Robotique Mobile - Généralités

Robotique Mobile - Généralités

• Cours de Robotique Mobile, donné par le Dr A. Zeroual, destiné aux étudiants en Automatique et Systèmes, Automatique et Informatique, Systèmes Embarqués.
• Le cours est divisé en 5 parties:
  • Partie 1: Petit historique
  • Partie 2: Applications, systèmes, locomotions
  • Partie 3: Marché mondial et besoins technologiques
  • Partie 4: Effecteurs et actionneurs
  • Partie 5: Robots mobiles à jambes, à roues et aériens

Robotique Mobile - Robots manipulateurs vs Robots mobiles

• Les robots manipulateurs sont largement utilisés dans les chaînes de montage.
• Leurs mouvements sont limités et prévisibles.
• Les robots mobiles, quant à eux, évoluent dans des environnements variés et imprévisibles.
• Ils nécessitent des mécanismes de locomotion plus complexes.

Robotique Mobile - Premiers robots mobiles

• Jacques de Vaucanson (1739) a créé un canard mécanique capable d'effectuer des actions comme un véritable animal.
• Nikola Tesla (1898) a développé un navire télécommandé présenté à l'Exposition Electrique de Madison Square Garden, New York.

Robotique Mobile - Shakey (Stanford Research Institute, 1966)

• Premier robot mobile capable de percevoir son environnement.
• Il utilisait des capteurs tels que:
  • Caméra
  • Télémètre
  • Capteurs de contact

Robotique Mobile - Genghis (MIT, 1988)

• Robot mobile à six pattes capable d'apprentissage autonome.
• Il pouvait franchir des obstacles et réagir en fonction des interactions avec son environnement, grâce à un programme de contrôle simple.
• Actuellement conservé au Smithsonian Air and Space Museum (Washington DC).

Robotique Mobile - Deux Paradigmes Différents

• Shakey (1966): approche centrée sur la pensée, le raisonnement et l'intelligence artificielle (cerveau).
• Genghis (1988): approche centrée sur l'action, le comportement et l'intelligence comme un organisme vivant.

Robotique Mobile - Tendances récentes

• Robotique coopérative (volées, troupeaux, cohortes, équipes).
• Contrôle décentralisé ou distribué des robots.

Robotique Mobile - Applications

• Milieux hostiles: industrie nucléaire, exploration spatiale, sous-marine, volcanique, spéléologie, surveillance (robots militaires).
• Sauvetage en cas de catastrophe naturelle (tremblements de terre, inondations, avalanches), déminage.
• Travaux répétitifs: nettoyage, automatisation d'entrepôts, domaine agricole.

Robotique Mobile - Nettoyage

• Robots de nettoyage de Cleanfix (navigation basée sur les sonars et capteurs IR).
• Aspirateur autonome VC-RE70V de Samsung (cartographie visuelle du plafond, mesure de la pollution de l'air).
• Robots aspirateurs Roomba de iRobot (nettoyage de maison, brosse rotative, capteurs de contact).

Robotique Mobile - Automatisation des entrepôts

• Utilisation de flottes de robots mobiles (ex: Amazon Robotics, Kiva Systems, Exotec, Omron).
• Gestion centralisée du stockage et des déplacements par logiciel.

Robotique Mobile - Automatisation des entrepôts

• Boston Dynamics (robots SpotMini et Handle, 2019)
• Corvus Robotics (inventaire des entrepôts par drone, 2021)

Robotique Mobile - Domaine Agricole

• Robot Oz de Naïo Technologies (désherbage automatique)
• Husky UGV de Clearpath Robotics (arrosage de vignes, Californie)
• Titan de FarmWise (surveillance des récoltes)

Robotique Mobile - Autres Applications

• Médicine: pilules robotique, aide aux personnes handicapées (fauteuil roulant intelligent), robots guides.
• Services généraux: robots facteur, livraison via drones.

Robotique Mobile - Systèmes et Locomotions

• Exploration spatiale: Rovers NASA (Sojourner, Spirit, Opportunity, Curiosity, Perseverance, Ingenuity).
• Locomotion non-conventionnelle : robots rampants, inspiration: serpents. Modulaires et flexibles (déplacements sur tous terrains, passages étroits), idéal pour missions de sauvetage.
• Robots chenillés.
• Roues magnétiques (MagneBike) : grande mobilité, inspection de structures complexes (tuyaux, oléoducs, turbines).
• Robots (Gibbot) : brachiation, déplacement sur des parois métalliques.
• Robots saute/grimpants.
• Véhicules sous-marins autonomes (OceanOne, Aquanaut): maintenance de plateformes pétrolières/pipelines, archéologie sous-marine.
• Cartographie 3D des fonds marins.
• Drones: voilure fixe (non motorisée, planeurs, motorisés, traction, propulsion), voilure tournante (birrotor, quadrirotor, hexarotor), voilure battante (plus léger que l'air).
• SCAMP (Stanford Climbing and Aerial Maneuvering Platform): Multimodal, vole comme un quadrirotor, grimper sur des surfaces verticales, décoller.

Robotique Mobile - Systèmes Biomimétiques

• Volatiloïdes (ex: BionicSwift, eMotionButterflies, Nano Hummingbird).
• Poissonoïdes (ex: Airacuda).
• Insectoïdes (ex: Genghis).
• Plantoïdes (ex: Projet U.E. Plantoid).
• Humanoïdes (ex: Asimo, Baxter, Atlas).

Robotique Mobile - Marché Mondial et Besoins Technologiques

• Industrie : 20% (aujourd'hui) et 15% (2025).
• Robotique personnelle et de service : 72% (aujourd'hui) et 77% (2025).
• Chiffre d'affaires de la robotique de service pour les professionnels (2019: 8,5 milliards de $ à 11,2 milliards de $).
• Croissance notable dans la robotique médicale.

Robotique Mobile - Plateformes pour la Recherche et la Pédagogie

• E-puck, Khepera III, Koala 2.5, TurtleBot, Pioneer 3-AT, AmigoBot, Seekur Jr.

Robotique Mobile - Environnements de Simulation et Développement

• ROS (Robot Operating System): Ensemble de bibliothèques et outils, open source.
• Gazebo: Simulation précise de robots dans des environnements virtuels.
• CoppeliaSim (ex. V-REP): 6 approches, 7 langages, pour chercheurs, amateurs et développeurs professionnels.
• Matlab: Robotics System Toolbox, Robotics Toolbox de Peter Corke.

Robotique Mobile - Effecteurs et Actionneurs

• Effecteurs: Tout dispositif contrôlé par un robot influençant l'environnement (roues, jambes, hélices, préhenseurs, etc.).
• Actionneurs: Mécanismes permettant l'exécution des actions de l'effecteur (moteurs électriques, hydrauliques/pneumatiques).

Robotique Mobile - Moteurs à Courant Continu

• Plus répandus en robotique mobile, simples, à aimant permanent et balais.
• Nécessitent plus d'énergie que l'électronique (ex: 5 mA pour un microprocesseur 68HC11 vs 100 mA pour un moteur).
• Carte d'alimentation séparée est requise.
• Différentes tensions (nominale, faible, élevée).
• Courants proportionnels au travail réalisé.
• Réducteurs: Train d'engrenages pour le contrôle de la vitesse/couple (rapports de réduction).

Robotique Mobile - Alimentation des batteries

• Paramètres à considérer:
  • Rechargeabilité.
  • Densité d'énergie (DE) / énergie spécifique.
  • Capacité électrique (Ah).
  • Tension (V).
  • Résistance interne (RI).
  • Taux de décharge (C-rate).
  • Durée de vie (nombre de cycles décharge/recharge).
  • Dépendance à la température, humidité, etc.
• Batterie idéale: haute densité d'énergie, tension constante, faible résistance interne, durée de vie longue, coût unitaire faible, rechargeable.
• Difficultés: autonomie, miniaturisation, poids, régulateurs (tension constante mais perte d'énergie), isolation (capacités).
• Types de batteries: alcaline, acide de plomb, mercure, NiCd, NiMH, argent, zinc-air, charbon-zinc, lithium, lithium-ion, lithium-sulfure.

Robotique Mobile - Locomotion

• Introduction à la locomotion (exemples de la nature).
• Caractérisation du concept (interaction physique entre le robot et l'environnement).
• Types de mécanismes: à roues, à jambes.
• Difficile d'imiter le mouvement naturel dans un contexte robotique.

Robotique Mobile - Locomotion par Jambes (Robots Marcheurs)

• Avantages: terrain difficile (adaptabilité, franchissement obstacles), manœuvrabilité.
• Inconvénients: demande d'énergie, complexité mécanique, commande accrue, stabilité.
• Configuration: nombre de pattes.
• Exemples:
  • Une jambe.
  • Deux jambes.
  • Quatre jambes.
  • Six jambes.

Robotique Mobile - Allures de Marche

• Définition d'une allure (pattern).
• Nombre d'allures possibles en fonction du nombre de jambes.
• Exemples: bipède, hexapode.
• Optimisation de l'énergie par la Nature.

Robotique Mobile - Marche Bipedal et Énergie

• Approche biomimétique des stratégies de déplacement.
• Éléments dynamiques pour une marche énergétiquement efficace (double pendule, pendule inversé, jambe élastique)
• Relation entre la vitesse et la consommation d'énergie.

Robotique Mobile - Configuration du Nombre de Jambes

• Quatre jambes: marche et galop.
• Six jambes: marche tripode alternée, exemple : Legged Autonomous (Lauron).

Robotique Mobile - Éléments Spécifiques des configurations des Robots à Jambes

• Locomotion à une jambe.
• Exemples de robots à 1 jambe, 2 jambes, 4 jambes, 6 jambes:
  • robots marcheurs, sauteurs, etc.