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COMMANDE PAR ORDINATEUR EN ROBOTIQUE CEG 4558 Notes de Cours - Chapitre 1 Dr. Pierre Payeur  2020 Faculté de Génie École de Génie Électrique et de Science Informatique ...

COMMANDE PAR ORDINATEUR EN ROBOTIQUE CEG 4558 Notes de Cours - Chapitre 1 Dr. Pierre Payeur  2020 Faculté de Génie École de Génie Électrique et de Science Informatique  P. Payeur, 2020 Le contenu de ces notes de cours est protégé par les droits d’auteur. L’accès au contenu est strictement limité aux étudiant(e)s officiellement inscrit(e)s dans le cours CEG 4558 et limité à un usage dans le seul contexte de ce cours. Toute forme non autorisée de reproduction, duplication, copie, publication, réutilisation, distribution, affichage, téléchargement sur tout site web, serveur, ou média électronique, ou modification de toute composante de ce matériel de cours est expressément interdite. 1-2 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique CHAP I TRE 1 Introduction Dans l’esprit des non-initiés, le mot robot évoque encore aujourd’hui des machines à l’allure anthropomorphe dotées de fonctionnalités qui s’approchent ou dépassent même celles des humains. Cette conception est soutenue par une profusion d’oeuvres littéraires et cinématographiques racontant les prodiges et les mésaventures de robots imaginaires. En fait, le mot robot est dérivé d’un nom d’origine tchèque, robota, signifiant “travail forcé”, ou “esclavage”. Il a été introduit dans une pièce de théâtre intitulée R.U.R. (Rossum’s Universal Robots) créée en 1921 par l’auteur tchèque Karel Kapek. Dans cette pièce, les machines construites au service des hommes se révoltaient contre les humains et les attaquaient. Déjà à cette époque, l’image populaire de la robotique était donc particulièrement négative et menaçante. Heureusement, des oeuvres telles que celle d’Isaac Asimov sont venues rétablir l’ordre en imposant des lois très strictes aux robots, les plaçant ainsi au service et à la défense de leurs maîtres, les humains. Les trois lois des robots d’Asimov sont: Un robot ne peut infliger des blessures à un humain ou laisser un humain être en danger sans réagir. Un robot doit obéir aux ordres des humains sauf si ces ordres entrent en conflit avec la première loi. Un robot doit assurer sa survie en autant que cela n’entre pas en contradiction avec les deux premières lois. Aujourd’hui, les robots que nous fabriquons et utilisons sont encore extrêmement différents des androïdes que l’on retrouve dans les oeuvres de science-fiction, et ce autant au niveau de leur aspect extérieur que de leurs CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-3  Historique performances. Les machines possédant une intelligence égale ou même supérieure à celle de l’homme que l’on retrouve dans les films sont aussi irréelles que les petits génies qui les construisent et les programment. Malgré cela, l’histoire de la robotique regorge de réussites toutes plus impressionnantes les unes que les autres. En fait, l’évolution de la robotique a été et est encore étroitement liée aux progrès de l’informatique. L’étude de la robotique découle principalement de cet intérêt marqué que nous avons à tenter de reproduire certains aspects de la machine humaine en mettant à contribution divers mécanismes, capteurs, actionneurs et ordinateurs. Évidemment il s’agit d’un projet ambitieux qui nécessite la mise en commun d’une multitude d’idées empruntées à plusieurs domaines. Vue d’un haut niveau d’abstraction, la robotique peut être scindée en cinq principaux domaines: les mécanismes, le mouvement, le contrôle, la perception et l’intelligence artificielle. L’interaction et l’intégration de toutes ces composantes est loin d’être simple. C’est pourquoi la recherche et le développement en robotique s’effectuent de manière quasi indépendante dans chacun des domaines. Lorsque des robots sont mis en contact avec des humains, des aspects importants de perception et de psychologie entrent aussi en ligne de compte. Afin d’amorcer notre étude de la robotique, nous dresserons ici un bref survol de l’évolution de cette science avant d’en proposer une définition plus formelle du point de vue de l’ingénierie à l’aube du nouveau millénaire. Nous examinerons également les différentes étapes de l’opération d’un système robotique, puis nous considérerons quelques unes des applications les plus répandues. L’impact de la robotisation sur la société moderne mérite aussi d’être abordé. En effet, nombreux sont les opposants à l’automatisation industrielle faisant usage de robots, l’être humain se sentant vulnérable devant ce potentiel substitut ultra résistant et d’une précision remarquable et constante. 1.1 Historique Jusqu’au milieu du 20è siècle, les automates programmables étaient largement employés à des fins de divertissement. Mais le développement de la technologie, l’apparition de l’ordinateur, de la commande par rétroaction des actionneurs, des systèmes de transmission par engrenages et d’une multitude de capteurs fiables ont permis de rendre ces systèmes suffisamment flexibles et robustes pour une utilisation en milieu industriel. Tout comme à l’origine, les robots industriels sont encore aujourd’hui principalement associés à des tâches d’automatisation plus ou moins flexibles et évoluées, selon le domaine d’activité. La règle des quatre D (dull, dirty, dangerous and difficult) et des quatre H (hot, heavy, hazardous and humiliating) résume bien le type d’applications auxquelles étaient destinées les robots dans leur première phase d’intégration dans l’industrie. Avec le 1-4 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique Historique temps, d’autres préoccupations ont été prises en compte (temps, argent, sécurité au travail, avancements technologiques) et les applications ont évoluées et se sont diversifiées, menant au développement de robots autonomes. Les coûts de la main-d’oeuvre, notamment dans le secteur automobile, ont encouragé la mise au point de manipulateurs pouvant effectuer précisément des tâches répétitives autrefois confiées à des employés n’ayant pas la capacité de maintenir une qualité de production aussi constante. Des problèmes de sécurité et la nécessité de décontaminer des sites suite à des incidents dans des centrales nucléaires ont aussi amené les technologies de la robotique mobile et de la télémanipulation (manipulation à distance) à se développer en fonction de besoins bien précis. Dans le même ordre d’idée, des systèmes robotiques ont été mis au point à fin de permettre aux humains d’accéder à des endroits où les conditions sont insupportables. Par exemple, des sous-marins de reconnaissance ont été construits afin d’inspecter des barrages sur des cours d’eau ou des bâtiments échoués au fond des mers, notamment le Titanic. Des sondes spatiales ont été construites et envoyées dans l’espace en reconnaissance autour des planètes voisines de la Terre. Des mécanismes joints à des systèmes de contrôle sophistiqués ont été développés dans le but de permettre aux amputés de recouvrer une plus grande autonomie grâce à des membres artificielles. En parallèle, de très nombreux projets plus amusants qu’utilitaires ont vu le jour à des fins de divertissement. Voici quelques dates importantes de l’histoire de la robotique (adaptées de Spong et Vidyasagar, 1989, McKerrow, 1991 et Keramas, 1999): 1921 Apparition du mot robot dans une pièce de théâtre de l’auteur tchèque Karel Kapek. 1946 Construction du premier grand ordinateur électronique, ENIAC à l’Université de Pennsylvanie par J. Presper Eckert et John Mauchly. 1947 Goertz développe le premier téléopérateur maître-esclave. 1948 Premier téléopérateur à retour d’effort. 1950 Isaac Asimov publie son premier ouvrage “I Robot” qui révolutionne l’image de la robotique par l’énonciation de trois règles de base dictant la conduite des robots (dans une perspective futuriste). 1954 George C. Devol conçoit le premier robot programmable qu’il qualifie de “Universal Automation”. Sa première application est la manutention de tubes de téléviseurs. 1956 Joseph F. Engelberger achète les droits du robot de Devol et fonde la compagnie UNIMATION (une compression de “Universal CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-5  Historique Automation”) qui devra bien des années plus tard l’un des plus grands fabricants de robots. 1962 Un robot UNIMATE est installé pour la première fois sur une ligne de montage dans une usine de General Motors à Trenton au New- Jersey. Le manipulateur de 4000 livres suit étape par étape une séquence de commandes enregistrées sur un tambour magnétique. Il est employé pour déplacer et empiler des pièces de métal moulés. 1963 Développement du premier système de vision pour la robotique. 1968 Premier robot marcheur (Walking Truck, General Electric). 1970 Lunokohod 1, un véhicule d’exploration russe, visite la surface de la lune en étant guidé à partir de la terre. 1971 Le manipulateur STANFORD voit le jour à l’Université du même nom. 1973 Le premier robot industriel contrôlé par un miniordinateur fait son apparition sur le marché. Il s’agit du T3 (The Tomorrow Tool) de Cincinnati Milacron Corporation. 1973 Développement du premier langage de programmation de robots (WAVE) à l’Université Stanford. Il s’ensuit le développement du langage AL, qui deviendra beaucoup plus populaire, l’année suivante. 1975 Unimation enregistre ses premiers profits et plusieurs compagnies commencent à mettre en marché des robots manipulateurs destinés à des tâches industrielles: Kawasaki, Asea Brown Boveri, Vicarm. 1976 Le premier bras robotisé spatial est utilisé sur la sonde Viking afin de recueillir des échantillons du sol martien. 1978 Unimation met au point et lance le robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) à partir de la technologie du manipulateur STANDFORD. 1978 Apparition des architectures parallèles en robotique. 1979 Développement du robot de type SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) à l’université Yamanashi au Japon. 1980 Un premier système de saisie par manipulateur guidé à l’aide de caméras voit le jour à l’Université du Rhode Island. 1982 Développement de la main articulée STANFORD-JPL, la notion de dextérité en robotique est introduite. 1982 Première utilisation du télémanipulateur canadien CANADARM installé sur la navette spatiale américaine Columbia. 1984 Développement de la main articulée UTAH/MIT. 1-6 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  Définitions d’un robot et de la robotique 1990 Après une croissance fulgurante, l’industrie de la robotique connaît un réajustement. Asea Brown Boveri achète Cincinnati Milacron, Fanuc Robotics rachète ses parts de General Motors. 1998 Première mission d’exploration de la planète Mars à l’aide du robot Mars Rover. 1998 Honda présente son premier robot humanoïde, P3, qui évoluera par la suite au robot Asimo en 2004, capable de se tenir en équilibre pour marcher, courir, monter et descendre des escalier. 2000 Entrée en service de l’unité mobile d’entretien (SSRMS) sur la nouvelle station spatiale internationale. 2005 Le DARPA Grand Challenge contribue à l’évolution des véhicules terrestres autonomes. 2010 La marée noire dans le Golf du Mexique résultant de l’explosion d’une plate-forme de forage de la compagnie BP démontre les limites importantes des robots sous-marins actuels qui opèrent en se basant entièrement sur les commandes à distance d’opérateurs humains. 2011 Un tremblement de terre d’amplitude 8.9 engendrant un tsunami cause des dommages importants au Japon. Des robots sont utilisés pour aider les victimes, et notamment pour inspecter les réacteurs nucléaires endommagés à la centrale d’énergie de Fukushima Daiichi. Encore une fois, les limites de la technologie robotique sont constatées. 2012 La sonde Curiosity atteint la planète Mars et représente un succès de l’exploration spatiale. 2020 La station spatiale internationale robotisée Lunar Gateway qui orbitera autour de la lune amorce son développement. Elle supportera les futures missions vers Mars. Le Canada a annoncé des investissements de plus de 2 milliards de dollars sur les prochaines 24 années. 1.2 Définitions d’un robot et de la robotique Il est possible d’énoncer plusieurs définitions pour le mot “robot” étant donnée la diversité de la technologie et la multitude de fonctions pouvant être exécutées par ces dispositifs. Soska a adopté en 1985 une définition à la fois très générale et très primaire d’un robot basée sur un point de vue peu éloquent de cette technologie: “Un robot est constitué de n’importe quel dispositif pouvant remplacer le travail humain.” Pour sa part, la Robotic Industries Assocation (RIA) propose une définition plus ciblée: “Manipulateur reprogrammable et multifonctionnel conçu pour CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-7  Définitions d’un robot et de la robotique déplacer un équipement, des pièces, des outils ou des appareils spécialisés suivant une séquence de mouvements variable et programmée en vue de l’exécution de tâches variées.” Le International Standards Organization (ISO) décrit un robot industriel de la manière suivante: “Une machine formée d’un mécanisme, incluant plusieurs degrés de liberté, ayant souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras terminés par un poignet capable de tenir un outil, une pièce ou un instrument d’inspection. En particulier, son unité de commande doit utiliser un module de mémoire et peut dans certains cas comprendre des équipements de perception et d’adaptation afin de prendre en compte l’environnement et les circonstances. Ces machines à usages multiples sont généralement conçues pour effectuer une tâche répétitive et peuvent être adaptées à d’autres fonctions.” L’Association Française de Normalisation (AFNOR), n’économisant pas les mots, propose quant à elle la définition suivante d’un robot: “Manipulateur commandé en position, reprogrammable, polyvalent, à plusieurs degrés de liberté, capable de manipuler des matériaux, des pièces, des outils et des dispositifs spécialisés, au cours de mouvements variables et programmés pour l’exécution d’une variété de tâches. Il a souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par un poignet. Son unité de commande utilise, notamment, un dispositif de mémoire et éventuellement de perception et d’adaptation à l’environnement et aux circonstances. Ces machines polyvalentes sont généralement étudiées pour effectuer la même fonction de façon cyclique et peuvent être adaptées à d’autres fonctions sans modification permanente de son environnement.” Un des éléments qui ressortent de ces définitions est la limitation de la notion de robots à des systèmes du type manipulateur. De ce fait, les dispositifs mobiles, communément appelés “robots mobiles” sont exclus de la catégorie des robots, ce qui en laisse plusieurs perplexes. Une définition plus large pouvant inclure l’ensemble des technologies actuelles peut être énoncée comme suit: “Un robot est une machine pouvant être programmée pour exécuter une variété de tâches et ayant éventuellement la capacité de s’adapter aux changements de son environnements.” (adaptée de McKerrow, 1991). L’étude des robots est appelée la “robotique”. Une première définition de la robotique à la fois très générale et d’autant plus représentative de la réalité actuelle et future pourrait s’énoncer comme suit: “La robotique résulte de l’agencement intelligent de la perception et de l’action.” (Brady, 1985). D’un point de vue plus technique et spécifique, la robotique peut aussi se définir comme: “La discipline qui implique (i) la conception, l’assemblage, le contrôle et la programmation des robots; (ii) l’utilisation des robots pour la résolution de problèmes; (iii) l’étude des processus de commande, des capteurs et des algorithmes employés par les humains, les animaux et les 1-8 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  De la perception à l’action machines; et (iv) l’application de ces processus de commande et de ces algorithmes à la conception des robots.” (McKerrow, 1991). On remarque dans ces deux définitions toute l’importance que prend l’aspect de la perception. Bien qu’à l’origine de cette science, les objectifs poursuivis visaient plutôt à construire des machines permettant d’étendre les capacités physique limitées de l’homme, la réalité de la robotique a aujourd’hui grandement évoluée. La volonté de créer des machines dotées d’une certaine forme d’intelligence fait en sorte que ces systèmes doivent de plus en plus être dotés de facultés de perception afin d’être en mesure de réagir automatiquement aux conditions de leur environnement immédiat. C’est ainsi que de nombreux capteurs sont maintenant intégrés dans la structure même des robots, afin d’assurer une surveillance interne de son mode de fonctionnement mais aussi afin de prendre des mesures continuelles sur les caractéristiques de l’environnement de travail du robot et d’adapter les mouvements de ce dernier à son espace de travail. C’est dans ce sens que la recherche en robotique a pris un tournant pour s’orienter davantage vers le développement de systèmes autonomes de tous genres. 1.3 De la perception à l’action Comme dans tout processus de conception, le développement d’un système robotique adapté à des conditions particulières d’utilisation doit se faire étape par étape. Dans un premier temps, la nature de la tâche est énoncée. Cette tâche est alors décomposée en une série d’actions à accomplir. Puis les instruments nécessaires à l’exécution de ces actions sont sélectionnés puis regroupés en un tout formant le système robotique désiré. Les performances de ce système doivent alors être évaluées et le processus de design est réitéré jusqu’à ce qu’un heureux compromis entre les coûts, les performances et l’impact humain soit obtenu. À l’encontre des systèmes informatiques qui s’intéressent à la transformation de l’information entre une entrée et une sortie, la robotique est concernée par la transformation du monde physique entre un état initial et un état final. Cette transformation est obtenue par la manipulation d’objets réels. Si nous définissons la robotique comme un agencement intelligent de la perception à l’action, il nous est possible de décomposer cette transformation physique à accomplir en une séquence de processus. Ceux-ci correspondent aux principales étapes franchies pendant l’opération d’un système robotique, soient: la prise de mesures, la perception, la modélisation, la planification et l’action. CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-9  De la perception à l’action 1.3.1 Prise de mesures Le robot obtient les paramètres de la tâche et des objets sur lesquels il doit intervenir à l’aide de différents types de capteurs. Il doit aussi mesurer sa configuration actuelle (position et vitesse) dans l’environnement et par rapport à la zone d’interaction avec les objets. 1.3.2 Perception À partir des mesures récoltées, le robot doit être en mesure de déterminer son propre état et celui de l’environnement. Il lui faut donc analyser les différentes mesures à l’aide d’algorithmes appropriés afin de pouvoir interpréter ces informations. 1.3.3 Modélisation Lorsque les informations ont été analysées, il convient de les regrouper et de les intégrer en un tout cohérent. Une technique très répandue pour arriver à ce résultat consiste à construire un modèle de l’environnement et du robot. Ce modèle offre une représentation virtuelle, et généralement sommaire, de la configuration des différentes composantes devant intervenir dans le processus de transformation: les parties du robot, les objets à manipuler, les obstacles à éviter. 1.3.4 Planification Avant de mettre le robot en marche, le dispositif de contrôle se doit d’analyser la situation en fonction de l’objectif à rencontrer afin de déterminer une stratégie d’intervention. Il planifiera alors chacune des étapes de la transformation avec soin en s’assurant que chacun des mouvements du robot soit réalisable en tenant compte de ses propres contraintes mécaniques ainsi que de celles imposées par l’environnement. Dans certaines situations où les opérations doivent être effectuées d’une manière extrêmement sécuritaire, il est courant d’avoir recours à une simulation sur ordinateur du robot et de son environnement. La suite d’opération planifiée est d’abord exécutée en simulation avant d’être envoyée au véritable robot. De cette façon, plusieurs cas problématiques ou dangereux peuvent être détectés et évités advenant une erreur dans les mesures, les modèles ou l’algorithme de planification. 1.3.5 Action Lorsque toutes les étapes de l’opération sont bien définies et validées par la phase de planification, le robot est mis en marche et la séquence de mouvements est exécutée sous supervision. En règle générale, malgré la planification effectuée préalablement, le dispositif de contrôle du robot doit être doté d’un système d’arrêt d’urgence afin d’éviter d’endommager 1-10 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  De la perception à l’action l’environnement et le robot lui-même si l’exécution de la tâche ne se déroule pas tel que prévu. EXEMPLE 1.1 Étapes de fonctionnement d’un système robotique. Afin d’illustrer toutes ces étapes de fonctionnement, considérons le cas d’un robot muni d’un pince devant saisir et déposer sur une table une série de pièces de formes diverses arrivant dans son environnement par le biais d’un convoyeur tel qu’illustré à la figure 1.1. Dans cette application, la première phase qui consiste à prendre des mesures se déroule en trois étapes. Tout d’abord, un détecteur photoélectrique est employé pour détecter l’arrivée d’un objet sur le convoyeur indiquant au robot qu’il doit alors saisir cet objet. Dans un second temps, un système de vision artificielle employant une caméra située au- dessus de la scène permet de prendre une image de l’objet sur le tapis roulant. Enfin, le contrôleur du robot doit fournir les positions respectives de chacune des articulations du robot. La seconde phase consiste à interpréter les mesures recueillies, c’est la phase de perception. À partir de l’image de l’objet sur le tapis roulant, divers algorithmes d’extractions des caractéristiques sont employés afin de reconnaître la nature de l’objet et ainsi en déterminer la forme géométrique. Cette information s’avérera indispensable au moment où la pince du robot devra saisir l’objet en question. En effet, nous ne saisissons pas un cylindre de la même manière qu’un cube si nous voulons en assurer la prise. Le robot doit faire de même. Il doit déterminer la prise optimale en fonction de la nature de l’objet. La seconde information qu’il est important d’extraire de l’image de l’objet est la position et l’orientation de l’objet sur le tapis roulant (en supposant que celui-ci est arrêté temporairement pendant l’opération de saisie). Ces renseignements sur la pose ou l’attitude de l’objet sont aussi indispensables pour en permettre la saisie. Enfin, la configuration actuelle du robot est déterminée en fonction des mesures prises sur les articulations du manipulateur. De cette manière, il est possible de déterminer de quel endroit le robot débutera sa course. CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-11  De la perception à l’action FIGURE 1.1 Dispositif robotique de manipulation d’objets. caméra pince manipulateur détecteur à faisceau lumineux convoyeur Lorsque tous ces renseignements sont connus, il est approprié de générer un modèle ou une représentation symbolique virtuelle de la situation en combinant les informations sur l’objet à saisir et la configuration du robot. Nous avons ainsi des données qui sont mises en référence les unes par rapport aux autres malgré le fait que les mesures originaient de sources diverses. En effet, comme nous le verrons plus loin, il est extrêmement important en robotique de disposer d’informations qui sont toutes définies par rapport à une seule et même référence dans l’espace, par exemple la position de l’objet par rapport à la base du robot et la position de la pince du robot par rapport à cette même base. Nous étudierons ce problème en détails. L’emploi d’un modèle unique peut nous aider grandement à satisfaire cette condition fondamentale. Une fois le modèle global de la situation établi, le module de planification de la tâche entre en jeu. Il existe une multitude de manières de planifier l’exécution d’une tâche. La littérature dans ce domaine fourmille d’idées toutes plus originales les unes que les autres. Nous en aurons un aperçu dans un prochain chapitre. Mais dans le but de présenter ce concept simplement, supposons que nous souhaitions amener la pince du manipulateur jusqu’à l’objet en parcourant la plus courte distance possible. Le planificateur aura alors pour rôle de définir une série de petits déplacements qui, une fois 1-12 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique Impact social juxtaposés les uns aux autres, permettront à la pince de rejoindre l’objet. Il s’agit là de la première étape de la tâche. La seconde consiste à faire en sorte que la pince arrive à proximité de l’objet avec une orientation appropriée lui permettant d’assurer une prise solide. Il faudra alors contrôler l’approche finale en minimisant les chocs entre la pince et l’objet puis ensuite valider la CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-13  Applications robot? Cadre-t-il dans les politiques de l’entreprise? La compagnie a-t-elle les ressources et l’expertise nécessaires pour entretenir cet équipement? Quels sont les risques pour les travailleurs qui s’affairent aux alentours du robot? Qu’arrivera-t-il aux employés remplacés par ce système, seront-ils congédiés ou réintégrés dans d’autres fonctions? Voilà autant de questions qu’il importe de ne pas laisser pour compte pendant le processus de conception. Malheureusement, l’histoire de la robotique renferme plusieurs exemples du contraires, dans le secteur automobile entre autres. Des situations où la seule perspective d’augmenter les profits a fait en sorte que des entreprises ont investi massivement dans les robots, au dépit des travailleurs qui se sont retrouvés sans emploi. Il importe donc que l’ingénieur roboticien ait conscience de cette réalité et cherche à établir un équilibre entre la recherche des profits et le respect des travailleurs. Néanmoins, il faut se rappeler que l’avènement de l’informatique a engendré la perte de nombreux emplois dans le domaine des tâches administratives. Avec le temps, ces emplois ont largement été remplacés par des postes d’opérateurs, de programmeurs, d’analystes et de gestionnaires de réseaux. Il est donc justifié de croire que l’avènement des robots puisse entraîner des conséquences similaires, remplaçant les postes de manoeuvres par des postes d’opérateurs, de programmeurs, d’installateurs et de réparateurs de robots. L’avenir n’est donc pas si sombre qu’on pourrait le croire. Plusieurs situations où les robots sont employés au profit de l’humain peuvent néanmoins être identifiées. Par exemple, le travail dans des environnements hostiles tels que les centrales nucléaires. les mines ou les chambres à peinture a pu être considérablement réduit. Des domaines comme l’exploration spatiale ont aussi largement progressé grâce à la contribution des robots sondes et des véhicules d’exploration. 1.5 Applications Afin de compléter ce chapitre, nous énumérerons quelques unes des applications de la robotique dans différents contextes afin de vous fournir une idée de la diversité de tâches que ces équipements sont en mesure d’accomplir à un niveau de sophistication plus ou moins restreint. 1.5.1 Industrie automobile L’industrie de l’automobile a été un partenaire important du développement des technologies robotiques et de leur intégration dans le secteur manufacturier. La mise en place de robots soudeurs a permis de diversifier la production sur les lignes de montage qui étaient précédemment dédiées à un seul modèle de voiture. La qualité et la robustesse des assemblages ont aussi augmenté sensiblement étant donnée la précision dont peuvent faire preuve les robots dans l’exécution des soudures. Cette qualité 1-14 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  Applications n’était pas possible auparavant en raison de la fatigue dont souffraient les soudeurs humains qui devaient manipuler de lourds outils. Une difficulté supplémentaire a toutefois dû être surmontée. Afin de souder les pièces les unes aux autres correctement, il importe que ces pièces soient positionnées très précisément avant que la soudure ne soit faite. Les robots ont donc trouvé une autre place dans la manipulation de ces pièces ainsi que dans l’application de peinture à des endroits difficiles d’accès, évitant aux opérateurs de respirer des vapeurs toxiques. L’impact social de cette intégration massive des robots s’est fait sentir dans plusieurs villes américaines et canadiennes et a encore des effets aujourd’hui. Toutefois, les statistiques démontrent que le nombre de nouveaux emplois générés par l’avènement de ces technologies est supérieur aux pertes d’emplois enregistrées dans le domaine manufacturier en raison de la robotisation. Un certain équilibre semble donc se maintenir bien que ces nouveaux secteurs d’activité exigent des compétences bien différentes des travailleurs qui doivent souvent se recycler. 1.5.2 Assemblage Une autre application ayant un très fort potentiel pour la robotisation est le secteur de l’assemblage de produits manufacturiers. En effet, le montage de nombreux produits commerciaux exige une main-d’oeuvre importante pour effectuer des tâches répétitives, ennuyeuses, démotivantes et risquées pour la santé des travailleurs. Lorsque ces tâches sont confiées à un robot, elle peuvent être effectuées avec un rendement constant puisque le robot acceptera toujours de répéter inlassablement la même séquence de mouvements. Toutefois, l’assemblage de produits relativement simples comportent des difficultés majeures pour un robot. Pour assembler toutes les pièces qui composent un objet, le robot doit d’abord pouvoir saisir les bonnes pièces dans le bon ordre. Il doit aussi être capable d’aligner les pièces les unes avec les autres pour effectuer des opérations d’insertion ou de vissage. Les outils CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-15  Applications fixés à l’extrémité du manipulateur pour manipuler les pièces doivent aussi être conçus pour assurer un prise stable et précise. Par conséquent, la conception d’outils robotiques spécialisés est devenue un domaine important pour le développement des robots. Malgré tout, nous sommes encore loin des capacités de la main humaine. La programmation du robot doit aussi être traitée avec soin afin d’établir la séquence optimale des opérations. D’autre part, le développement récent de plusieurs technologies de capteurs permet aujourd’hui de rehausser le niveau d’adaptation des robots en leur fournissant des moyens d’examiner leur environnement. Ainsi, la problématique de l’alignement des pièces peut être au moins partiellement solutionnée. 1.5.3 Laboratoires médicaux Un autre milieu où des tâches répétitives doivent être accomplies est celui des laboratoires médicaux. La manipulation des nombreux échantillons et l’exécution routinière des analyses sont de plus en plus confiées à des robots. Ainsi, les automates peuvent se charger de remplir des éprouvettes, de les placer sur des supports et de les insérer dans des appareils de mesure. De petites unités mobiles peuvent aussi assurer le transports des échantillons entre différentes sections du laboratoire, évitant ainsi aux techniciens de se déplacer continuellement. Dans un tel contexte, les robots contribuent à permettre aux humains d’être eux-mêmes plus efficaces en les déchargeant de tâches manuelles fastidieuses. D’ailleurs le décodage du code génétique humain a en partie été rendu possible, ou à tout le moins accéléré, grâce à l’utilisation de systèmes robotiques. 1.5.4 Médecine Comme les robots deviennent de plus en plus précis et que la chirurgie moderne tend à devenir de moins en moins invasive, de nombreux systèmes robotiques commencent à voir le jour pour assister les chirurgiens dans la pratique des interventions délicates. De nos jours, le développment d’applications biomédicales de la robotique est un champ très important de recherche et de développement appuyé par une volonté sociale d’améliorer la qualité des soins aux patients, et par le fait que la technologie atteint 1-16 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  Applications maintenant un niveau de raffinement qui lui permet d’être employée dans de tels systèmes. 1.5.5 Énergie nucléaire Les centrales nucléaires sont des endroits où l’on retrouve un grand nombre d’applications robotiques. Cette industrie a supporté le développement des systèmes robotique dès ses débuts, étant fortement motivée par les niveaux de risque élevés associés à l’exploitation des matériaux radioactifs. Les robots sont aujourd’hui employés à des fins de maintenance des réacteurs et pour le remplacement des tubes de carburant. De malheureux événements où des déversements de substances radioactives sont survenus, comme à Three Miles Island en Pennsylvanie en 1979, à Tchernobyl en URSS en 1986 et sur la côte pacifique de Tohoku au Japon en 2011 ont aussi contribué à faire progresser la technologie des télémanipulateurs très rapidement. Il fallait dans ces circonstances trouver un moyen de colmater des fuites d’eau lourde radioactive dans des zones contaminées. Il fallait par la suite nettoyer et décontaminer ces sites sans compromettre la santé des travailleurs. Des robots ont donc été adaptés très rapidement aux nécessités du moment et employés à réparer les dégâts. Il en est résulté un avancement significatif de la technologie. CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-17  Applications 1.5.6 Agriculture Dans le domaine agricole, des robots ont aussi été développés. Un exemple original nous provient d’Australie où un robot fut conçu pour la tonte des moutons. Employant une combinaison de capteurs visuels et tactiles, le robot a la capacité de suivre en temps réel la forme de l’animal en dépit de ses mouvements résultant de sa respiration. Cette technologie a démontré que moins de blessures étaient infligées à l’animal comparativement à la tonte manuelle effectuée par un humain. Des essais ont aussi été effectués pour automatiser la plantation dans les champs, ainsi que la récolte de céréales et des fruits. 1.5.7 Exploration spatiale Les sondes spatiales envoyées depuis plusieurs années à la découverte de notre univers constituent d’autres exemples de robots. Débutant avec les sondes Viking I et II expédiées sur Mars en 1976, les robots spatiaux ont combiné des systèmes de vol, de navigation au sol et des mécanismes de télémanipulation permettant d’explorer la surface d’autres planètes et de recueillir des échantillons de sols pour en faire une analyse locale. Le fameux bras manipulateur canadien, Canadarm, installé sur les navettes spatiales américaines et le système d’entretien mobile de la station spatiale internationale (SSRMS), toujours en opération, qui sert à assembler et à entretenir la station spatiale internationale sont de formidables exemples de la technologie robotique. 1-18 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  Applications À partir de 1998, d’autres grands succès dans le domaine de la robotique mobile furent atteints par l’envoi de véhicules d’exploration, incluant le Mars Rover et les robots Spirit et Opportunity, qui ont exploré la planète voisine à partir des consignes envoyées de la Terre. Ces robots ont fourni une quantité impressionnante de renseignements précieux sur cet environnement inconnu. Maintenant, le Canada se prépare à fournir sa contribution au futur Lunar Gateway, un orbiteur luniaire qui supportera des missions exploratoires vers Mars. Le Canada s’est récemment engagé à investir plus de 2 milliards de dollars sur 24 ans dans ce projet par le biais de l’Agence Spatiale Canadienne. La contribution touchera principalement la fourniture d’un nouveau bras robotique articulé adapté à la mission et des composantes d’intelligence artificielle pour pleinement automatiser le fonctionnement de la station. 1.5.8 Robots sous-marins Des robots submersibles sont employés depuis plusieurs années pour explorer les fonds marins. Qu’il s’agissent de porter secours à des naufragés, de récupérer les boîtes noires contenant les enregistrements de vol suite à un écrasement d’avion ou d’aller explorer de vieilles épaves pour en découvrir les mystères ou en retirer les richesses, les robots submersibles démontrent un potentiel peu commun. CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-19  Applications Des applications industrielles de ces robots sont également développées. Par exemple, Hydro-Québec a mis au point un robot sous-marin, ROV 3, muni de caméras afin d’inspecter ses barrages hydro-électriques du côté submergé. La compagnie peut ainsi détecter les fissures et procéder aux réparations sans avoir à abaisser les niveaux d’eau. Cela contribue à augmenter la sécurité des populations habitants à proximité des ouvrages. Les compagnies pétrolières exploitent aussi ce type de robot pour l’inspection et l’entretien des plates-formes de forage et dans la détection de nouvelles ressources dans les fonds océaniques. 1.5.9 Vehicules aériens autonomes Beaucoup d’intérêt a récemment été investi dans le développement de véhicules volants autonomes, mieux connus sous le nom de “unmanned aerial vehicles (UAVs)”. Ces systèmes offrent des avantages évidents pour des applications militaires, mais ils trouvent aussi de nombreuses utilisations dans le domaine civil. Celles-ci incluent la surveillance des régions côtières et forestières, entre autre pour la détection des feux de forêt, ainsi que pour les transports. Les véhicules aériens autonomes cherchent à imiter le comportement des insectes qui sont capables d’éviter efficacement les collisions. Leur développement implique la miniaturisation de nombreux capteurs, moteurs et composantes de navigation étant donnée la charge utile très limitée de la plupart de ces véhicules. 1-20 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  Applications 1.5.10 Robots de service Diverses machines ont été développées pour servir la clientèle de façon semi-automatique ou entièrement automatique. Une des applications les plus populaires de la robotique dans le monde de la consommation est celle des guichets automatiques qui a permis aux banques traditionnelles de réduire significativement les services rendus en personne à leurs clients et du même coup a conduit à une réduction des coûts d’opération. Des systèmes plus sophistiqués ont aussi été conçus, comme la pompe à essence automatique de la compagnie Shell illustrée ci-dessous. Toutefois, ces technologies n’ont pas encore trouvé une place importante sur le marché pour des raisons techniques, les investissements importants qu’elles impliquent ou simplement parce que le marché n’est pas encore prêt à les accepter. Un défi important auquel fait face le développement de robots de service origine de la nécessité d’établir un interface efficace entre l’homme et la machine. Des projets en cours explorent la création de robots infirmiers capables de fournir des soins à des handicapés ou à des personnes âgées. L’introduction de robot dans ce type d’environnement est très complexe et implique des questions qui vont bien au delà de l’ingénierie, touchant à la psychologie et à la médecine. Néanmoins, des robots de service font progressivement leur entrée dans le commerce de détail ou la restauration. Par exemple, Amazon a robotisé plusieurs de ses centres de distribution afin d’améliorer l’efficacité de l’envoie de colis. Des restaurateurs ont adopté des aide-cuisiniers robotisés pour assurer une qualité constante, combattre la pénurie de main-d’oeuvre, et donner de la visibilité à leur entrerprise. poste d’essence automatisé de Shell Pearl - le “Nursebot” robot mobile chez Amazon aide-cuisinier robotisé CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-21  Applications 1.5.11 Arts et divertissement Comme le monde la robotique est souvent perçu comme un domaine où les gens “s’amusent” avec des jouets sophistiqués, plusieurs produits et projets originaux ont émergé de ce parc d’amusement et sont essentiellement dédiés à des applications plus ou moins sérieuses. Tout le monde a déjà vu un de ces robots à l’allure d’une poubelle à roulette qui sont en principe destinés à l’entretien ménagé et à amuser les enfants. Certaines compagnies, comme Sony, ont réussi à conquérir le marché des “grands enfants” qui sont disposés à investir quelques centaines de dollars pour se procurer un petit animal de compagnie, comme le chien-robot appellé AIBO qui est sensé offrir toutes les caractéristiques d’un véritable chien mais sans les indésirables petits dégâts. D’autres projets du genre ont conduit à de la création artistique en ligne, tout en supportant la recherche sur les robots contrôlés à distance. AIBO Bien sûr, ces produits n’ont pas d’applications industrielles directes. Néanmoins, leur développement conduit très souvent à la mise au point de technologies qui pourront plus tard être récupérées dans des systèmes plus pratiques. Pour cette raison, le développement de systèmes robotiques de divertissement est habituellement considéré comme une manière très positive et innovatrice de faire évoluer le monde de la robotique. Malgré toutes les applications développées dans le passé, le nombre de problèmes qui se révèlent lorsqu’un opérateur humain est remplacé par un robot est impressionnant. La capacité d’adaptation des humains est loin de pouvoir être approchée par les automates. Aussi, dans un processus d’automatisation donné, faut-il prendre soin de ne pas surestimer les vertus de ces appareils, de choisir les technologies les plus appropriées et de porter un soin extrême à l’élaboration de la stratégie que suivra le robot dans l’exécution de ses fonctions. 1-22 CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique  La suite du cours 1.6 La suite du cours Par définition, la robotique est une science multidisciplinaire. Elle implique en effet la collaboration de très nombreux intervenants des domaines du génie mécanique, du génie électrique et de l’informatique mais aussi de la physique, des mathématiques et de la psychologie ainsi que des spécialistes dans les secteurs spécifiques où les outils robotiques sont implantés. Dans le cadre de ce cours, nous laisserons de côté les aspects purement mécaniques tels que la conception des mécanismes permettant le mouvement et l’actionnement des robots pour nous concentrer essentiellement sur l’aspect de la commande par ordinateur des systèmes robotisés. Pour ce faire, nous devrons néanmoins examiner certaines notions fondamentales pour la compréhension des techniques de commande telles que la paramétrisation à l’aide de systèmes de coordonnées des composantes d’un robot, et les transformations géométriques en position, en vitesse et en accélération qui permettent de définir la séquence des mouvements d’un robot. Nous porterons également une attention particulière aux différentes technologies existantes tant au niveau des robots que des outils périphériques leur permettant de prétendre à une certaine autonomie. Les capteurs et les techniques de perception et de mesure employées en robotique seront donc étudiés. Enfin, les aspects techniques du contrôle des actionneurs ainsi que de la planification de tâches et de trajectoires seront abordés. CEG-4558 Commande par Ordinateur en Robotique 1-23