LOCOMOTION ET MOYENS DE FRANCHISSEMENT DES ROBOTS TERRESTRES ET PLANETAIRES

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LOCOMOTION ET MOYENS DE FRANCHISSEMENT DES ROBOTS TERRESTRES ET PLANETAIRES

 

Les robots mobiles sont de petits véhicules automatiques construits pour réaliser une tâche précise : exploration planétaire, aide à lA recherche dans les catastrophes, surveillance.
Ils se doivent de franchir tout type de terrain et pour cela des modes de locomotion nouveaux ou améliorés voient le jour depuis une trentaine d'années dans les laboratoires. Des centaines (ou des milliers) de modèles de robots sont construits dont une petite quantité est commercialisée.
Pour trouver de nouveaux moyens de locomotion, certains chercheurs s'inspirent des êtres vivants qui eux n'emploient pas la roue ou la chenille.

I - ROBOTS A PATTES :

Robert J. Full, biologiste de Berkeley, étudie scientifiquement la locomotion des animaux dotés de nombreuses pattes : crabes, fourmis, cafards, mille-pattes, geckos et ses recherches sont utilisées pour la réalisation des robots à pattes. L'idée première est que les pattes permettent de franchir les obstacles que les roues refusent. Mais les robots à pattes se révèlent compliqués, lents et il leur faut souvent un terrain assez plat et dur.

Photo 1 : Bien qu'il existe des robots à une patte (au MIT Leg Laboratory), les robots 2 pattes plus performants sont représentés par le Honda Asimo, très abouti avec sa forme humanoïde imitant à la perfection la marche et la course de l'homme. Il monte et descend les escaliers mais s'il tombe, il semble ne pas pouvoir se relever mais les progrès peuvent être rapides.
http://www.youtube.com/watch?v=d-htzy0xZpo&mode=related&search

Photo 2 : Des modèles comme le Big Dog à moteur essence et pompes hydrauliques de Boston Dynamics peuvent marcher à 5 km/h avec 50 kg de fret sans se renverser et imiter le saut et la ruade du cheval : spectaculaire !
http://fr.youtube.com/watch?v=mBCVprX0WnY&mode=related&search
Le robot galopeur PAW à 4 pattes et roues de James Andrew Smith du Centre de Recherche Mc Gill ressemble à un véritable toutou.
http://www.youtube.com/watch?v=koTvt34b0AE
On peut signaler le Robofrog de la NASA qui est un robot sauteur.

Photo 3 : Précurseur renommé, Shigeo Hirose, Directeur de l'Institut de Technologie de Tokyo commença en 1976 ses recherches sur les véhicules à pattes avec Kumo I. S'ensuivit une série de robots marcheurs de toute sorte dont le Roller-Walker (1995 à nos jours) (photo) qui peut marcher mais aussi rouler avec des roues non motrices auto-adaptables au bout des pattes : grâce aux mouvements particuliers de ses pattes imitant un patineur écartant et resserrant ses patins, il avance et s'oriente.
http://www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/walking/rollerwalker/rollerwalker_e.html

Photo 4 : Le Lauron III, construit au FZI de Karlsruhe, avance grâce à ses 6 pattes à 3 degrés de liberté et ses capteurs de pieds à 3 directions. Un laser et un logiciel de reconnaissance des formes du terrain associés à de nombreux capteurs lui permettre une navigation locale en terrain non structuré.
http://haydn.upc.es/groups/arobots/legged_robots/default.htm
http://www-iri.upc.es/groups/arobots/legged_robots/default.htm
http://www.fzi.de/ids/projekte.php?id=18
Photo 5 : Le Rhex, des Université du Michigan et de Californie, est muni de 6 pattes qui tournent comme des roues. A l'image des cafards, il peut se déplacer partout et même à l'envers sur le sable, la boue, sur les rocs. Il peut aussi sauter, faire une cabriole arrière. Ce robot simple et vraiment tout terrain est une réussite. Une version amphibie existe et il est maintenant commercialisé.
http://www.bostondynamics.com/content/sec.php?section=RHex
Mentionnons le robot Rise à 6 pattes de la même Compagnie qui peut grimper sur des surfaces verticales grâce à des mini-griffes et des matériaux collants à l'image d'un gecko, lézard pouvant se déplacer sur les surfaces verticales.
http://www.bostondynamics.com/content/sec.php?section=RiSE

Photo 6 : Le Halluc II du Chiba Institute of Technology muni de 8 pattes articulées elles-mêmes munies de roues offre plusieurs possibilités d'avancement :
http://www.youtube.com/watch?v=1-0iXUZZFSg&mode=related&search=
http://www.youtube.com/watch?v=8KFXO2Hx4tw&mode=related&search=
Le Polypod 2 à 10 Pattes de Lynxmotion est un robot commercialisé.
http://www.robotshop.ca/home/suppliers/lynxmotion-en/lynxmotion-ep2-kt-polypod-segment-kit.html
http://fr.youtube.com/watch?v=nPXRw0Rr9Ug

II - ROBOTS A ROUES :

On peut remarquer tout d'abord un ‘Soft Spherical Robot' de l'Université de Ritsumeikan, sphère qui se déforme lentement pendant quelques secondes et tout à coup, elle saute !!, étonnant :

Photo 7 : Muni d'un système pneumatique, le robot à 2 roues Leg-in-Robot V permet également sauter sur ou par-dessus les obstacles. Deux roues électriques lui permettent de rouler sur terrain relativement plat. Il est conçu pour les secours dans des bâtiments encombrés de gravats avec un espace suffisant pour le saut.
http://www.cm.ctrl.titech.ac.jp/study/jump/home.html

Photo 8 : Shigeo Hirose a construit en 1995-97 un robot d'exploration planétaire à 3 roues omnidirectionel, le Tristar. Le chassis se déploie à la sortie du container et les roues sont expansibles.

Photo 9 : Nanorover d'exploration 4x4 articulé à roues en lamelles de ressort LAMAlice en 1999 à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).
http://asl.epfl.ch/research/systems/LAMAlice/lamalice.php

Photo 10 : Le système de suspension Rocker Bogie de Sojourner du JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA, est le plus connu grâce aux expéditions sur Mars. C'est un simple système passif à balancier.

Photo 11 : Le Marsokhod étudié à Saint Pétersbourg fut essayé aux USA et en France, en particulier à l'INRIA de Toulouse. Il a fait partie de l'Expédition Européenne Mars 1998, qui se solda par un échec. Complètement articulé passif, le chassis peut néanmoins s'allonger (inching system) pour faciliter le roulage sur les fortes pentes.
Photo 12 : Ce dernier a donné naissance au Iarès à l'INRIA de Toulouse. Muni de roues indépendantes, il peut rester horizontal sur les pentes.
Photo 13 : Le Shrimp de Bluebotics, entreprise affiliée à l'EPFL, est un 6x6 articulé original. Les articulations passives et les bras s'adaptent au profil du terrain. Conçu pour l'exploration des planètes, on a pensé aussi l'utiliser pour la mobilité des handicapés.
http://www.bluebotics.com/solutions/Shrimp/spec.pdf http://asl.epfl.ch/research/systems/Shrimp/videos/shrimp.mpg
http://asl.epfl.ch/research/systems/Shrimp/shrimp.php

Photo 14 : L'Athlete à 8 roues de Brian Wilcox du JPL de la NASA pour l'exploration de Mars peut gravir les pentes horizontalement grâce à de grands bras articulés.
http://www.youtube.com/watch?v=n_Bs8dAJsHE
Photo 15 : Le 8x8 Octopus de l'EPFL est muni de capteurs dans les jantes de roues pour commander le déplacement des bras articulés dans la direction qui surmonte les obstacles.
http://asl.epfl.ch/aslInternalWeb/ASL/publications/uploadedFiles/Octopuspaper.pdf
Photo 16 - Le Genbu, robot pompier de S. Hirose, peut avoir 20 roues motrices sur un chassis souple formé d'un tuyau d'arrosage.

III - ROBOTS A CHENILLES :

Photo 17 : Pas exactement chenillé, l'ELMS (Elastic Loop Mobility System) est le prototype d'un système d'exploration planétaire des années 70 et 80 constitué d'anneaux de roulement incurvés en titane. Ce nouveau concept gagne en alègement et en capacité de franchissement.
Photo 18 : Le robot Aurora de Automatika en Pensylvannie construit par Hagen Schempf en 1999, est constitué d'une chenille unique et directionnelle. Très original !
.Photo 19 : L'Université de Wuerzburg a construit ce robot, un Nanokhod à 2 chenilles plus un balancier articulé servant de contre poids, lui-même constitué d'une chenille. Il peut se déplacer sur les pentes horizontalement.
Photo 20 : L'Institut de Technologie Chiba construit l'Hibiscus. Il est muni de 2 chenilles centrales couvrant toute la largeur de l'engin. Quatre chenilles additionnelles à l'avant et l'arrière peuvent exécuter des rotations complètes et se comporter comme des pattes rotatives.
http://www.furo.org/robot/Hibiscus/movie.html
Photo 21 : Comportant 2 chenilles triangulaires, le SNR1 de l'AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) en possède une autre à l'arrière telle une queue articulée.
http://staff.aist.go.jp/kamimura.a/index.htm

IV - ROBOTS SERPENTS :

On peut citer tout d'abord un robot dont le déplacement copie celui des amibes qui font circuler des fluides à l'intérieur de leur corps. L'appareil créé par l'homme est doté d'anneaux se contractant et se décontractant provocant le déplacement sans pour autant être une vrai reptation.

Passons à la reptation : pour avancer, un serpent réel prend appuis sur des points à l'arrière de leurs courbes suivant les aspérités du terrain entre lesquels il se déforme et pousse sur ces points, ce qui provoque des réactions du sol sur le serpent et le font avancer. Ces points se déplacent en permanence car le serpent sent les aspérités du sol et exécute ses déformations en conséquence.

Des patineurs presque statiques rapprochant et écartant leurs patins provoquent les mêmes effets : ils se déplacent. On peut attribuer les premières recherches sur la reptation à Shigeo Hirose de l'Institut Technologique de Tokyo. Après étude du déplacement des serpents dès 1970, il a conçu l'ACM III (Active Cord Mechanism) et en 1972 pour la première fois au monde, un animal artificiel se déplaçait par reptation latérale.

Il construira par la suite le robot serpent ACM-R3 (2002) avec des articulations à 1 degré de liberté décalées de 90° commandées par un logiciel. Les roues passives (non motrices) ne sont là que pour faciliter le glissement.
http://www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/snake/acm-r3/acm-r3_e.html

Photo 22 : D'autres comme les Polybots du PARC (Palo Alto Research Center, filiale de Xerox), utilisent la reptation verticale comme les chenilles de papillons.
http://www2.parc.com/spl/projects/modrobots/videos/headturnsnake.mov
http://www2.parc.com/spl/projects/modrobots/videos/obstcourse.mpg
Nous mentionnons juste que les Polybots peuvent en outre se reconfigurer automatiquement en anneaux, en robots à pattes ou en réseaux pour s'adapter à l'environnement.
Les robots-serpents du PARC ont été perfectionnés par le Centre de Recherche de la NASA à Ames pour l'exploration planétaire. Les nouveaux modèles se comportent bien mais si le terrain devient chaotique, les points de contact avec le sol varient irrégulièrement et le logiciel gérant les déformations latérales ne s'y retrouve pas s'il ne connaît pas la position des points. On met donc des capteurs à chaque articulation pour ‘sentir' le sol. C'est ce que fait S. Hirose avec ses ACMR-4, mais aussi la NASA et ses concurents qui prévoient des capteurs à chaque articulation dans leurs robots serpents de 3ème génération.
Photos 23 et 24: Il semblerait qu'un logiciel adéquat soit en cours de mise au point mais en attendant, S. Hirose a eu l'idée de rendre motrices les roues de son ACM-R4. Ici, le robot peut alors monter sur une chaise sans vraiment ramper.
http://www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/snake/acm-r4/acm-r4.html

Photo 25 : C'est une solution plus facile que la reptation latérale et nombre de robots serpents comme les Soryu, Moira, Kohga, Swarm Bot, Millibot et les OT4 de l'Université du Michigan (photo) utilisent non pas des roues motrices mais des chenilles sur les quatre faces des 7 éléments, eux même munis de soufflets pneumatiques pour commander les articulations.
http://www.engin.umich.edu/research/mrl/00MoRob_6.html

Ce n'est plus de la reptation latérale mais les résultats sont là : grâce à leur grande longueur et leur petite section, associées à de nombreuses articulations contrôlées en tangage et direction, ils peuvent se faufiler mieux que n'importe quel mécanisme entre les décombres d'un immeuble et franchir de très gros obstacles par rapport à leur taille. Quelle que soit la forme du terrain, il y a toujours plusieurs points de contact avec le sol, les murs et/ou le plafond pour assurer leur propulsion. Ce système leur permet même de se retourner sur eux-mêmes latéralement grâce aux commandes d'articulations.

Dans le domaine de la locomotion terrestre, c'est actuellement la reptation, au vu de ses qualités de franchissement et de sa relative simplicité (organes répétitifs), qui semble promise à un bel avenir, certes assez lointain. Les recherches sont nombreuses dans ce domaine et un jour peut-être verrons-nous des véhicules de transport sous forme de longs trains tout terrain très mobiles. Ne se rapprocherait-on pas un peu d'engins d'une toute autre pointure, les trains de LeTourneau des années 50 et 60. ?


 

 

 

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