La locomotion du robot a occupé une grande place dans l’esprit des roboticiens. Le robot est devenu mobile par la force de leur inventivité. Ces créateurs ont utilisé une grande variété de techniques pour obtenir un mouvement. Les possibilités sont infinies. Quelle que soit la direction prise, le robot déploie un mode de déplacement spécifique.  Il peut être roulant ou à pattes, marcheur ou sauteur et qui dit robot à pattes, ne dit pas forcément robot marcheur…

Le robot à pattes se déplace la plupart du temps selon une marche qui peut être quasi-statique ou dynamique. Il devient dès lors ‘robot marcheur‘. Il n’en demeure pas moins que certains robots à pattes se déplacent sous la forme de ‘sauts’. Du robot marcheur au robot sauteur, il n’y a qu’un ‘pas’ :). Tour d’horizon.

Le robot marcheur quasi-statique

Ce type de robot s’appuie sur le principe dit de la marche quasi-statique, à savoir qu’à tout moment lors de son déplacement, ce robot est en équilibre. Il s’oppose par là même au robot marcheur dynamique qui, lui, doit être mis en déséquilibre pour avancer.

Quels sont les avantages d’une marche quasi-statique ?

  • Le robot peut s’arrêter à n’importe quel moment, il sera par principe même en équilibre.
  • Le robot n’a pas besoin de calculs compliqués pour déterminer ses pas qui, au contraire, seront réguliers et prévisibles.

Comment le robot marcheur quasi-statique peut-il être en permanence en équilibre ?

Ce robot restera en équilibre à la condition que la projection de son centre de gravité soit en permanence dans le polygone de sustentation. Ce polygone est délimité par tous les points de contacts au sol.

Ainsi, dans le cas d’une chaise, le polygone de sustentation  sera déterminé par le carré formé par les 4 pieds au sol. Pour être en équilibre, la projection du centre de gravité de la chaise devra se trouver dans ce polygone. Dans le cas d’un élève dissipé se balançant sur sa chaise sans se tenir, le polygone de sustentation se réduira à la ligne définie par le contact des 2 pieds de chaise se trouvant au sol. L’équilibre deviendra dès lors plus précaire.

L’exemple le plus simple de marche quasi-statique se retrouve dans la nature. Il s’agit du mode de déplacement des insectes. En marche tripode, ils ont la moitié de leurs pattes au sol et auront donc toujours un polygone de sustentation important.

Prenons le cas d’un cafard par exemple. Celui-ci aura 2 pattes au sol d’un côté et une de l’autre, puis l’inverse et cette alternance lui permettra d’avancer et de marcher au moyen de ses 6 pattes. Il s’agit donc d’un tripode alterné. Le cafard n’a pas de question à se poser sur sa marche (en même temps de manière générale, je ne suis pas sur qu’un cafard se pose beaucoup de questions !).

Du fait de ce principe de marche alternée, les robots octopodes ou hexapodes sont plus simples à réaliser.

Le robot Hexy
Le robot hexapode : Hexy

Le robot bipède pourra lui aussi s’inscrire dans cette marche quasi-statique. Pour ce faire, les pattes du robot bipède devront présenter un contact assez important avec le sol. Le robot basculera alors une partie de son poids sur sa patte d’appui avant d’effectuer le déplacement.

Voici un exemple de réalisation en Lego :

 

 

Sur le principe de la marche quasi-statique, il est possible de réaliser des hexapodes de près de 2 tonnes, à la manière du robot hexapode Mantis, réalisé par la société de Matt Denton : Micromagic System.

Le robot hexapode Mantis

L’un des robots les plus impressionnants en terme de marche quasi-statique est le robot Rhex de Boston dynamics. Il est capable de se déplacer sur tout type de terrain : sable, boue, végétaux, sols durs. Il s’inspire directement du cafard qui est capable de se déplacer rapidement (proportionnellement à sa taille) sans s’occuper des endroits où il pose les pattes.

 

Petite excursion du robot RHex
Impressionné ? Attendez de découvrir ses autres capacités… Patience :).

Le robot marcheur dynamique

Contrairement à la marche quasi-statique,  dans le cas de la marche dynamique, le robot (ou l’animal) sera nécessairement dans une phase de déséquilibre.

En effet, à chaque pas, la projection du centre de gravité du robot marcheur dynamique sera en-dehors de sa zone de sustentation. Il doit donc anticiper le déplacement pour rétablir l’équilibre en posant la patte.

De fait, lorsque nous marchons, nous sommes en déséquilibre à chaque pas et nous retrouvons l’équilibre en reposant le pied au sol. C’est particulièrement visible lorsque vous demandez à quelqu’un de s’arrêter, il le fera toujours les 2 pieds au sol.

Il n’est pas possible de parler de marche dynamique, sans immédiatement penser au robot Asimo de Honda. Ce robot bipède est issu d’une longue lignée de bipèdes qui a commencé avec les robots sans buste, dès 1986, pour se poursuivre avec les robots de forme humanoïde. Asimo est la première version de robot bipède doté d’un réel design.

Au-delà du design de son enveloppe, Asimo a surtout révolutionné le monde des humanoïdes en étant le premier à monter et descendre les escaliers ou en étant le premier à courir.

Le robot Asimo
Le robot Asimo

Asimo est aujourd’hui capable de courir à 9km/h, de sauter à cloche pieds et de sauter.

Show d’Asimo

Il n’est pas possible d’évoquer la marche dynamique sans parler de Boston Dynamics.  En effet, la spécialité de cette société est la marche dynamique :), domaine où elle a obtenu des résultats impressionnants.

Le robot quadrupède LS3 est incroyable par sa robustesse, ce qui dans le sens  robotique signifie ‘fiabilité dans un comportement’. Quel que soit l’environnement où le robot LS3 évolue, il avance inexorablement.

Démonstration du robot LS3

J’aime aussi particulièrement l’humanoïde Petman pour sa gestuelle très (trop) humaine.

 

L’humanoïde Petman de Boston Dynamics

Cheetah est un quadrupède qui atteint les 45,5 km/h, plus rapide que Usain Bolt :). Ce robot marcheur – enfin coureur – est le plus rapide actuellement.  Et c’est à nouveau un robot …. de chez Boston Dynamics.

 

Le record de course de Cheetah : 28,3 mph soit 45,5 km/h
 

Si le robot à pattes se déplace la plupart du temps, comme nous venons de le voir, selon une marche quasi-statique ou dynamique, il peut également se déplacer sous la forme de sauts.

Les robots sauteurs

Si  ces robots sont beaucoup moins nombreux, il est néanmoins important de souligner leur mode de déplacement spécifique.

Kangoroo est ainsi directement inspiré du kangourou. Le kangourou, en tant qu’animal, intéresse particulièrement les scientifiques car la consommation d’énergie utilisée lors de ses déplacements est excessivement basse. Etant donné que la consommation énergétique est un problème majeur chez les robots autonomes, il n’y avait qu’un pas pour que les roboticiens s’inspirent du kangourou.

Kangoroo se déplace, entre autres, grâce à des actionneurs pneumatiques. Il peut réaliser des sauts de 40cm de hauteur et de 80cm de longueur.

 

Le robot Cheetah dont je vous ai déjà parlé en tant que robot ‘coureur’ dynamique, refait ici son entrée grâce cette fois à un travail du MIT (Massuchusetts Institut of Technology) qui va l’amener à réaliser des sauts au-dessus d’obstacles tout en courant à une vitesse de 8 km/h.

Le robot Cheetah réalisant une course d’obstacles
 

RHex, marcheur quasi statique, utilisera quant à lui le saut de différentes manières dans cette vidéo.

 

Quelques sauts de Rhex proposés par l’Université de Pennsylvanie

Ce que je trouve percutant dans cette vidéo, c’est la manière dont rejaillit l’intelligence des ingénieurs. Les concepteurs de ce robot s’inspirent directement des avantages du déplacement du cafard, mais y ajoutent une idée ingénieuse : utiliser des pattes qui tournent comme des roues pour simplifier la mécanique et gagner en vitesse. La forme et la souplesse de ces pattes apportent à ce robot une grande dextérité. Les chercheurs de l’université de Pennsylvanie vont même plus loin en utilisant la souplesse des pattes et la force des moteurs pour lui faire réaliser des sauts. L’enchaînement des mouvements permet d’accentuer progressivement le saut. Bref, un robot astucieusement pensé et intelligemment utilisé.

Tous les robots dont je vous ai parlé aujourd’hui illustrent avec force les progrès réalisés en matière de mobilité des robots. Chaque année, leurs déplacements gagnent en fluidité et en rapidité. Ils sont capables d’affronter des terrains de plus en plus accidentés. Si nombre d’entre eux sont encore à l’étape de recherche pour des questions liées à la résolution des problèmes d’autonomie, il n’en demeure pas moins que d’ici quelques années ces robots auront la fiabilité qui permettra leur commercialisation. Vous pouvez commencer à chercher le prénom de votre Asimo.

Fondateur de VieArtificielle.com et Robopolis.com, ingénieur UTC : Je m’intéresse aux robots autonomes par le prisme des sciences cognitives (les différentes « intelligences » présentes dans le robot), l’apprentissage, les comportements émergents) .