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UPJV, Département EEA
Master 2 EEAII Parcours ViRob
Fabio MORBIDI
Laboratoire MIS Équipe Perception Robotique
E-mail: [email protected]
1er Semestre, AU 2017-2018
Mercredi 10h00-12h30, Jeudi 14h00-17h00 Salle TP101
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Plan du cours
Chapitre 1: Perception pour la robotique
Chapitre 2: Modélisation de l’incertitude
1. Introduction
3. Typologies de capteur
2. Classification des capteurs
1. Introduction
3. Incertitude d’un capteur
2. Représentation de l’erreur
4. Propagation d’incertitude
Chapitre 3: Traitement des mesures
1. Réseau multi-capteurs
2. Fusion des mesures
Partie I : Perception Avancée
3
Chapitre 1: Introduction
Plan du cours Partie II : Robotique Mobile
1. Petit historique
3. Marché mondial et besoins technologiques
2. Systèmes, locomotions, applications
Chapitre 2: Locomotion
1. Effecteurs et actionneurs
3. Robots mobiles à roues
2. Robots mobiles à jambes
4. Robots mobiles aériens
Chapitre 3: Décision et contrôle
1. Commandabilité d’un robot
3. Contrôle de mouvement
2. Architectures de contrôle
4
• Introduction to Autonomous Mobile Robots R. Siegwart, I.R. Nourbakhsh, D. Scaramuzza, MIT press, 2ème éd., 2011 [Ch. 1-3]
Bibliographie
• Theory of Robot Control C. Canudas-de-Wit, B. Siciliano, G. Bastin (Éds.), Springer 1996 [Ch. 7]
• Handbook of Robotics B. Siciliano, O. Khatib (Éds.), 1ère éd., Springer 2008 Ch. 17, “Wheeled robots”, G. Campion, W. Chung Ch. 34, “Motion control of wheeled mobile robots”, P. Morin, C. Sanson
B. Siciliano, O. Khatib (Éds.), 2ème éd., Springer 2016 Ch. 24, “Wheeled robots”, W. Chung, K. Iagnemma Ch. 49, “Modeling and control of wheeled mobile robots”, P. Morin, C. Sanson, R. Lenain
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Ch. 1: Introduction
Petit historique
Applications, systèmes, locomotions
Marché mondial et besoins technologiques
Partie 2
Partie 3
Partie 1
Partie II : Robotique Mobile
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Chaîne de montage
Tâches répétitives Prédictible Contrôlable
Environnement naturel
Dynamique, Incertain !
VS.
(cf. cours M1 de “Robotique Industrielle”)
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Robot manipulateur vs. robot mobile
Robots manipulateurs 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
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Premiers robots mobiles
• “Robot boat” de Nikola Tesla (1898)
Navire télécommandé
Madison Square Garden, New York, Electrical Exhibition
• “Canard” de Jacques de Vaucanson (1739)
Canard articulé en cuivre capable de boire, manger, cancaner, battre des ailes et digérer comme un véritable animal « Automate »
9
« Shakey » Stanford Research Institute (1966)
• Premier robot mobile percevant son environnement
• Capteurs • Caméra • Télémètre • Contact
10
« Genghis » MIT (1988) ◦ Six pattes ◦ Apprentissage autonome
Franchissement d’obstacles Réaction de chaque jambe à l’environnement
Programme de contrôle très simple
Actuellement au Smithsonian Air and Space Museum (Washington DC)
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Deux paradigmes différents
Shakey (1966) Genghis (1988)
Pensée, raisonnement Action, comportement
Intelligence: cerveau Intelligence: organisme
Intelligence artificielle Vie artificielle
Traitement d’information
Coordination sensori-motrice
Pensée cartésienne Centré sur l’agent, basé action
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Tendance récente (dix dernières années)
• Robotique coopérative: volées, troupeaux, cohortes, équipes et formations de robots
• Commande décentralisée ou distribuée
“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. 215-233, 2007
13
Autoassemblage programmable: “Essaim d'un millier de robots”
(Science, 2014)
Vidéo
Cohortes de robots
Kilobot
14
Voestalpine Klangwolke, Linz, Autriche, 1 sept. 2012: 49 Hummingbirds de AscTec
Volées de robots Spectacles de lumière (« feux d'artifice robotiques »)
Vidéo Intel
Micro-hélicoptère à quatre pales (quadrirotor)
15
Projet Flyfire (laboratoire SENSEable City) en collaboration avec le laboratoire ARES du MIT (2010)
Écran interactif 3D
Vidéo
Volées de robots
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Ch. 1: Introduction
Petit historique
Applications, systèmes, locomotions
Marché mondial et besoins technologiques
Partie 2
Partie 3
Partie 1
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Le milieu hostile • Industrie nucléaire
• Exploration: planétaire (par ex. lander Philae), sous-marine, volcanique, spéléologique
• Surveillance: robots militaires (par ex. drone Predator de l’US Air Force)
• Sauvetage en cas de catastrophes naturelles (tremblements de terre, inondations, avalanches)
• Déminage
Les travaux répétitifs
• Nettoyage
• Automatisation des entrepôts
• Domaine agricole
Applications
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◦ Robot40 de Cleanfix ◦ Nettoyage de gymnases
◦ Navigation basée sonars et infrarouge
◦ VC-RE70V de Samsung ◦ Aspirateur autonome
◦ Exploration exhaustive
◦ SLAM visuel « plafond »
◦ Capteur optique: mesure la pollution de l’air aspiré
◦ Roomba de iRobot ◦ Nettoyage de maisons
◦ Brosse rotative
◦ Bumpers
Nettoyage
19
Automatisation des entrepôts
Amazon Robotics, ex Kiva Systems (2011), et Exotec Solutions
• Flotte de robots mobiles
• Stockage global par logiciel gestionnaire
• Déplacements auto-gérés
20
Domaine agricole
Robot Oz de Naïo Technologies • Désherbage automatique
• Transport du matériel agricole
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Applications Le service ◦ Médicine
Pilules robotiques
◦ Aide aux handicapés/personnes âgées (fauteuil roulant autonome) ◦ Robot guide (musées, centres commerciaux, etc.) ◦ Robot facteur
http://sssa.bioroboticsinstitute.it Projets EU INTERREG COALAS/ADAPT
Caméra panoramique
Robot Enon de Fujitsu
PostBot (2018) Deutsche Post, Dresde
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Environnement hostile locomotion non conventionnelle ◦ « Rovers » NASA sur Mars
◦ Sojourner (1997) ◦ Spirit et Opportunity (2004) ◦ Curiosity (2012)
◦ Téléopérés depuis la Terre, mais détection automatique des obstacles
Systèmes et locomotions
Sojourner
Spirit
Curiosity
Suspension de type rocker-bogie
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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
Systèmes et locomotions
24
Snakebot, Carnegie Mellon University
Robots rampants ◦ Inspiration: locomotion
des serpents
◦ Modulaires et flexibles
◦ Déplacement sur tous les terrains (insertion dans des passages étroits)
◦ Idéaux pour missions de sauvetage
• Véhicules chenillés
Systèmes et locomotions
25
MagneBike (ETHz + ALSTOM) ◦ Roues magnétiques ◦ Grande mobilité ◦ Inspection de structures
complexes ◦ Tuyaux
◦ Pipelines
◦ Turbines
Gibbot (NxR lab, Northwestern University) • Robot « singe » • Brachiation • Deux extrémités magnétiques • Déplacement sur des parois métalliques
Vidéo
Systèmes et locomotions Vidéo
26
ParkourBot (Northwestern et Carnegie Mellon University) ◦ Robot sauter/grimper ◦ Deux jambes élastiques ◦ Application: inspection de tuyaux
Vidéo
Systèmes et locomotions
27
Sirius (University of Sydney)
◦ Cartographie 3D du fond sous-marin ◦ Assemblage d’images
stéréo (mosaïque)
Systèmes et locomotions
Véhicules sous-marins autonomes (AUVs)
28
Les drones
◦ Voilure fixe Non motorisée ◦ Planeur
Motorisée ◦ Traction ◦ Propulsion
◦ Voilure tournante Birotor Quadrirotor Hexarotor …
◦ Voilure battante ◦ Plus léger que l’air
Dirigeable
Firefly de AscTec Phantom 1 de DJI
Systèmes et locomotions
29
SCAMP (Stanford Climbing and Aerial Maneuvering Platform) ◦ Robot multi-modal qui peut:
◦ Voler (comme un quadrirotor) ◦ Se percher avec un système passive ◦ Grimper sur des surfaces à l’extérieur ◦ Décoller d’une surface verticale
Vidéo
Systèmes et locomotions
"A Multimodal Robot for Perching and Climbing on Vertical Outdoor Surfaces”, T.M. Pope et al., IEEE Trans. Robotics, vol. 33, n. 1, pp. 38-48, 2017
30
Volatiloïde ◦ SmartBird de Festo ◦ Nano Hummingbird de AeroVironment
Systèmes biomimétiques
Poissonoïde ◦ Airacuda de Festo
Commande pneumatique «Muscles» fluides
• Insectoïde • Genghis
• Plantoïde • Projet U.E. «Plantoid» (IIT)
• Humanoïde • Asimo, Baxter
Vidéo Vidéo
31
Ch. 1: Introduction
Petit historique
Applications, systèmes, locomotions
Marché mondial et besoins technologiques
Partie 2
Partie 3
Partie 1
32
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 5 G$ à 50 G$ !
33
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: 1.5 en 4 ans (de 63000 à 112000): 1er secteur: sécurité/défense
Ventes de robots domestiques: 2 en 4 ans (de 4.4 millions d’unités à 9.2 millions)
Ventes de robots ludiques: 2.5 en 4 ans (de 2.8 millions d’unités à 9.5 millions)
*Début 2008 - fin 2012
Marché mondial des robots*
1. E-puck
2. Khepera III
3. Koala 2.5
4. TurtleBot (Willow Garage: Create de iRobot + Kinect de Microsoft)
5. Pioneer 3-AT
6. AmigoBot
7. Seekur Jr
Plate-formes pour la recherche et l’enseignement
EPFL - École Polytechnique Fédérale de Lausanne
5
1
2 3
4 6
(K-Team Corporation)
7
Omron Adept MobileRobots
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Environnements de simulation/développement • Robot Operating System (ROS)
• Ensemble de bibliothèques et outils (drivers, algorithmes, etc.) pour développer des applications robotiques
• Open source: www.ros.org
• Gazebo • Simulation précise et efficace de populations de robots dans des environnements virtuels • Moteur physique robuste, interfaces graphiques avancées
• Gratuit: http://gazebosim.org
V-rep (« Virtual robot experimentation platform ») • 6 approches et 7 langages de programmation
• Destiné à chercheurs, amateurs, développeurs professionnels
• V-rep pro edu est gratuit: www.coppeliarobotics.com
Matlab • Robotics System Toolbox de MathWorks (R2015b)
• Robotics Toolbox de Peter Corke
• Gratuit: www.petercorke.com/Robotics_Toolbox.html
Vidéo