémentaires (satisfaction des contraintes) L’adaptation des actions à la situation courante (i.e à la dynamique uploads/Industriel/ onera-presentation-conference-robots-032013.pdf