Tutoriel 1 : Qu'est-ce qu'un robot ?

Chose promise, chose due ! Ceci est l’introduction de la série de tutoriels que je publierai chaque semaine à partir d’aujourd’hui.
Ils aborderont différentes problématiques telles que les solutions logicielles sur lesquelles s’appuyer pour le développement de fonctions, les choix de matériels informatiques et électroniques, les notions d’intelligence artificielle – qui est loin d’être ce que tout le monde pense -, etc.
N’hésitez pas à réagir à travers les commentaires et à vous entraider lorsque quelqu’un rencontre une difficulté. La robotique repose sur des systèmes dont les réactions peuvent varier, et regrouper les solutions techniques ne peut que nous faire tous avancer !
I – Définition du robot
Tout d’abord, commençons par définir notre sujet d’étude : Qu’est-ce qu’un robot ?
Ce terme utilisé pour la première fois par Karel Čapek en 1920 dans sa pièce de théâtre R.U.R. (Rossum’s Universal Robots), est aujourd’hui connu de tous. Traduisible par le mot « esclave » ou « travailleur dévoué », on imagine souvent sa représentation la plus humanisée : l’humanoïde, l’androïde, ou le cyborg.
Si cette représentation est la plus récurrente au moins pour les enfants, c’est parce que le robot est l’accompagnateur de l’humain. Il est une machine simple ou complexe, utilisée lors de travaux irréalisables par la main de l’Homme, répétitifs, dangereux ou éprouvants.

Un robot doit être vu comme un système doté d’au moins un capteur, et qui va réagir automatiquement selon les informations de ce dernier. Cela peut être un programme informatique capable de se balader sur un système d’information (ordinateur, internet, etc.), ou une machine purement mécanique qui assumera une tâche donnée.
Nous différencions donc aujourd’hui deux grandes familles de robot : Les robots purement logiciels, et les robots « mécatroniques ».
Ceux de type « mécatronique » sont les plus connus, et ceux que l’on évoque généralement en utilisant le terme « robot ». Ils sont fabriqués sur la base de notions d’électronique, d’informatique, de mécanique, d’électrotechnique, et de bien d’autres selon le niveau de complexité.
C’est seulement dans les années 1970 que l’on a commencé à entendre parler des robots. A l’époque, on les utilise pour peindre les carrosseries de voitures, ou pour manipuler des objets dans des zones hautement toxiques.
Depuis, ils ont évolués et se découpent dans de nombreuses catégories :
– Robots sous-marin autonomes (AUV)
– Drones aériens
– Humanoïdes
– Voitures autonomes
– Plieur de vêtements
– Aspirateurs autonomes
– Bras assistant
– Patrouilleur
– Avatar pour la téléprésence (visite d’usines à distance)
– Avatar pour les opérations médicales à distance
– Robot social
– Etc.
Malgré le fait que l’autonomie décisionnelle (ne pas confondre avec l’autonomie énergétique) soit l’un des paramètres obligatoires pour parler d’une machine comme robot, nous arrivons à attribuer ce label à des systèmes commandés par l’Homme. La raison vient de la complexité des procédures que la machine suit pour exécuter un ordre. Selon la complexité des procédures exécutées, on attribue un « niveau d’autonomie » au robot : Est-il totalement autonome une fois allumé ? Demande-t-il une autorisation avant chaque actions et agit-il en cas de non réponse ? Attend-il un ordre pour effectuer une action ?
Ces systèmes ne se contentent pas d’exécuter des ordres bêtement, mais vérifient leur cohérence, effectuent un traitement et prennent une décision pour une action éventuelle.
II – Composition du robot

La définition à partir de laquelle nous avons choisi de travailler étant fixée, intéressons nous maintenant à la composition concrète d’un robot.
La première notion à avoir à propos des robots est simple : Nous sommes face à une machine capable d’interagir avec son environnement.
Il faut donc définir l’environnement dans lequel notre robot va évoluer avant de le concevoir. Cela permet de mieux choisir les matériaux et capteurs qui le constitueront. Un robot sous-marin n’est pas un robot aérien par exemple !

Ensuite, il faut penser aux interactions du robot avec le monde réel : Comment captera-t-il l’information dont j’ai besoin ? Comment agira-t-il ? Vais-je par exemple utiliser un capteur de température pour que le robot sache à quel moment il doit éteindre les radiateur avec son bras mécanique ?

Avant de traiter les données reçues par les capteurs, le robot doit d’abord les conserver au moins le temps de procéder à son analyse. C’est pour cela qu’on le dote toujours d’une mémoire ou d’une capacité d’enregistrement. Sur la plupart des robots, on essaie de centraliser les informations dans une base de données unique pour comprendre et améliorer son développement. La mémoire de ce type la plus connue est la boîte noire (qui est en fait orange) embarquée par les avions. On appelle « log » les données enregistrées cumulées et datées qui servent à rejouer un comportement virtuellement pour l’analyser.

Une fois ces données captées, on peut les traiter de plusieurs manières : Soit on considère que la réaction à cette donnée doit être rapide et on la traite sur un composant dit « bas niveau » (micro-contrôleurs), soit on considère que la réaction nécessite un niveau d’interprétation important et on utilise un composant dit « haut niveau » (ordinateur embarqué).
Par exemple sur un quadricoptère, on va devoir prévoir des temps de réaction très courts face aux rafales de vent, en revanche on peut prendre le temps d’analyser la personne que l’on suit car elle ne disparaîtra pas de la scène en moins d’une seconde. Les calculs d’asservissement du robot qui gèrent les rafales seront donc dédiés à un micro-contrôleur pendant que les calculs d’analyse d’image seront effectués par le PC embarqué.

On s’en doute, l’électronique nécessite une alimentation. Mais là encore, une question doit se poser : Quel sera le niveau d’autonomie électrique du robot ? Fonctionnera-t-il sur batterie ? Quelle est sa limitation en poids ? Est-ce que je connais bien le fonctionnement de tel ou tel type de batterie ? Mon système est-il sécurisé ? (Certaines batteries peuvent exploser et tuer si elles sont mal utilisées).

Selon le type de robot que l’on conçoit, il faudra prévoir une façon de lui envoyer des ordres : Reconnaissance vocale, manette de jeu, ordinateur, gestes du corps, etc.
C’est ce que l’on appelle la station de contrôle ou station au sol.

Depuis l’idée du robot jusqu’à sa mise en marche, on le conçoit et réalise avec un ensemble d’outils contenus dans ce que l’on appellera la « station de conception et de développement ». Elle inclus tous les moyens d’usinage, de soudure, etc.

Enfin, pour faire communiquer toutes ces composantes du robot, il faut un ou plusieurs systèmes d’échange de données. Ces systèmes peuvent être des bus de données ou de simples fils. L’idée étant de sécuriser les communication pour qu’elles fonctionnent correctement dans l’environnement que l’on a choisi. Par exemple, le WiFi ne passe pas dans l’eau et un long fil a un fort taux d’atténuation de l’information.
Dans l’ensemble des tutoriels, nous nous baserons sur le schéma « Représentation technique d’un robot d’après Shy Robotics » pour expliquer chaque sujet. Les tutoriels en cours d’écriture portent sur l’analyse d’image et l’utilisation des cartes Ardupilotes (base Arduino). Les programmes dont nous parlerons pourront être greffés sur un robot.
A la semaine prochaine et vive la robotique !!!