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ROBOTS
Article écrit par Philippe COIFFET
Prise de vue
Les outils et les machines ont souvent été pensés depuis longtemps, mais leur réalisation
physique ne pouvait alors aboutir en raison notamment de l'absence de techniques ou
matériaux disponibles pour les fabriquer ou pour dépasser le stade de la maquette. Il en est
ainsi de l'idée de robot qui n'a trouvé son nom que dans les années 1920 (comme conséquence
du succès de la pièce de théâtre du tchèque Karel Chapek : R.U.R. ou Rossum's Universal
Robots), pour désigner alors de petits êtres artificiels anthropomorphes répondant
parfaitement aux ordres de leurs maîtres, et sa première réalisation industrielle vers 1960
(cf. automate).
D'un point de vue scientifique, parmi les nombreuses définitions possibles du robot, on peut
retenir qu'il s'agit d'une machine dont l'état de perfection future lui permettra de rendre tous
les services qu'attend un homme d'un autre homme en matières d'actions matérielles. Et ce
service pourra être rendu par la machine soit de manière complètement autonome (robot de
substitution à l'homme), soit en collaboration avec un homme (robot de coopération). Le
chemin est encore long avant d'atteindre la perfection souhaitée, car la machine doit associer
des propriétés physiques complexes avec des propriétés intellectuelles non moins
compliquées. Cependant, les verrous scientifiques et technologiques sautent les uns après les
autres et on peut être très optimiste sur l'aboutissement de cette recherche.
Ce qui crée une sorte de rupture entre les machines « classiques » (machine à coudre,
moissonneuse-batteuse...) et le robot, c'est l'inspiration anthropomorphe qui préside à la
conception de ce dernier, laquelle s'est d'abord manifestée par une volonté d'imiter le bras
humain avec ses nombreuses articulations autorisant des gestes variés pour manipuler des
objets. Cette recherche de performance manipulatoire correspondait essentiellement à un
besoin pratique : d'une part, la manipulation de produits dangereux à distance, à la suite de la
découverte de la radioactivité ; d'autre part, la nécessité d'améliorer les transferts de pièces
d'un poste à l'autre dans les industries de production.
La recherche sur ces nouvelles machines a engendré deux conséquences principales. D'un
coté, elle est devenue une nécessité. En effet, ce dont on a besoin n'est pas une machine qui
accomplit des gestes comparables à ceux du bras humain, c'est une machine qui fait œuvre
utile en saisissant convenablement des pièces dans un lieu variable et en les reposant tout
aussi correctement dans un autre endroit, lui aussi évolutif d'une saisie à l'autre. Un tel
problème qui ne se posait pas avec les machines « classiques ». D'un autre coté, l'évocation
d'un aspect anthropomorphique fait rapidement rêver d'aller plus loin dans cette imitation
humaine, dans le contexte d'une technologie qui pourrait rapidement ne rien se refuser.
Depuis que le robot a donné lieu à une approche scientifique, après la Seconde Guerre
mondiale, on peut résumer l'histoire de ses développements en deux périodes principales.
Tout d'abord, l'époque de la robotique industrielle, qui s'étend jusqu'à la fin des années 1980.
Le robot industriel, caractérisé par son implantation à poste fixe, devient alors un outil
commun répondant correctement aux besoins de l'industrie et ses perfectionnements, continus
depuis lors, peuvent être considérés comme des améliorations utiles mais mineures comparées
aux progrès décisifs enregistrés antérieurement. La seconde période, depuis 1990, a vu la
recherche se focaliser sur les robots mobiles que l'on peut répartir en deux grandes tendances :
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– ceux dont le système de locomotion est un véhicule (terrestre, aérien, sous-marin etc.)...
L'objectif a trait à l'exécution de déplacements en mode automatique afin de reconnaître des
cibles, inspecter des installations, déminer, forer... ou simplement se déplacer comme les
voitures à guidage automatique. Ces véhicules peuvent être porteurs ou non de différents
outils d'action : des robots « classiques », des machines spéciales, des armes... Si
l'anthropomorphisme est présent, il concerne les propriétés de perception et d'intelligence ou
de raisonnement de la machine et ne repose pas sur une évocation de l'homme dans son
apparence physique.
– les robots humanoïdes et animaloïdes (ou zoomorphes) qui tentent de reproduire des
comportements humains ou animaux en conservant une évocation de l'aspect physique de
l'homme ou de l'animal en question.
Certes, la recherche sur les robots mobiles date de l'apparition de la robotique scientifique
(par exemple le robot Shakey du Stanford Research Institute, vers 1970), mais elle restait
handicapée dans ses résultats par la faiblesse des technologies disponibles et, par voie de
conséquence, par l'absence d'applications pratiques pour lesquelles ce type de robot aurait pu
donner satisfaction et trouver une promotion.
En ce début de xxie siècle, le tournant essentiel de la recherche en robotique se rapporte à la
préoccupation d'une meilleure connaissance de l'homme, tant dans son psychisme que dans
son corps, dans son comportement en société ou au travail, dans ses relations avec les
machines, afin de transposer ces connaissances sur les robots pour trouver la stabilité et la
convivialité avec les machines et préciser le rôle et la place adéquats de ces deux partenaires,
sachant par ailleurs que la technologie disponible et toujours en progrès autorise de nouvelles
ambitions. C'est ce qui explique que la biorobotique ait le vent en poupe et qu'une invasion de
robots à l'image de celle, récente, de l'ordinateur portable ne soit plus à exclure dans quelques
lustres.
I - Robotique
Dans les années 1970, quand les chercheurs ont commencé à réfléchir sur la conception de
robots, on appelait « robotique » la science des robots et/ou l'art de concevoir et fabriquer des
robots. Les succès des robots industriels, qui travaillaient initialement en poste isolé et qui ont
été intégrés à des chaînes de production comme des machines parmi d'autres, ont conduit le
public à élargir le sens du terme « robotique » et à le rendre désormais presque synonyme
d'automatisation. Le correspondant de robotique devrait naturellement être « automatique »
mais ce n'est pas le cas dans le langage courant. Pour compenser ce hiatus se sont créés le mot
« robotisation » et le verbe « robotiser » pour désigner la plupart des automatisations et leur
mise en œuvre, même en l'absence de véritables robots. Dans certains champs d'applications,
des mots calqués sur robotique sont apparus. Il en est ainsi de « domotique » qui désigne tout
ce qui concerne l'automatisation dans l'habitat ou « productique » pour tout ce qui a trait aux
moyens de production.
Aujourd'hui, la robotique est donc l'art d'automatiser des systèmes plus ou moins complexes
mais en s'appuyant sur le savoir-faire acquis par les études sur la conception de robots, savoirfaire issu des développements d'une branche de l'automatique générale. En effet, on constate a
posteriori que la structure d'une machine ou d'un système n'a pas besoin d'adopter la forme
physique de ce qu'on appelle généralement robot pour que son contrôle adopte les mêmes
composants que ces machines, à savoir : des capteurs internes pour la régulation, des capteurs
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externes pour connaître l'environnement, des moyens d'action motorisés, ainsi qu'une
informatique de commande pouvant faire appel à la programmation et aux techniques de
l'intelligence artificielle par exemple (cf. 2. Le robot industriel). Tous ces composants et leurs
actions peuvent être distribués dans l'espace au lieu d'être rassemblés ou de provenir d'une
seule structure. Par ailleurs, une collaboration de divers ensembles est possible aboutissant
donc à un système robotisé (on dit aussi système robotique) plus ou moins grand (les ateliers
flexibles en sont un bon exemple).
Contrairement à l'évolution de la machine « robot », la robotique ne se dirige pas vers
l'imitation du vivant ou vers son intégration (en dehors d'opérateurs surveillant le système ou
intervenant sporadiquement sur ce dernier). Elle offre des solutions à des problèmes concrets
par des moyens mécaniques ou informatiques sans inspiration anthropomorphique (pour le
moment).
Quoique les applications de la robotique soient nombreuses, c'est surtout pour les opérations
effectuées dans les usines qu'elle trouve son expression et son nom adapté à travers la
productique. Celle-ci consiste à associer divers types de machines, dont des robots, afin
d'améliorer la productivité. Cette association peut se faire de diverses manières en fonction
des opérations. Par exemple, dans le montage d'un ensemble complexe comme celui qui
conduit à la réalisation d'un véhicule, on fera les opérations successives en série (bien que
plusieurs chaînes puissent travailler en parallèle) et chaque poste de travail sera doté de l'outil
convenable, dont des robots qui travaillent soit automatiquement soit commandés par un
opérateur. Pour la fabrication de pièces manufacturées (par usinage, pliage, formage, perçage
etc.), on trouvera des cellules avec quelques robots pour les opérations de manutention et de
positionnement de pièces et des machines à commande numérique pour l'usinage par
exemple. La cellule robotisée est par essence flexible, c'est-à-dire qu'elle permet de fabriquer
(par lots peu importants) des pièces différentes mais nécessitant le même type d'opérations
avec des paramétrages adaptés suivant la pièce. Une cellule peut comporter des opérateurs
pour des tâches manuelles ou bien être entièrement automatisée. Dans ce dernier cas (FMS,
Flexible Manufacturing System), se pose le problème de la programmation du système. On
peut aujourd'hui faire la conception d'une pièce et programmer sa fabrication sur un système
adéquat en s'aidant de l'ordinateur (C.A.O., Conception assistée par ordinateur, et C.F.A.O.,
Conception et fabrication assistées par ordinateur, ou C.I.M., Computer Integrated
Manufacturing). Le programme généré par C.F.A.O. est directement celui ou le même
(émulateur) que celui qui va commander les machines du système de fabrication.
Naturellement, la conception d'un système de C.F.A.O. ne se limite pas à pouvoir réaliser un
ensemble qui fonctionne en étant fiable et sûr. Les impératifs économiques sont les premiers
qui s'appliquent pour, d'abord, faire le choix de ce mode de fabrication, puis pour déterminer
sa structure et son organisation afin qu'il soit rentable. Cette évaluation se fait par des
approches qu'on nomme « techniques de planning ».
De tels principes généraux ne se limitent pas aux industries mécaniques et à l'automobile. Ils
sont utilisés, par exemple, dans la production d'appareils électroménagers, dans l'industrie des
semiconducteurs, dans celle du meuble, de l'agro-alimentaire, de la chimie, des médicaments
dans la construction de bateaux ou d'avions... En fait, dès qu'il y a production de biens, et que
c'est possible et rentable, on trouve partout l'automatisation sous sa forme de robotisation
parce qu'elle amène une flexibilité de la production (c'est-à-dire l'élaboration, avec le même
système de production, de produits différents mais voisins) et l'adaptation en temps, volume et
nature du produit à la demande.
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La robotique, depuis la fin du xxe siècle, a tenté de sortir des usines pour s'insérer dans les
services : transport de matériels dans les hôpitaux, sécurité et surveillance, nettoyage des sols,
assistance chirurgicale (cf. encadré Robotique appliquée et chirurgie), jeux et distractions...
Les succès sont encore limités car une caractéristique du service est que la machine qui le
rend doit être mobile, ce qui pose des problèmes de reconnaissance de l'environnement qu'on
ne sait résoudre que dans des cas particuliers ou sous des contraintes qui permettent de se
passer de cette fonction. C'est cependant ce secteur qui devrait fortement se développer dès
que certains verrous scientifiques auront été levés (cf. 3. Le robot mobile, 4. Biorobotique).
Enfin, quant aux dimensions, on observe qu'à partir du robot « de base » transportant une
dizaine de kilogrammes dans un volume d'1 mètre cube environ, on est allé vers « le haut »
avec des robots transportant jusqu'à environ une tonne sur des distances de plusieurs mètres,
et vers « le bas » en élaborant de tout petits robots pouvant contrôler des déplacements de
l'ordre du micromètre dans quelques centimètres cubes, constituant ainsi ce qu'on nomme la
microrobotique. On a encore tenté de réduire d'un facteur 10 à 100 ces paramètres pour
arriver à la nanorobotique (cf. encadré La microrobotique) qui se fixe comme objectif la
maîtrise du nanomètre (10—9 m, soit un millième de micromètre). À ce stade, on ne peut plus
concevoir les robots à partir des principes de la mécanique classique. Ainsi, les forces
prédominantes ne sont plus électromagnétiques mais font appel aux forces électrostatiques et
aux forces de Van der Waals. En conséquence, la conception de ces machines relève de la
microélectronique avec, par exemple, des actionneurs taillés dans la masse de silicium avec
un rotor de quelques dizaines de micromètres (cf. microélectronique). Parmi les applications
visées, on peut noter celle de l'envoi et du guidage de ces nanomachines dans le corps humain
pour aller déposer des médicaments sur des zones très précises (cf. microsystèmes et
nanotechnologies).
II - Le robot industriel
Les différents composants
Structure mécanique
Le robot industriel est essentiellement un système mécanique articulé qui peut positionner et
orienter un outil porté par son extrémité, de manière quelconque et désirée, dans un certain
volume qu'on nomme espace atteignable du robot. Cet espace est celui qui est balayé par les
articulations.
Les articulations peuvent être disposées en série (robot série, qui peut évoquer la structure
d'un bras humain) ou en parallèle (robot parallèle). Le plus souvent, ce squelette possède six
degrés de liberté : les trois premiers permettent le positionnement et constituent le « porteur »
du robot ; les trois derniers forment l'organe terminal du robot et donnent la faculté
d'orientation. Le porteur peut présenter plusieurs géométries en fonction du choix de la nature
des articulations (translation ou rotation, fig. 1). L'organe terminal porte l'outil de travail qui
dépend des tâches que l'on désire réaliser. Il s'agit souvent de pinces à deux ou trois doigts que
l'on nomme préhenseurs. La plupart du temps, ces préhenseurs sont amovibles et peuvent être
remplacés à la demande par d'autres outils (perceuse, ponceuse...).
Source d'énergie et motorisation
Pour animer ce squelette, il faut bien entendu le doter de moteurs, appelés actionneurs, qui
doivent entraîner les articulations. Ils peuvent exploiter une énergie d'origine pneumatique,
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hydraulique ou électrique ; chaque type, associé à sa source d'énergie, a ses avantages et ses
inconvénients vis-à-vis des critères d'utilisation prévus pour le robot.
L'énergie pneumatique présente quelques attraits : elle est disponible dans les ateliers, sa mise
en œuvre est simple, le fluide n'est pas polluant, elle est bon marché et la maintenance des
systèmes pneumatiques est aisée. Mais elle possède des défauts non négligeables : les
actionneurs sont bruyants et le fluide est compressible, ce qui rend très délicate la réalisation
d'asservissements dans leur commande. On rencontre des actionneurs pneumatiques sur les
robots (ou manipulateurs) dits séquentiels, c'est-à-dire ceux dont les articulations se déplacent
d'une position sur butée à une autre position sur butée sans possibilité d'arrêt intermédiaire.
Les outils portés par les organes terminaux des robots sont souvent aussi à motorisation
pneumatique (pince, perceuse...).
L'énergie hydraulique est celle qui développe la force ou la puissance la plus grande par unité
de volume ou de poids d'actionneur. On la rencontre sur les robots devant déplacer des
charges supérieures au millier de newtons (100 kg). Elle nécessite la présence d'une centrale
onéreuse et a posé des problèmes d'étanchéité et de tuyauteries d'alimentation au niveau des
articulations du robot, aujourd'hui bien résolus. En effet, compte tenu des pressions de fluide
utilisées, les tuyaux deviennent rigides et introduisent des couples parasites s'opposant au
déplacement des articulations.
L'énergie électrique rencontre en général la faveur des utilisateurs ainsi que celle des
constructeurs de robots, surtout pour des charges inférieures à 1000 newtons, mais maintenant
même bien au dessus. Il n'existe pas de pollution ou de fuite ; la commande peut être précise
et fiable grâce à des asservissements robustes ; l'électricité, enfin, est présente partout.
Les actionneurs pneumatiques se présentent sous forme de vérins linéaires, ou même rotatifs,
alimentés via des distributeurs à clapet ou à tiroir monovoie ou multivoie. Il en est de même
pour les actionneurs hydrauliques où l'on rencontre des vérins linéaires à simple ou double
effet ou à effet différentiel, ainsi que des moteurs rotatifs accompagnés de leurs servovalves.
La plupart des types de moteur électrique ont été testés sur les robots. Les moteurs pas à pas, a
priori attrayants parce que semblant à l'avance numérisés, sont très difficiles à maîtriser, car
ils sont sujets à une influence considérable de la charge transportée, instables aux basses
fréquences et nécessitant une commande onéreuse. On leur préfère les moteurs à courant
continu à aimant permanent dont le couple de sortie, indépendant de la position et de la
vitesse du rotor, permet une intégration aisée au sein de boucles classiques d'asservissement.
Les transmissions assurent le lien entre les sorties mobiles des actionneurs et les articulations
à mouvoir. De nombreuses techniques sont utilisées : câbles, rubans métalliques, chaînes,
courroies crantées ou non, engrenages... Les transmissions sont une source de difficultés car
elles induisent des vibrations, des jeux et des frottements réduisant les performances des
robots. C'est pourquoi on utilise fréquemment la technique de l'entraînement direct qui
supprime les transmissions par insertion du moteur au sein de l'articulation, l'axe du moteur
devenant l'axe de l'articulation. Mais ceci exige un accroissement des performances du
contrôle.
Capteurs
Pour amener le robot dans une configuration articulaire désirée, c'est-à-dire à un endroit de
l'espace atteignable avec la bonne orientation, il doit, d'une part, adopter une trajectoire parmi
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une infinité possible, en évitant les configurations interdites pour des raisons mécaniques ou
de commande (singularités), choisir sa vitesse de déplacement et, d'autre part, « savoir » d'où
il part et quand il est arrivé à la dite configuration pour s'y arrêter. Pour cela, il faut des
capteurs qui renseignent à chaque instant sur la configuration du robot. On peut vouloir
connaître l'état du robot (les valeurs des articulations et leur vitesse instantanée) soit par
rapport à une configuration de référence, et les capteurs de position, vitesse ou même
d'accélération mis en place sont appelés capteurs internes ou proprioceptifs, soit par rapport à
l'environnement, ce qui est souvent nécessaire afin de saisir correctement des objets non
positionnés de manière immuable par exemple. Les capteurs utilisés sont alors dits capteurs
externes ou extéroceptifs.
Pour mesurer la position, tous les capteurs habituels peuvent être rencontrés sur les robots :
potentiomètres résistifs linéaires ou rotatifs, transformateurs différentiels, résolveurs, capteurs
capacitifs (pour des microdéplacements), capteurs optoélectroniques incrémentaux, codeurs
absolus... L'information sur la vitesse est obtenue à l'aide de génératrices tachymétriques
classiques ou bien par comptage d'impulsions ou bien par dérivation de la position. Les
capteurs d'accélération sont parfois remplacés par une dérivation de la vitesse.
En ce qui concerne le choix des capteurs externes, il est évident qu'il dépend du travail que
l'on souhaite confier au robot. Aussi bien, les constructeurs de robots ne peuvent avoir cette
information sauf pour une fabrication spéciale à la demande. Ainsi, les capteurs utilisables
comme capteurs externes sont réalisés par d'autres entreprises qui ne les conçoivent pas
spécialement pour les robots.
Capteurs extéroceptifs et système perceptif
Lorsqu'on utilise un robot doté seulement de capteurs internes, on doit aménager
l'environnement, programmer le robot et faire des essais afin de régler tous les paramètres qui
lui permettent d'aller précisément au bon endroit et d'exécuter la tâche souhaitée. Le robot
fonctionne alors en pur automate répétitif, sans différence de fond avec les automates anciens
de Vaucanson. Le gros inconvénient est qu'à la moindre dérive de configuration ou de
l'environnement, le travail ne s'exécute plus ; la pince par exemple ne saisit plus la pièce car
elle n'est plus en position correcte. Or il y a toujours des dérives, surtout avec le temps. Pour
remédier à cela il faut prélever de l'information sur l'environnement réel permettant de
corriger « en ligne » la trajectoire du robot. C'est l'objet des capteurs externes.
La question est alors : quelle information pertinente doit-on prélever ? Il est impossible de
répondre a priori puisqu'elle dépend de la tâche qu'on veut exécuter et de l'information déjà
disponible et engrangée dans la mémoire de la commande. Tous les cas sont possibles et
l'information pertinente peut être simple ou au contraire extrêmement complexe à extraire. Ce
que l'on souhaite, c'est que le robot « comprenne son environnement », ce qui génère trois
étapes : le prélèvement d'information, dans laquelle doit se trouver l'information pertinente,
celle dont on a besoin ; l'extraction de cette information pertinente, étape qu'on peut nommer
filtrage ; l'envoi de cette information au système de commande du robot qui va l'utiliser pour
la correction nécessaire de la trajectoire. Cet ensemble matériel et algorithmique constituera le
système perceptif du robot.
Un système perceptif faisant appel à des capteurs capables d'acquérir des informations à
distance (comme le fait notre vision) ou au contact (comme le fait notre toucher) peut être
d'un grand secours pour exécuter des tâches non complètement spécifiées à l'avance.
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Les capteurs au contact, nommés capteurs tactiles, sont utilisés pour la reconnaissance
géométrique de l'environnement (par palpation). Lorsque l'information à acquérir concerne
une force, un couple ou un moment, on parle de capteurs d'effort. Lorsque la mesure d'effort
est intégrée au capteur tactile, on parle de capteurs haptiques (le sens haptique chez l'homme
concerne le toucher et les forces qui s'y développent).
Les capteurs à faible distance, ou capteurs proximétriques, donnent des images de quelques
points de l'environnement local en utilisant des rayonnements infra-rouges ou ultrasonores ou
des variations de champ magnétique (pour les objets sensibles à ce champ). Les capteurs à
distance fournissent des images détaillées de l'environnement plus global. Ce sont tous les
types de caméras y compris celles qui enregistrent le relief. Les technologies de toutes ces
caméras sont en amélioration constante. S'y ajoutent toutes les techniques à base de laser en
faisceaux ou en nappes.
Système de commande
Tous les composants précédents (structure mécanique, moteurs et transmissions, capteurs
internes et externes) étant en place, il reste à les utiliser correctement : c'est l'objet du système
de commande du robot.
Il comporte nécessairement deux modules fonctionnels pouvant cependant s'appuyer sur la
même structure physique. Le premier module sert à l'apprentissage du robot. Lorsque cette
phase est terminée, le second module est mis en œuvre dans l'exécution de la tâche apprise.
Compte tenu des performances toujours plus élevées et des coûts toujours plus faibles de
l'informatique, tous les robots industriels contemporains ont une commande assurée
physiquement par des ordinateurs.
Le principe de fonctionnement
Un robot industriel peut posséder une, deux ou trois boucles de contrôle superposées, sans
compter la boucle de supervision qui passe par l'opérateur le cas échéant.
La première est la boucle de régulation interne que l'on rencontre sur toutes les machines
automatiques et qui met en jeu les asservissements des actionneurs. Lorsqu'une trajectoire à
parcourir (définie par une suite de positions de chaque articulation) est connue à l'avance, le
rôle des asservissements, en cours d'exécution, consiste à comparer à chaque instant la
position réelle de chaque articulation (grâce aux capteurs internes) avec sa valeur calculée, et
à agir sur le signal de commande des actionneurs afin d'annuler la différence. Les
asservissements les plus utilisés sont de type linéaire. Ceci signifie que le comportement du
système peut être représenté par des équations différentielles linéaires. Si cela est vrai pour la
plupart des machines, ce n'est pas le cas pour les structures mécaniques articulées des robots
dont les équations différentielles représentatives sont non linéaires. Mais, comme les
asservissements non linéaires s'avèrent difficiles et onéreux à réaliser ainsi que peu fiables, on
préfère conserver des asservissements linéaires en réglant très soigneusement leurs paramètres
(par exemple en fonction de la charge transportée), ce qui semble donner satisfaction. Tous
les robots possèdent cette boucle de régulation interne et le système de commande d'un
pourcentage élevé de robots industriels se limite à cette seule boucle. La deuxième boucle,
dite boucle réflexe, est une première boucle de prise en compte de l'environnement pour
modifier la trajectoire du robot. En général, elle est traitée à partir de forces détectées entre le
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robot et l'environnement. Mais ces forces peuvent être réelles ou virtuelles. Un exemple
d'utilisation de forces réelles est l'insertion dans un alésage situé dans l'environnement d'une
tige localisée dans la pince du robot. Lorsque les erreurs d'orientation et de positionnement de
la tige au bord de l'alésage ne dépassent pas un certain niveau, des capteurs d'efforts inclus
dans un système mécanique légèrement déformable appelé poignet compliant permettent de
calculer les corrections d'orientation et de position à effectuer sur la pince du robot pour que
l'insertion s'effectue correctement. Un exemple d'utilisation de forces virtuelles est l'évitement
d'obstacles à partir de capteurs proximétriques situés sur le robot. La distance détectée entre le
capteur et l'obstacle est traduite en forces ou couples à appliquer sur les actionneurs pour
s'éloigner de l'obstacle ou bien le suivre à distance. Ce système peut être utilisé « à l'envers »
pour, au contraire, se rapprocher de manière contrôlée d'un objet d'intérêt, pièce à saisir par
exemple. Un certain pourcentage de robots industriels est doté, souvent par l'utilisateur, de
telles boucles réflexes qui peuvent aussi servir pour la sécurité des personnes.
Dans une troisième boucle, qu'on peut nommer boucle de réflexion ou de raisonnement, on
part directement de la description de la tâche à accomplir (ce qui suppose un langage de
description de tâches) pour engendrer automatiquement le programme permettant de
l'exécuter. Un générateur de plan décompose la tâche en une succession de sous-tâches,
chacune d'entre elles pouvant se traduire sous forme d'une trajectoire ou d'une suite de
trajectoires exécutables. Mais cette analyse se fait hors ligne à partir d'une connaissance de
l'environnement donnée a priori ou acquise par des capteurs extéroceptifs dans une phase
d'apprentissage. Elle ne tient donc pas compte des perturbations immanquables qui se
produiront lors de l'exécution réelle de la tâche. Ainsi, les capteurs qui vont détecter et
permettre d'identifier ces dysfonctionnements en ligne doivent réagir sur le générateur de plan
pour qu'il modifie sa stratégie d'action. En cas de succès, on a une véritable auto-adaptation
du robot à son environnement. Ces procédures font appel aux techniques de l'intelligence
artificielle (cf. encadré Intelligence artificielle et robotique).
Dans la pratique industrielle, rarissimes sont les robots qui font appel à des générateurs de
plan. On préfère largement faire la programmation de la tâche par des moyens classiques ou
en utilisant les techniques de C.A.O. et laisser à l'opérateur la possibilité d'intervenir sous des
formes variées en cas de dysfonctionnement. La raison tient à la complexité, au peu de
fiabilité de ces générateurs, et, enfin, à ce qu'ils sont plus prévus et utiles pour des robots
mobiles que pour des robots à poste fixe (dont les tâches sont peu variées dans les
applications pratiques). L'intervention de l'opérateur peut aussi être considérée comme
prenant place au sein d'une boucle ultime, appelée boucle de supervision.
Apprentissage du robot
Un robot ne peut exécuter une tâche que si, dans une phase préliminaire, on lui a donné les
éléments permettant cette exécution. Ces derniers comportent deux parties :
– L'operating system, c'est-à-dire les programmes et algorithmes permettant d'accomplir des
actions de base ou primitives paramétrables et de les enchaîner. Cette partie est figée et
l'opérateur n'intervient pas sur elle.
– Les éléments qui varient d'une tâche à l'autre, c'est-à-dire l'enchaînement ad hoc des
primitives et les valeurs des paramètres de chaque primitive. Cette partie est à la charge de
l'opérateur, et la manière dont ces éléments sont introduits constitue le mode d'apprentissage
du robot.
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Le développement exponentiel de l'informatique a conduit à une expansion de l'usage de la
C.A.O. pour programmer les robots. Cela offre l'avantage de ne pas immobiliser un robot
pendant son apprentissage puisque la programmation se fait hors ligne, en utilisant un
simulateur de comportement du robot en question et non le robot lui-même. Si le simulateur
est fiable, c'est-à-dire fidèle par rapport au robot physique, le programme généré par
l'opérateur avec le système de C.A.O. est identique au programme de commande du robot réel
et peut être directement transféré dans la console de commande du robot. Il n'est cependant
pas rare que de petits ajustements soient nécessaires a posteriori, le simulateur n'étant pas
absolument parfait.
Avant l'apparition et la généralisation des systèmes de C.A.O. pour cette application,
l'apprentissage se faisait avec le robot lui-même grâce à des commandes manuelles (lesquelles
restent présentes sur les robots en cas de nécessité). Ces dernières pouvaient prendre des
formes variées : « bras maître » de même morphologie que le robot (appelé en la circonstance
« bras esclave ») ; manche à balai ou joystick possédant le même nombre de degrés de liberté
que le robot ; pantin, structure légère ayant la même géométrie que le robot à commander. La
méthode d'apprentissage la plus ancienne consistait à saisir manuellement l'organe terminal du
robot et à lui faire décrire la trajectoire désirée. Un système mémorisait en permanence les
valeurs des articulations, ce qui autorisait, postérieurement, une recopie des mouvements.
Performances, classifications, usages
Les performances d'une machine s'évaluent à l'utilisation mais on doit les prévoir dès la
conception en n'oubliant aucun paramètre déterminant. Ceci n'est pas possible avec les robots
de par leur structure mécanique articulée qui engendre une précision et un temps d'exécution
dépendant de la partie de l'espace atteignable où l'on travaille, des trajectoires utilisées pour y
arriver, et enfin de la charge transportée. Par ailleurs, deux robots réputés identiques n'ont en
fait pas exactement les mêmes performances (comme les voitures...). Les constructeurs
garantissent donc des performances moyennes ou minimales tout en vendant les robots à
partir de leurs performances maximales (comme les voitures...).
Dans la phase de développement des robots industriels, approximativement entre 1975 et
1985, le problème de la normalisation s'est posé, et ceci de manière d'autant plus aiguë qu'à
cette époque on comptait plus de 300 constructeurs de robots de par le monde. En 2006, il
n'en restait qu'une dizaine, les trois quarts étant japonais. Ce problème s'est traduit, entre
autres, par la nécessité de classer les robots puisqu'ils étaient largement différents dans leurs
dimensions, dans leur nombre de degrés de liberté, dans les charges transportées, dans leurs
moyens de commande, dans leur rapidité et précision... Les progrès technologiques et surtout
ceux de la commande informatique ont rendu désuètes et inutiles ces classifications dont la
plus connue était celle qui était proposée par la J.I.R.A. (Japan Industrial Robot Association).
En 2006, plus d'un million de robots industriels étaient en service de par le monde. Outil
généralisé des constructeurs automobiles pour l'assemblage, la peinture, la soudure par points,
etc., on les rencontre aujourd'hui dans de très nombreuses autres industries ou services. Ainsi,
des camions sont souvent équipés de robots hydrauliques à commande manuelle pour le
chargement et déchargement des marchandises.
III - Le robot mobile
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Même si l'industrie a besoin de mobilité, elle résout facilement ce problème avec les véhicules
filoguidés ou sur rails etc., les conditions d'exploitation (atelier flexible par exemple)
permettant un aménagement de l'espace. Aussi, on ne saurait y parler de véritables robots
mobiles, lesquels sont caractérisés par la recherche de trajectoires variables et non définies à
l'avance, posant ainsi des problèmes bien plus complexes que le robot à poste fixe. En effet,
ce dernier se trouve dans un environnement a priori figé, avec de faibles variations
correspondant soit à la succession des opérations d'exécution de la tâche soit à des
perturbations limitées. On peut instrumenter cet environnement et/ou l'aménager pour limiter
ou supprimer l'information qu'y doit prélever le robot pour exécuter sa tâche, d'où la relative
simplicité de son système de commande. Par ailleurs ce robot est accessible à l'homme qui l'a
« sous la main » pour le contrôler, le surveiller ou le réparer.
À l'opposé, le robot mobile, par nature, se caractérise par son éloignement de l'homme et par
un environnement en permanence évolutif, ce qui engendre deux classes de problèmes dont
les solutions efficaces en mode automatique n'existent encore que dans des cas particuliers
fortement contraints (ou fortement simplifiés par rapport au cas général).
Distance homme-robot
La situation dans laquelle le robot est éloigné de l'homme se manifeste suivant deux type de
cas :
– dans le premier, le robot est à poste fixe mais dans un lieu interdit d'accès à l'homme par les
dangers que présente le milieu (eau, vide, radioactivité, risque d'explosion...). C'est
typiquement le cas des milieux dits nucléaires où le problème de l'intervention se pose depuis
longtemps (dans les centrales, par exemple) et a dû être résolu avec les moyens disponibles à
chaque époque. Le mode d'intervention commun est connu sous le nom de téléopération ou
télémanipulation.
– dans le second, le robot est véritablement mobile, ce qui soulève deux types de difficultés.
Soit le véhicule a pour seule mission l'inspection de lieux à des fins de reconnaissance. Dans
ce cas, deux questions se posent : celle de la reconnaissance du terrain ou de l'environnement
pour être capable de progresser ; celle de la reconnaissance de « la bonne route » et des
« cibles » imposées par la mission. Soit le véhicule est, de plus, doté d'outils afin d'exécuter
des tâches physiques déterminées dans des lieux bien précis (prélèvement d'échantillons,
d'objets, démontage, assemblage etc.). Ceci est aussi le cas des robots qui devraient se
comporter correctement au milieu de la société humaine (robot « domestique »). Les
problèmes de contrôle et de reconnaissance s'en trouvent considérablement complexifiés
puisque c'est comme si on avait un robot pour agir sur l'environnement monté sur un robot de
transport, les deux devant agir de manière coordonnée pour n'en plus faire qu'un.
Dans tous les cas, on doit considérer le système tripartite : robot-environnement-opérateur
humain avec ses interactions. Le niveau d'automatisation de l'exécution des tâches par le robot
dépend des informations pertinentes exploitables. Ces dernières peuvent pour partie être
stockées à l'avance ou prélevées en ligne et réparties dans la mémoire de l'ordinateur de
commande et/ou dans le cerveau de l'opérateur humain. Une partie peut aussi n'être accessible
ni au robot ni à l'opérateur, ce qui oblige à tester des hypothèses (avec le risque qu'aucune ne
soit valide). La répartition et le niveau de complétude des informations pertinentes accessibles
limitent le niveau d'automatisation. En effet, pour réaliser une tâche, il est nécessaire de
disposer d'un certain nombre d'informations. Toutes ces informations peuvent être acquises
10
avec des capteurs ou engrangées à l'avance. Lorsque certaines d'entre elles ne peuvent être
obtenues par ces moyens, il est impossible d'automatiser complètement le système et l'homme
doit rester présent pour compenser ce déficit. La complétude de l'information pertinente est
donc impérative pour une automatisation intégrale de l'exécution d'une tâche. Le niveau
d'automatisation est donc éminemment variable et fonction de chaque cas particulier, non
seulement d'un cas à l'autre mais tout au long de l'exécution d'une tâche. Ainsi cette exécution
peut passer par les quatre stades : impossibilité d'exécuter l'opération prévue, commande de
l'opération (à distance) totalement à la charge de l'opérateur (commande manuelle),
commande de l'opération totalement automatique, commande de l'opération par coopération
homme-robot.
Solutions classiques
Les systèmes de télémanipulation pour le nucléaire, qui furent développés dès la fin de la
Seconde Guerre mondiale, furent conçus comme deux bras de robots motorisés et
symétriques, à six degrés de liberté, reliés par des transmissions à câbles (limitant de facto
leur distance à deux ou trois mètres). L'un, appelé bras maître, était manipulé par un
opérateur. L'autre, appelé bras esclave, reproduisait les mouvements appliqués au bras maître.
Le retour d'information visuelle vers l'opérateur se faisait par vision au travers d'une fenêtre
protectrice des rayonnements et par des jeux de miroirs. Le système étant mécaniquement
réversible, le retour d'information des efforts était naturellement transmis par la mécanique à
câbles. On arrivait ainsi à manipuler des objets à courte distance, mais péniblement et
lentement.
Une importante amélioration se produisit, au milieu des années 1970, lorsque les
transmissions devinrent électriques, permettant d'agir à plusieurs centaines de mètres, la
limitation venant des longueurs limités des câbles, l'information visuelle de retour à
l'opérateur bénéficiant de caméras embarquées et asservies sur la zone mobile de
manipulation et l'information d'effort étant rétablie par des retours de couples artificiels
adéquats. Toutefois, ces retours visuels sur écrans ne rétablissant que très mal la situation
tridimensionnelle de la zone de travail, la manipulation restait délicate et exigeait un opérateur
très entraîné. Dans les années 1980, l'informatique a permis de mettre en œuvre des systèmes
de téléopération assistée par ordinateur (T.A.O.) ce qui, entre autres conséquences, a fait sortir
la téléopération du seul champ étroit des applications nucléaires.
Nouvelles approches
Les nouvelles approches sont issues des développements très importants des technologies de
l'information et de la communication, et d'une meilleure compréhension du couple « hommemachine » qui permettent de fusionner les deux problèmes évoqués plus haut de la distance à
l'homme et de la compréhension en ligne de l'environnement. Elles font appel à la notion de
simulation, aux techniques de réalité virtuelle et à la prise en compte de nouvelles dimensions
de l'opérateur humain dans son interaction avec la machine.
Locomotion
Par définition, un robot mobile doit être doté d'un système locomoteur. Ce dernier comporte
deux parties : la source d'énergie, qui permet la propulsion, et le système locomoteur
proprement dit, qui utilise cette énergie pour progresser.
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Les robots aériens, marins, sous-marins, spatiaux utilisent les moyens classiques propres à
leur milieu spécifique. On peut diviser les robots terrestres en trois catégories : ceux qui
utilisent des parcours aménagés (route, rail...) et dont la locomotion est bien classique et
connue ; ceux dits « tout-terrain » qui devraient en principe se mouvoir en environnement
naturel et qui utilisent des équipements du type chenilles ou roues et chenilles etc. (en fait, ils
se trouvent impuissants dans la plupart des reliefs) ; enfin ceux qui s'appuient sur des modes
de locomotion inusuels avec l'ambition de se déplacer sur toute sorte de terrains, quelles que
soient leurs difficultés. Ce sont surtout ces derniers qui sont étudiés en robotique car ils
doivent concilier des déplacements à l'intérieur de bâtiments (monter des escaliers par
exemple) avec des déplacements en extérieur sur des terrains non préparés et accidentés
(fossés, boue, montagne...).
D'un point de vue conceptuel, si on cherche à fabriquer une machine pouvant se promener
« n'importe où », il faut d'abord répertorier ou imaginer l'ensemble des cas de figure des
terrains qu'elle pourra rencontrer et générer un système ad hoc, ce qui s'avère extrêmement
difficile pour le déplacement terrestre en milieu non préparé (puisque même les véhicules
militaires prévus pour cela se trouvent souvent en échec). Cependant, si le milieu d'évolution
est très spécifique, il est possible de trouver une solution. C'est le cas des robots qui doivent
inspecter ou réparer des tuyaux en progressant à l'intérieur par exemple. Bien entendu, sorties
des tuyaux, ces machines ne sauraient se déplacer.
Une autre approche conceptuelle consiste à se demander s'il existe des êtres vivants qui
arrivent à aller à peu près n'importe où et à savoir si on peut imiter leur système de
locomotion, voire l'améliorer en s'inspirant d'eux. Or de nombreux types d'animaux ont cette
propriété tels les serpents, les insectes non volants, les araignées, certains mammifères
quadrupèdes, certains oiseaux marcheurs, et, bien sûr, l'homme (cf. 4. Biorobotique).
C'est pourquoi, en matière de locomotion, l'accent de la recherche est mis sur les systèmes à
pattes (bipèdes, quadrupèdes, hexapodes, robots rampants), ainsi que sur des combinaisons du
genre « multisystème de locomotion » permettant de mettre en œuvre le mode qui s'adapte le
mieux au terrain traversé (par exemple, multisystème « roues et pattes » ou « chenilles et
pattes »...).
Compréhension de l'environnement et de la tâche à réaliser
En supposant que le robot soit capable de se déplacer, il reste la question essentielle de son
utilité, c'est-à-dire de sa capacité à remplir une mission. Si celle-ci ne relève que de la prise
d'information, de l'inspection, il faut néanmoins que la machine se dirige correctement vers la
zone à inspecter. Le robot doit donc savoir où il est par rapport à deux références : celle de
l'opérateur et celle de sa destination. Si on suppose le robot totalement autonome, on
commence par lui donner une sorte de carte a priori et l'endroit où il doit se rendre.
L'élaboration du chemin suivi sera effectuée par le robot à partir d'un générateur de plan
prenant en compte toutes les informations disponibles a priori. Elle sera mise à jour en ligne
en fonction des obstacles qu'il va rencontrer et devoir contourner ou des repères l'aidant à se
guider. Pour connaître, à chaque instant, la localisation du robot, on utilise des systèmes de
GPS devenus très précis. Plusieurs approches algorithmiques de mise à jour du parcours ont
été étudiées. Les plus récentes utilisent le but à atteindre comme un attracteur du robot. La
notion d'attracteur est bien connue en mathématique. Dans le cas du robot, on peut prendre
comme image celle de la boussole dont l'aiguille renseigne en permanence sur la direction du
pôle nord qu'on peut considérer comme un attracteur si le robot adapte en permanence sa
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direction de progression suivant l'indication de la boussole. Le pôle nord est remplacé par la
situation du but géographique à atteindre qui est donnée au robot. Ce dernier se dirigera
toujours vers ce but tout en négociant les obstacles l'obligeant à des contournements.
Mais au-delà de cette vision théorique, le robot ne saurait progresser sans avoir et utiliser en
permanence des informations sur son état d'équilibre cinématique et dynamique, sur la nature
du terrain et sur les éventuels obstacles de son environnement (rocher, arbre, mur...). Son état
lui est fourni par l'ensemble de son système proprioceptif. La nature du terrain nécessite un
ensemble de capteurs extéroceptifs de contacts délicats à bien implanter. La détection des
obstacles peut se faire également avec des capteurs de contacts, de force, des capteurs
proximétriques et des systèmes de vision. Le point difficile réside dans le choix de ces
capteurs, dans le choix de leur implantation et dans leur exploitation car la décision à prendre
concernant le mouvement suivant va résulter d'une analyse de toutes les informations.
Lorsque le robot arrive dans la zone désirée, sa véritable mission d'inspection peut
commencer. Le cas de figure le plus simple a trait à l'usage de caméras diverses qui renvoient
des images à un opérateur. C'est alors, de fait, l'opérateur qui inspecte et peut orienter
convenablement les caméras ou même commander manuellement le robot sur de très courtes
distances. Dans certains cas, on souhaite que l'inspection soit automatique. C'est le cas, par
exemple, pour un robot sous-marin devant suivre et inspecter la côte d'un lac ou d'une mer. Il
faut alors passer par des traitements d'images, souvent tridimensionnelles, en provenance de
capteurs à la technologie adaptée (caméras à ultra-sons ou optiques ou lasers...) dont la variété
n'a d'égale que leur complexité d'exploitation.
Lorsque le robot doit ajouter à une fonction d'inspection une fonction d'action sur
l'environnement, le problème à résoudre devient encore plus complexe, et, à l'exception de
quelques cas de travail très simple en matière de robotique spatiale, il n'est pas encore
convenablement résolu si on exclut l'opérateur humain de la boucle de commande/contrôle.
Cela suggère d'ailleurs de nouvelles orientations en matière de coopération homme/robot.
Pour agir, il faut que le robot soit bien « positionné », ce qui implique que sa partie
« véhicule » soit placée de telle sorte que le volume atteignable (en position et orientation) par
l'outil qui va agir englobe l'objet d'intérêt (objet sur lequel il doit agir). Outre la
reconnaissance de la nature de l'objet d'intérêt, il est nécessaire d'avoir une reconnaissance
géométrique et dimensionnelle. On retrouve l'exigence de la présence d'un système
extéroceptif multicapteurs et celle d'une exploitation des informations alliant traitement
d'images, mesures de distance, mesures de couples et de forces etc. Ces systèmes restent
encore à l'état d'études ou de prototypes. Dans les applications pratiques, l'opérateur humain
joue le rôle principal et tout travail ainsi téléopéré demeure délicat et long.
La question de fond ou le problème décisionnel
Avec le système robot-homme-environnement, on est en présence de trois agents qui
interagissent : l'environnement est généralement passif mais réactif ; le robot n'a d'initiative
que celle qu'on sait lui donner ; l'homme possède la plus haute capacité d'analyse et
d'adaptativité. On pourrait néanmoins désirer se diriger vers un système suffisamment habile
et intelligent qui fonctionnerait sans la présence de l'homme (pour l'ensemble des tâches
complexes et variées généralement exécutées par un homme). Or ceci n'est ni encore possible,
ni peut-être souhaitable dans sa totalité. Dans l'état actuel des connaissances, la machine
restera limitée tant physiquement que mentalement et restera sensible à des
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dysfonctionnements et des pannes pouvant entraîner des conséquences graves. Même
supposée aussi performante que l'homme, elle restera limitée, comme l'homme qui fait des
erreurs et est sujet à des accidents (il n'y a pas de risque « zéro »). Cependant, il est possible
de transférer une partie déterminante des décisions de l'homme vers le robot. En conséquence,
la question qui se pose est la suivante : quels rôles et « responsabilités » doit-on attribuer
respectivement à la machine et à l'opérateur humain en matière de décisions d'actions dans la
conduite du système robot-homme-environnement ?
Cette question n'a pas encore trouvé de réponse scientifiquement inattaquable. D'un coté, les
tenants de l'intelligence artificielle posent comme principe que les propriétés du cerveau
humain sont parfaitement imitables et remplaçables par l'informatique. De l'autre, on a
l'expérience de catastrophes qui ont pour origine des erreurs humaines successives qui
auraient pu être évitées par une automatisation plus poussée du système en cause, et des
exemples opposés où l'automatisation a créé des situations dangereuses qu'on aurait pu éviter
par des reprises manuelles. Cette question est d'autant plus d'actualité à l'heure où l'avion de
ligne entièrement automatisé (sans pilote) est parfaitement réalisable d'un point de vue
technologique et fait l'objet de vifs débats entre les tenants et les adversaires de cette solution.
En ce qui concerne le robot mobile, le problème apparaît de la manière suivante. Pour
certaines missions, ou certaines parties non négligeables à l'intérieur d'une mission, on est
capable de réaliser des systèmes au comportement totalement autonome. La question
précédente se pose donc principalement pour des questions de sécurité ou de modification de
mission au cours de son exécution. D'autres missions sont trop complexes pour élaborer leur
automatisation totale. L'homme restera dans la boucle d'abord pour cette raison. De toute
manière, ce que l'on désire ce sont des robots efficaces, sûrs et conviviaux avec l'homme, ce
qui n'implique pas obligatoirement un comportement totalement autonome.
Interface homme-machine
L'informatique, dans son développement exponentiel en matière de capacité mémoire, de
vitesse de fonctionnement, de réduction de volumes et de coûts, a rendu l'essentiel des
machines multifonctionnelles, mais, en retour, a généré des difficultés nouvelles en matière de
convivialité avec l'homme ou de facilité d'usage. Ce problème d'ergonomie des machines a
pris de l'ampleur et est devenu une préoccupation importante des utilisateurs qui est renvoyée
aux concepteurs.
Pour les robots, la difficulté de conception d'une interface avec l'homme est d'autant plus
grande que s'y ajoute impérativement, par rapport aux machines « classiques », la prise en
compte du problème décisionnel exposé plus haut (à chaque instant, à qui confier la
commande de la machine ?) Par ailleurs, les conditions souhaitées d'utilisation du robot ont
une grande influence sur la conception de l'interface. En effet, dans de nombreuses
applications, le souhait peut être de minimiser le rôle de l'homme pour favoriser une
exécution de tâche plutôt automatique. Mais si le robot est destiné à être un « partenaire » de
l'homme et à exécuter des tâches au milieu des hommes, l'interaction avec ces derniers
devient un objectif et la qualité de l'interface est alors primordiale.
Le rôle général d'une interface est d'informer l'opérateur sur l'état du système robotenvironnement de telle manière que cet opérateur puisse réagir correctement sur la commande
du robot (en s'appuyant aussi sur d'autres connaissances relatives au passé, au présent et au
futur projeté du système robot-environnement). On peut aussi dire que l'interface informe
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l'opérateur sur l'état de la tâche en cours d'exécution (par le système robot-environnement)
pour que, en retour, cet opérateur soit à même de faire progresser correctement l'exécution de
cette tâche. L'interface a donc deux fonctionnalités : information dans le sens robot vers
opérateur et commande en retour dans le sens opérateur vers robot.
La conception d'interface doit ainsi répondre aux questions suivantes : quelles informations
sont-elles à prélever sur le système robot-environnement et comment les transmettre et les
présenter à l'opérateur ? Sur quels actionneurs du système robot-environnement l'opérateur
doit-il pouvoir agir en retour et au travers de quels moyens ? Il s'agit donc de résoudre le
problème de la détermination des informations à prélever et à transmettre, et des possibilités
technologiques de le faire, puis celui de la détermination des actionneurs et des possibilités
technologiques d'agir via l'homme sur eux, en considérant comme critères l'efficacité de cette
boucle de commande et, parmi les conditions de cette efficacité, la bonne adaptation à
l'homme de l'interface, c'est-à-dire le respect de son ergonomie physique, sensorielle et
mentale. Il tombe sous le sens que la nature du robot et de son usage particulier vont
influencer grandement les choix de conception de l'interface.
Bien qu'il soit très difficile de concevoir une interface « universelle », la complexité des
projets d'utilisation de robots mobiles amène à se pencher sur ce sujet et les travaux les plus
récents s'appuient sur les techniques de réalité virtuelle.
Réalité virtuelle
Le principe de la technique dite de réalité virtuelle s'appuie sur la simulation interactive de
scènes. Ce sont, là encore, les progrès en matière d'informatique qui ont permis son
émergence après 1990, sa maîtrise n'étant pas encore totale aujourd'hui.
Si le principe de la simulation informatique d'une scène ou d'un processus et de sa
visualisation pour un utilisateur est relativement ancien, l'interactivité scène-opérateur est une
donnée nouvelle aux conséquences importantes.
La caractéristique de base de la réalité virtuelle est la possibilité d'immersion de l'opérateur
dans un monde créé informatiquement, c'est-à-dire que l'opérateur va ressentir l'impression ou
même croire qu'il se trouve au sein d'un monde nouveau, le monde artificiel, qu'il va y évoluer
et interagir avec lui comme s'il s'agissait d'un monde réel.
La condition de l'apparition d'un tel phénomène est simple sur le plan des principes mais
complexe à réaliser avec quelque perfection. En effet, on comprend que si le monde virtuel
envoie à l'opérateur, dans leur totalité, les mêmes signaux sensoriels que ceux qui seraient
émis par le même monde, mais réel, et si le monde virtuel réagit aux commandes de
l'opérateur de la même manière que le ferait le même monde réel, cet opérateur ne peut plus
distinguer le monde réel et le monde virtuel équivalent et peut se croire à l'intérieur d'un
nouveau monde bien réel alors qu'il ne s'agit que d'une illusion.
L'homme appréhende le monde réel grâce à son système sensoriel complexe, dont tous les
secrets ne sont pas encore connus (en particulier le lien entre une excitation sensorielle et son
interprétation par le cerveau). Ce système naturel présente la particularité de faire coopérer les
différents sens pour décrypter le monde, et cette coopération aussi n'est pas encore bien
identifiée. Le monde virtuel peut cependant s'adresser à l'opérateur via sa vision – images
tridimensionnelles rétablies au travers d'un casque de visualisation (H.M.D., Head Mounted
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Display) ou d'un C.A.V.E. (Cave Automatic Virtual Environnement), enceinte où des images
sont projetées sur tous les murs (y compris plafond et plancher) et à l'intérieur de laquelle se
tient l'opérateur, ou encore d'autres systèmes – via son sens du toucher et des efforts (sens
haptique), au travers de gants de données à retour d'efforts (dataglove) ; via son audition (son
tridimensionnel à distinguer du son stéréoscopique : la source de son doit rester fixe dans
l'espace quand l'opérateur se déplace alors que la source de son stéréoscopique reste fixe par
rapport à l'opérateur quand ce dernier se meut) ; via même son odorat (émissions adéquates
d'odeurs)...
Quant à l'action que doit développer l'opérateur sur le monde virtuel, elle peut passer par bien
des systèmes de commande et aussi par des ordres oraux. Le système le plus général est le
dataglove (gant instrumenté porté par l'opérateur) qui permet de « toucher » les objets de la
scène virtuelle, de les saisir et les déplacer, et de réaliser toutes les manœuvres ordinaires sur
des objets en les ressentant comme s'ils étaient réels, avec leur propre élasticité.
La technologie sur tous ces points souffre encore d'imperfections. Les ordinateurs doivent être
très puissants pour traiter des images très complexes en temps réel par exemple. Un autre
handicap est la méconnaissance du fonctionnement de l'intégration des sens chez l'homme qui
lui permet d'identifier naturellement le monde. Par ailleurs, un sens comme le toucher est
distribué sur tout le corps de l'homme et pose des difficultés techniques de rétablissement
adéquat. Enfin, plus on veut exciter de sens chez l'homme, plus il faut de capteurs et ceci se
traduit par un harnachement de l'opérateur qui peut annuler l'effet recherché d'immersion dans
le monde virtuel. On cherche aujourd'hui à n'équiper l'opérateur que de capteurs qui
fonctionnent sans contact.
Quoi qu'il en soit, l'usage de la réalité virtuelle préfigure l'interface idéale homme-robotenvironnement. Elle permet en particulier d'ouvrir une piste pour la commande/contrôle de
robots situés à distance. En effet, dans ce cas, le monde virtuel va être une copie pertinente et
en permanence remise à jour de la scène à distance concernant le robot et son environnement.
L'opérateur est immergé dans cette scène et se trouve ainsi artificiellement près du robot et
dans son environnement immédiat, grâce à l'interface. Il devient donc à même d'agir à bon
escient sur la commande du robot par ce moyen. Les moyens de commande en eux-mêmes
peuvent être très variés.
L'utilisation de la réalité virtuelle permettant l'accès virtuel à des lieux inaccessibles a ainsi
engendré le concept de téléprésence et même, au-delà, celui de téléexistence, deux nouveaux
domaines de recherche actifs. Avec la téléprésence l'opérateur est artificiellement transporté
sur la scène d'intérêt pour les tâches ; avec la téléexistence, l'opérateur, est, de plus,
virtuellement transporté « dans » le robot qui travaille à distance ; il devient le robot et ressent
donc les limites de ce nouveau corps.
IV - La biorobotique
S'il est une chose claire en robotique scientifique, c'est la suivante : on cherche avec une
machine, si possible automatique, à réaliser des tâches qui, jusqu'ici, étaient exécutées par des
hommes, soit à mains nues, soit en s'aidant d'outils manuels simples et passifs. Cette
substitution à l'homme ne saurait se faire sans rappel des fonctions et caractéristiques de
l'homme. Le développement de la robotique se trouve donc entraîné, peut-être par manque
d'imagination, sur un terrain qui croise des données de l'anthropomorphisme dont celles ayant
trait au fait que l'homme est un être vivant.
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Un pas décisif dans cette direction est initié par l'évolution des tâches qu'on souhaite confier
au robot. On est passé de tâches industrielles à poste fixe, relativement répétitives et
programmables à l'avance, à des missions où l'adaptation permanente et immédiate du robot
aux nouvelles données d'un environnement relativement inconnu à l'avance exige des
capacités physiques, sensorielles et mentales de plus en plus proches de celles de l'homme.
Par ailleurs, une autre ambition récente de la robotique est l'intégration des robots dans un
environnement humain. On constate alors qu'agir dans cet environnement est plus aisé si le
mode de locomotion du robot offre les mêmes performances que celle de l'homme, en volume
occupé, en agilité et en capacité de franchissement d'obstacles divers. Il n'y a certes pas que la
locomotion bipède humaine (que l'on transforme parfois en locomotion quadrupède quand on
est à quatre pattes ou en locomotion serpentiforme quand on rampe...) qui puisse satisfaire les
contraintes environnementales de la société humaine. Mais on ne peut nier l'intérêt du mode
de locomotion de l'homme si on peut l'imiter correctement. De même, les tâches matérielles
demandées au robot étant celles habituellement exécutées par l'homme, le système de
manipulation ne saurait trop s'éloigner de celui de l'homme pour répondre en toute occasion
aux demandes de ce dernier. Enfin, agir en coopération ou en symbiose avec l'homme d'une
manière similaire à celle d'un compagnon ou d'un collègue de travail suppose une
communication homme-robot qui imite la communication homme-homme. Or celle-là est à la
fois gestuelle et orale. Enfin, psychologiquement, l'homme trouvera plus de motivations
d'échanges avec une machine humanoïde qu'avec une machine d'apparence vraiment
différente.
Tout ceci incite à passer de la robotique à la biorobotique qui fait référence au vivant en
général, au-delà de l'humanoïde ou de l'androïde que nous venons d'évoquer.
La biorobotique non anthropomorphe
La biosphère ne comporte pas que des humains mais une infinité d'espèces animales, de la
bactérie au mammifère, et une infinité d'espèces végétales, du champignon au séquoia géant.
Comme le robot recherché doit être mobile, le règne végétal n'est pas pris en compte. Il n'en
est pas de même pour les animaux qui présentent tous des fonctionnalités intéressantes et
néanmoins quelques handicaps.
La première caractéristique d'intérêt des animaux concerne leur appareil locomoteur qui leur
permet, pour un grand nombre d'espèces (les seuls déplacements terrestres étant ici pris en
considération), de se mouvoir sur pratiquement toutes les terres émergées de la planète, quelle
qu'en soit la nature, alors que les meilleurs véhicules fabriqués par l'homme n'ont pas accès à
plus de la moitié de ces terres émergées (cf. 3. Le robot mobile). Ainsi, les invertébrés non
volants multipodes, les animaux qui rampent, les mammifères quadrupèdes, les oiseaux
bipèdes dans leur phase de marche ou de course offrent une immense variété de modèles
performants pour se déplacer avec souplesse et dextérité, tant par la structure anatomique et
physiologique du système locomoteur que par la gestion automatique de ce dernier par
l'animal. Cela permet des stratégies et des tactiques de progression éminemment variées et
efficaces (par exemple, un cheval a toute une série d'allures permettant d'obtenir le pas,
l'amble, le trot, le galop).
Un second centre d'intérêt tient à l'intelligence des animaux que l'on cerne encore moins bien
que celle de l'homme, soit par défaut d'intérêt pour le problème, soit parce que les animaux ne
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parlent pas et que l'on doit les comprendre par la seule observation de leurs mœurs et leurs
comportements physiques.
Dans le domaine de l'intelligence, pour des applications robotiques, on divise les animaux en
deux grandes catégories : ceux qui n'ont que quelques cellules nerveuses en guise de cerveau,
comme l'essentiel des insectes, et qui ne peuvent donc agir que par automatismes d'origine
majoritairement génétique ; ceux dont le cerveau se rapproche plus ou moins de celui de
l'homme et qui seraient donc peu ou prou aptes à tenir des raisonnements.
La première catégorie est tout à fait intéressante car l'insecte grégaire, aussi bien que les
insectes en essaim, survit et se reproduit sans problème dans un environnement favorable. De
plus, pour les derniers, ils arrivent à construire des nids complexes et sophistiqués qui exigent
une collaboration intra-essaim « intelligente ». Ces insectes nous offrent donc un autre moyen
que le raisonnement cartésien pour réaliser des tâches où l'intelligence semble nécessaire
(intelligence collective résultant de la double interaction individu-environnement et individuindividu). On essaie avec l'ordinateur d'imiter ces situations (vie artificielle). Ainsi, le
biomimétisme, qui est très lié à la biorobotique, mais qui comporte aussi d'autres aspects,
devient un domaine de recherche actif.
En ce qui concerne la seconde catégorie, c'est-à-dire les animaux possédant un cerveau d'un
certain volume, elle laisse en suspens de nombreuses questions. Pourquoi un chimpanzé
réputé avoir un cerveau qui fait 98 % de celui de l'homme est-il inapte à « jouer » le robot ?
Pourquoi un chien est-il plus intelligent qu'un singe en ce qui concerne la compréhension du
langage parlé ? Pourquoi la domestication ne peut-elle se faire que par le jeu de la récompense
et de la punition ?, etc. Si on pouvait répondre à ces questions, la biorobotique en profiterait à
coup sûr.
Dans la série des handicaps présentés par les animaux, eu égard aux objectifs de la
biorobotique, on peut relever :
– le fait que les tâches qu'ils réalisent sont toutes orientées par le désir inné et inconscient de
la survie. Ainsi, il est exceptionnel qu'une tâche naturelle, c'est-à-dire initiée par le
comportement de survie d'un animal, devienne pour les hommes une tâche intéressante à
imiter pour un objectif humain de transformation du monde ou de service. On peut mettre à
part les tâches de déplacement ou de transport des animaux domestiqués qui restent toujours
guidées par l'homme ;
– le fait que la demande de l'homme en matière de robot se porte principalement sur des
tâches de manipulation. Les organes de saisie des animaux sont surtout la gueule, associée
quelquefois aux pattes, et sont à l'évidence loin des performances manipulatoires du système
humain bras-main (excepté pour les singes).
Les roboticiens s'intéressent beaucoup aux animaux, d'une part pour comprendre et
éventuellement imiter les phénomènes de locomotion et d'intelligence collective (cf. encadré
Intelligence artificielle collective et robotique), mais aussi parce que les robots animaloïdes
ou zoomorphes peuvent rendre des services et trouver des marchés que ne pourraient satisfaire
des humanoïdes. Ainsi, dans le domaine ludique, des robots-chien ou chat ou phoque ou
autres ont vu le jour comme animaux de compagnie, malgré la faiblesse de leurs
performances. Il y a même des robots-poisson. Ces types de robots ont aussi leur utilité dans
l'enseignement de l'automatique et de la robotique ou de la conception des mécanismes.
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De même, certaines applications seront mieux satisfaites par exemple par un robot
serpentiforme que par toute autre machine. Ainsi en est-il pour la détection de présence
humaine sous des décombres suite à un tremblement de terre ou toute autre catastrophe. Un
serpent peut s'introduire dans de petites anfractuosités et s'approcher des victimes.
La biorobotique des animaloïdes n'est donc pas à négliger. Cependant, il est clair que si tous
les problèmes de l'humanoïde étaient résolus, ceux concernant l'imitation des animaux le
seraient de facto. C'est pourquoi l'humanoïde a une si grande importance.
Problèmes de la conception de biorobots
La robotique souhaite faire des robots imitant les systèmes vivants. Se pose donc le problème
de la place de ces derniers dans les moyens et principes généraux de conception d'un biorobot.
La question est très délicate car les réponses ne sont pas purement scientifiques et
technologiques mais ont de grandes incidences éthiques.
L'allusion au vivant peut se décliner de quatre manières évidentes dans la création d'un
robot :
– On peut penser transférer totalement la conception d'un robot des sciences mécaniques et
automatiques, qui en ont eu jusqu'ici l'apanage, aux sciences biologiques et génétiques. On
partirait alors d'une cellule vivante et on y introduirait le code génétique de ce qui devrait
donner un robot ad hoc après le développement biologique. Si cette approche n'est pas encore
techniquement réalisable, parce qu'on ne sait pas modifier à la demande un code génétique
pour obtenir un effet complexe mais identifié et qu'il reste beaucoup d'autres verrous
scientifiques à faire sauter, on ne peut nier que les progrès effectués en matière de clonage et
de génétique permettent de penser que cette approche, sous son aspect purement objectif,
pourrait réussir à long terme. La difficulté éthique relève de ce que le robot désiré, en cas de
fabrication d'un humanoïde, devrait avoir certaines qualifications humaines. Pour l'instant, on
ne saurait que condamner une telle tentative si elle était entreprise avant de maîtriser
complètement l'ensemble de la phénoménologie qui y a trait. Mais la question pourrait se
poser peut-être d'une manière moins lointaine en ce qui concerne des robots animaloïdes issus
de cellules animales. Quoi qu'il en soit, l'éthique devra primer sur la technologie et on ne peut
citer cette voie que pour mémoire.
– Ensuite, à l'opposé, et c'est ce qui est essentiellement recherché, il peut s'agir d'une machine
utilisant des matériaux non vivants qui ferait allusion au vivant en imitant correctement
certaines de ses fonctionnalités et comportements complexes.
– On peut, en troisième lieu, évoquer l'utilisation d'organes ou matériaux issus du vivant
qu'on grefferait sur une structure mécatronique de robot afin de la doter de meilleures
performances. Cette voie n'est pas à exclure comme le montrent les travaux sur les ordinateurs
biologiques ou la greffe de cellules nerveuses sur des substrats de semiconducteurs.
Cependant, il s'agit aussi de réussites potentielles à long terme.
– Enfin, à l'opposé de la précédente direction, on peut tenter de greffer des organes
mécatroniques sur des structures vivantes. Cette approche est connue sous le nom de
bionique. La robotique n'est qu'un de ses aspects. Elle existe déjà sous la forme d'implants
artificiels comme les pacemakers, les implants cochléaires ou les prothèses de hanches etc. En
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robotique, elle concerne aujourd'hui les prothèses complexes, surtout de bras, mains et jambes
et les orthèses, systèmes externes quelquefois motorisés et destinés à suppléer les capacités
défaillantes en matière de marche. Un des aspects les plus difficiles à résoudre pour les
prothèses est celui de l'interface homme-prothèse. Le but ultime de l'appareillage consiste à
faire en sorte que l'homme ne pense plus à sa prothèse mais l'utilise comme si elle était un
membre naturel. La caricature la plus forte de cette approche, que l'on rencontre dans les
fictions est « l'homme bionique », homme greffé un peu partout et jusque dans le cerveau, de
moyens artificiels d'action, de communication et d'aides à la réflexion.
En définitive, les voies suivies en ce début de xxie siècle pour créer de nouveaux robots
restent essentiellement la deuxième et la quatrième pour des applications particulières. La
première, pour le moment, est à exclure (sauf peut-être pour la fabrication d'organes vivants, à
l'exclusion d'individus) et la troisième souffre encore d'un manque de collaboration entre
biotechnologues ou médecins et roboticiens pour s'enclencher véritablement.
Le degré d'imitation de l'homme dans la conception d'humanoïdes
Contrairement à ce que l'on entend dire parfois, d'une part, on ne sait pas faire du vivant avec
un matériau non vivant (matériau amorphe), et, d'autre part, le robot humanoïde ou androïde
que l'on cherche à réaliser n'est pas la reproduction d'un homme véritable, n'est pas l'homme
artificiel. Si on peut quelquefois ressentir l'impression contraire c'est uniquement parce que,
par principe, la recherche veut toujours aller plus loin ; mais on reste et restera longtemps à
des années lumière de ce point de fuite.
Par ailleurs, dans le domaine des usages des robots, toute analyse montre qu'on n'a pas besoin
d'un véritable homme artificiel pour pleinement satisfaire les applications les plus exigeantes.
C'est d'ailleurs une chance, car on imagine le casse-tête éthique et pratique que représenterait
l'irruption d'un homme artificiel dans nos sociétés (sujet classique des romans de sciencefiction). Le robot restera une machine qu'on pourra supprimer sans autre état d'âme que celui,
éventuel, de la facture à payer.
Dans ces conditions, la question qui se pose est de déterminer quel est le niveau d'imitation de
l'homme vivant recherché dans la conception du robot.
Pour le cerner, il suffit d'examiner ce qui est exigé pour « rendre un bon service » en général,
ce service s'entendant comme un service physique, matériel (dont un sous-ensemble concerne
des services ou facilités mentaux déjà fournis en partie par l'informatique).
Un « bon service » exige d'abord la capacité physique de le rendre dans le milieu ou
l'environnement adéquat. Pour illustrer cette notion, considérons un ordinateur qui disposerait
d'algorithmes produisant la même intelligence que celle d'un cerveau humain (pure
hypothèse). Il ne pourra jamais disposer des assiettes sur votre table parce qu'il n'a pas les
fonctionnalités correspondantes. Cette capacité physique qu'on nomme dextérité s'exprimera
par une structure de machine qui pourra se déplacer dans l'environnement humain choisi, sans
trop de problèmes, et qui pourra faire les gestes correspondant à l'exécution des tâches
requises pour le service envisagé. On comprend alors qu'une structure anatomique et articulée
comparable à celle de l'homme doit avoir la potentialité de dextérité adéquate. Le mot
« comparable » pose le problème du choix pratique de la structure, par exemple en nombre de
degrés de liberté. Doit-on aller pour un bras avec une main jusqu'aux 52 degrés de liberté du
bras humain avec sa main ? Techniquement c'est très difficile (nécessité d'une présence de
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52 actionneurs qui engendrent des problèmes de poids, d'énergie, de volume, de contrôle, de
coût etc.). Se pose donc le problème de l'optimisation entre la minimisation du nombre de
degrés de liberté et la dextérité souhaitée. Dans les réalisations existantes, les robots
humanoïdes complets (corps, bras et jambes) n'ont pas plus de 30 à 40 degrés de liberté au
total. Et leur évaluation en termes de dextérité n'est pas vraiment effectuée.
La construction motorisée satisfaisant « sur le papier » la dextérité recherchée, celle-là doit
maintenant être mise en œuvre. Ceci signifie établir un système de commande qui meut
correctement la structure. Cette phase se fait d'abord en simulation, et l'on constate que, même
pour une marche « en aveugle », il faut ajouter sur la structure des capteurs détectant les
interactions sol-structure pour obtenir ne serait-ce que l'équilibre, par exemple. On constate
aussi que la qualité de la marche sera limitée et que, par exemple, le robot ne pourra pas
courir et devra se limiter à une marche cinématique, voire statique. Pourra-t-il, autre exemple,
monter un escalier et sauter à pieds joints ? On va donc constater les limites de performances
dans les déplacements et gestes nécessaires aux services visés, et vérifier que ces
performances sont suffisantes. Autrement il faut recommencer la conception à partir de zéro.
Cette phase correspond à la vérification de la dextérité du robot mais aussi à celle de son
habileté. En effet, s'il lui faut dix minutes pour franchir dix mètres en ligne droite ou pour
saisir un objet, il est clair que sa dextérité peut être suffisante mais que son manque d'habileté
le fera rejeter.
Si le robot s'avère suffisamment habile dans ses essais de mise en œuvre « en aveugle » (c'està-dire piloté par un opérateur qui voit l'environnement d'évolution de la machine et lui évite
les erreurs d'orientation), l'étape suivante consiste à tenter de lui donner la capacité d'agir seul,
c'est-à-dire de lui donner une intelligence de base. L'atteinte de ce but passe par la réalisation
de deux objectifs :
– tout d'abord, il faut doter la machine d'un système d'information sur l'environnement, un
système sensoriel. Les sens qui permettent à l'homme de se situer et de progresser dans la
bonne direction sont principalement la vision et le sens haptique, sans exclure l'audition.
– atteindre l'information pertinente est une chose, mais il faut la comprendre en relation avec
ce que l'on a à faire. Il faut donc un système d'interprétation des informations en relation avec
deux objectifs : l'exécution correcte du mouvement immédiat, et auparavant, la sélection du
bon mouvement en relation avec la progression de la tâche impartie. C'est ici qu'interviennent
les algorithmes dits intelligents dont il faut doter le robot.
Ce résumé de la genèse d'un humanoïde permet de mieux comprendre la philosophie de la
biorobotique. On voit bien qu'un tel robot peut rendre des services aux humains, services
habituellement exécutés par ceux-là. On voit aussi qu'on reste très loin d'un homme artificiel,
au niveau des capacités tant physiques que mentales. Certes, du coté de l'intelligence, bien des
progrès seront faits rapidement. Par exemple, dans la qualité de l'exécution du service, on sait
échanger avec le robot par la simple parole et même par le geste, et il est capable de détection
d'intention pour exécuter certains gestes ; on sait faire exprimer au robot des émotions par
modifications des traits de ce qui lui sert de visage ; on sait le doter de raisonnements logiques
pour adapter certains comportements ou décisions d'action ; on sait le faire collaborer avec
l'homme ou avec d'autres robots pour exécuter ensemble certaines tâches... et beaucoup
d'autres possibilités sont ou seront rapidement disponibles.
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Aussi, même si on reste très loin des performances espérées, on peut certainement avancer
que le robot de service, principalement sous sa forme humanoïde, est sur le point d'envahir la
société comme le font aujourd'hui les automobiles ou les ordinateurs portables.
 Philippe COIFFET
Bibiographie
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