Chapitre 1 : Introduction a la robotique

Robotique et Recalage 3-D(Chapitre 1 : introduction a la robotique)

Christophe DOIGNON, Professeur

Telecom Physique Strasbourg et Laboratoire ICube,Universite de Strasbourg, France

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Plan

Bibliographie

Avant-propos

Chapitre 1 : Introduction a la robotique (1A)

Chapitre 2 : Mathematiques pour la robotique (1A)

Chapitre 3 : Geometrie et cinematique des robots (1A)

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Plan

Chapitre 4 : Planification des trajectoires (2A)

Chapitre 5 : Vision artificielle et Recalage (2A)

Chapitre 6 : Commande de robots par vision (2A)

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Plan

Chapitre 7 (3A) : Systemes robotiques medicaux et GMCAO

(F. Nageotte, ICube Strasbourg) : Du recalage a la navigation etl’assistance par imagerie medicale (et autres capteurs)

(A. Krupa, INRIA Rennes) : Commande de Robots par imagerieechographique a ultra-sons

(S. Voros, TIMC-IMAG Grenoble) : Gestes Medicaux et Chirurgicauxassistes par Ordinateur

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Bibliographie

La robotique : Principes et applications, Philippe Coiffet, EditionsHermes, Traite des Nouvelles Technologies, 433 pages, 1986.

Handbook of robotics, Bruno Siciliano et Oussama Khatib,Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1600 pages, 2008.

Robot modeling and Control, Mark W. Spong, Seith Hutchinson, M.Vidyasagar, Wiley, 480 pages, 2006.

Theory of robot control, Carlos Canudas De Wit, Bruno Siciliano, GeorgesBastin, Communications and Control Engineering Series, Springer, 408pages, 2012.

Robotics, T. Bajd, M. Mihelj, J. Lenarcic, A. Stanovnik et M. Munih,Intelligent Systems, Control and Automation: Science and EngineeringSeries, Springer, 150 pages, 2010.

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Bibliographie

Introduction to robotics: Mechanics and Control, John J. Craig,Addison-Wesley series in electrical and computer engineering, controlEngineering, Prentice-Hall, Troisieme edition, 400 pages, 2004.

Les robots paralleles, J.P. Merlet, Hermes, 1997.

Modeling, Identification and Control of Robots, W. Khalil, E. Dombre,Hermes, 480 pages, 2002.

Robotics: Modelling, Identification and Control, B. Siciliano, L. Sciavicco,L. Villani and G. Oriolo, Series Advanced Textbooks in Control and SignalProcessing, Springer, 632 pages, 2010.

Introduction a l’analyse numerique, C. Doignon, Support de cours deTelecom Physique Strasbourg, edition 2016.

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Avant-propos

La Robotique fait partie des sciences des objets et des systemes artificiels. Ellepeut etre presentee comme la science de la perception et du mouvement et deleur integration en une machine physique, mecanique et informatique.

Le domaine scientifique de la Robotique peut etre subdivise selon quatregrandes thematiques qui comprennent chacune des defis scientifiques mais aussitechnologiques :

1 Controle sensori-moteurs, perception, action et mouvement,

2 Cognition, decision, autonomie, apprentissage,

3 Interaction et cooperation,

4 Conception des systemes robotiques.

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Avant-propos

Un robot possede des capacites de perception, d’action, de decision et decommunication, parfois il est capable d’ameliorer ses performances par unapprentissage automatique ou supervise par des humains, pour :

agir dans un environnement ouvert ou confine, dynamique, peu structureou inconnu, a des echelles allant du nano-monde au macro-monde,

executer de facon autonome ou en relation avec des humains, des tachesd’observation, d’exploration, de modelisation ou d’intervention surl’environnement,

interagir avec d’autres machines ou avec des humains, materiellement ouvirtuellement (Human-centered robotics). Link

Human-centered robotics : systeme robotique d’aide a la decisionen interaction avec l’homme, developpe a la DLR, Allemagne.

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Avant-propos

La convergence de technologies telles que les reconnaissances vocale et visuellepermet de creer une nouvelle generation d’appareils interactifs. Pourtant, si lesrobots sont deja courants aujourd’hui dans le secteur industriel, il reste denombreux defis a surmonter avant que les robots ne deviennent de veritablesassistants personnels.

Pour offrir a l’industrie de la robotique personnelle et de service, la plate-forme,les logiciels et les outils necessaires a l’exploration et au developpement desapplications de demain, des laboratoires et des nouvelles entreprises concoivent,fabriquent et commercialisent des robots autonomes et programmables.

RI-MAN, assistant robot humanoıde developpe par le Bio-Mimetic ControlResearch Center de RIKEN, Japon.

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Avant-propos

Selon l’organisation des Nations Unies, la robotique sera la revolutiontechnologique du 21e siecle, tout comme au 20e siecle ou l’automobile l’a eteau debut et l’internet a la fin. A mesure que les populations vieillissent, desevolutions rapides de la demographie interviennent. Le reve ultime de lacreation d’un compagnon artificiel pouvant aider les humains ne releve plus dela science-fiction. C’est une reponse realiste aux besoins d’une societevieillissante.

Dans un volume imparti et en tenant compte des objectifs de la formation a quiil s’adresse, nous ne verrons pas dans cette edition, les notions relatives, parexemple, a la robotique mobile specifiquement, a la planification de chemin etau niveau operationnel, a la commande en effort, a la commande multi-variableet adaptative, a l’apprentissage, et a la dynamique des systemes.

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Avant-propos

Le plan du cours que je propose s’etale sur les trois annees de la formationingenieur et est structure par la composition des chapitres suivants :

Le Chapitre 1 (ce chapitre) introduit la robotique. Des robots destructures et de tailles differentes agissant dans des milieux diverses, selondes conditions specifiques sont pris comme exemples afin de montrer ladiversite des robots.

Le Chapitre 2 rappelle quelques elements mathematiques utilises par lasuite, en particulier les transformations geometriques lineaires et lesrepresentations multiples des rotations, employees pour decrire lageometrie du robot, l’orientation des objets de l’environnement. Lerecalage y est introduit.

A partir du Chapitre 3, la modelisation de la geometrie et de lacinematique des robots est presentee, avec les conventions usuelles,permettant de definir de maniere systematique la chaıne cinematiquestructurant les mecanismes articules.

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Avant-propos

Le Chapitre 4 presente (introduit) la planification de trajectoires au niveauarticulaire, c’est-a-dire en vue de realiser un deplacement d’ensemble desarticulations. Angles, vitesses, accelerations et limitations concourentalors a la generation de la trajectoire desiree.

Le recalage 3-D/2-D et les asservissements visuels qui consistentessentiellement a commander les robots par l’utilisation de la vision,seront etudies au cours des chapitres 5 et 6. Formant avec les capteursd’efforts les deux principales modalites d’acquisition de l’environnementproche, nous orienterons volontairement ces deux chapitres vers lessystemes d’imagerie medicale, en particulier l’endoscopie (les systemesrobotiques associes a l’echographie par ultra-sons, les IRM et les scannerstomodensitometriques a rayons X seront abordes au chapitre 7).

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Avant-propos

Le Chapitre 7 presente des systemes robotiques medicaux, employes pouretablir un diagnostic ou utilises en chirurgie moderne, comme par exempleles techniques peu invasives. Les techniques de recalage sont utiliseesintensivement en robotique medicale. Elles sont associees a l’emploi deplusieurs types de capteurs et au suivi des patients (intra-patients ouinter-patients).

Nous presenterons aussi dans ce chapitre l’assistance au geste medical(robotique et informatique) qui est un domaine de l’ingenierie biomedicaleen plein essor.

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Introduction

Tache robotique : un systeme robotique est en realite un systemecomplexe represente par de multiples sous-systemes, dont les principauxsont la locomotion, l’acquisition d’informations issues de l’environnementproche et l’interaction avec lui (incluant l’homme), et son comportementintrinseque. Operant dans un environnement qui evolue, la tacherobotique est realisee par la mise en œuvre d’actions hierarchisees, quiconcourent a l’accomplir tout en tenant compte de certaines regles oucontraintes propres a son comportement intrinseque.

Qu’est-ce qu’un robot ? : Au-dela des explications precedentes sur lesfonctionnalites demandees a un systeme robotique, voici des exemples derobots, de toute structure et de toute taille, destines a etre employes dansune usine de production, dans une salle d’operation, dans l’eau, dansl’espace, sur le sol terrestre, en vol ou dans le corps humain...pour demultiples applications d’assistance, de services, d’exploration.

Video (Boston dynamics) : Link

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Robots humanoıdes

• Le robot humanoıde ASIMO (AdvancedStep in Innovation MObility) d’Honda, estapparu dans sa 1ere version en 2000. Cette5eme version apparue fin 2011 est treselaboree (130 cm, 48kg, 57 ddl).

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• Le robot humanoıde NAO d’AldebaranRobotics (SoftBank Robotics depuis fevrier2015), entreprise fondee par BrunoMaisonnier en 2005 (58 cm, 4,8 kg, 25 ddl).

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Robots humanoıdes

• Le robot humanoıde QRIO (Quest for cuRIOsity)de Sony apparu en 2003 (58 cm, 7 kg, 38 ddl).Avec sa vision stereoscopique et sa demarche quiassure un centre de gravite dynamique stable, ilpeut monter des escaliers.

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• Le robot humanoıde japonais HRP-2(version 14 : 1,54 m, 58 kg, 30 ddl) estapparu en 2003; Il est actuellement auLAAS (Toulouse, CNRS), partie francaisedu laboratoire franco-japonais JointResearch Laboratory. C’est un robot bipededestine a la recherche. HRP signifieHumanoid Robotics Project

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Robots mobiles a roues

• Le robot mobile a roues KOMPAI deRobotSoft. Il a ete concu pour effectuer desservices a domicile d’assistance pour despersonnes agees (et aussi teleassistance).

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• Le robot PowerBot d’Adept MobileRobotics (ex Pioneer). PowerBot se deplacejusqu’a 1,6 m/s avec une charge utile de100 kg. C’est une plate-forme de recherchepour des travaux portant sur la livraison, lanavigation et la manipulation.

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Robots mobiles a roues

• Le robot mobile a roues Pioneer3-AT est compose de 4 moteurs etde 4 roues non-directrices; Dechaque cote, deux moteurs, tournanta la meme vitesse, sont couples (parcourroie) a une meme paire de roues(Adept Mobile Robotics).

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• Le robot Archer (plate-forme vehiculeautonome or UGV for Unmanned GroundVehicle) de Reflexx Robotics (electrique ouhybride). ARCHER signifie Advanced –Remote Control – Hybrid – Experimental –Robot. Son utilisation (militaire) concernela surveillance, le deminage et les secours.

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Robots mobiles a roues

• Le robot X-RHex tout terrain a”pattes” hexapedales et developpe par leKod Lab de l’universite de Pennsylvanie(Penn Engineering GRASP Lab). C’estun laboratoire mobile, qui peut accueillirdes plateformes multi-capteurs.

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Robots sous-marins (Unmanned Underwater Vehicle)

• Le robot HROV (Hybrid RemotelyOperated Vehicle) Nereus (de WoodsInstitut) est capable d’aller a uneprofondeur de 10,9 km.

Le cable qui permet de controler le Nereusest d’une largeur equivalant a celle d’uncheveu humain. Environ 40 km de ce cablesont enroules sur le Nereus et se deroulentau fur et a mesure de la progression duROV.

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Robots volants (Unmanned Aerial Vehicle)

• Les robots volants autonomes (UAV – UnmannedAerial Vehicle) ou drones. Ils servent a realiser desmissions d’exploration pour conjurer les incendies, dereconnaissance de terrains, ou comme armes militaires.Le drone MQ-9 Reaper ou le MQ-1 Predator de GAAS(ci-contre), le RK-4 Global Hawk (HALE) de NorthropGrumman ou le Whatchkeeper WK-450 de Thales ensont quelques exemples. Link (nEUROn).Ci-dessous, trois drones civils avec quadri-rotors(quadcopter). Link (chutes de drones !);

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Robots spatiaux

• Les robots astromobiles MER(Mars Exploration Rover)PathFinder (sonde) / Sojourner(rover) (1997) et Opportunity(2004) en sont des premiersexemples. Ci-contre, le MSL(Mars Science Laboratory)Curiosity (aout 2012). Link

• Le bras robotique attache a la navettespatiale americaine SRMS (Shuttle RemoteManipulator System) : transport de chargespour les astronautes (deploiement desatellite, inspection de la navette,reparation,...).

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Robots medicaux

• Le robot medical ROBODOC (1992) est undes premiers robots utilises a usage medical (R.Taylor et W. L. Bargar, Sacramento, USA). Lesysteme comprend deux composants :ORTHODOC, un poste de travail informatiseequipe d’un logiciel pour la planificationchirurgicale preoperatoire, et ROBODOC, robotchirurgical controle par ordinateur et utilisedans les remplacements de genoux et dehanches ainsi que pour d’autres proceduresorthopediques.

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Robots medicaux

• Le robot Neuromate est l’un des premiers robotsutilises en neurochirurgie (1989). Developpe par lasociete IMMI (aujourd’hui ISS), il est base sur lesysteme mis au point, en 1985, par l’equipeGMCAO du laboratoire TIMC et le CHU deGrenoble. Il sert a placer un instrument dans lecerveau. Le robot positionne un guide de maniererigide, recale par rapport au crane du patient. Lechirurgien fait lui-meme le geste en controlant lapenetration de l’instrument. C’est une forme departage des commandes qui peut etre vue commeune premiere co-manipulation, meme si lesmouvements du robot et ceux du chirurgien nesont pas synchronises mais sequentiels.

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Robots medicaux

• Le robot ROSATM (societe MedTech) est utilise en neurochirurgie. C’est unbras robotise avec six degres de liberte (ddl) qui procure une tres grandedexterite aux mouvements dans la realisation des gestes chirurgicaux et assureune totale liberte dans le choix des trajectoires. La planification du gesteoperatoire necessitant des donnees preoperatoires, ROSATM propose unsysteme de recalage (registration) brevete, a base d’une mesure laser pourpermettre la localisation du patient sans utiliser de reperes (fiduciaires et cadresstereotaxiques) souvent tres invasifs.

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Robots medicaux

• Le robot HAL-5 (Hybrid Assistive Limbs) de Cyberdyne est un exosquelettequi decuple la force de son utilisateur. Il recoit des signaux bioelectriquesvenant des muscles de son utilisateur pour reagir intelligemment avec lesysteme nerveux humain (personnel medical portant des malades, aide auxpersonnes a mobilite reduite, ouvriers, soldats, etc) (23 kg, 1,60 m, autonomiede 2h40). Voir aussi les robots HERCULE v3 (RB3D et DGA, France) etEKSO (Cottage Rehabilitation Hospital, Etats-Unis).

Link (hal-5) Link (ekso) Link (hercule v3)

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Robots medicaux

• Axilum Robotics a developpe un robot d’assistance qui automatise lastimulation magnetique transcranienne (TMS), une technique non invasive etindolore utilisee notamment pour traiter la depression. En partenariat avec desfabricants de stimulateurs et de neuro-navigateurs, l’entreprise a deja convaincusix services de psychiatrie et de neurosciences en France et aux Etats-Unis des’equiper. Le premier prototype a ete developpe par l’equipe AVR(Automatique, Vision et Robotique) du laboratoire ICube en 2006.

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Robots medicaux

• Le robot chirurgical (chirurgie a invasion minimale assistee) Da Vinci (1999)d’Intuitive Surgical est le successeur du robot AESOP de Computer Motion(USA), lui-meme base sur une architecture SCARA (6 ddl, mais seulement 4ddl motorises), portable. Le chirurgien commande indirectement lesinstruments par le biais des bras multi-articules, a l’aide d’une console et delaparoscopes stereo. Les bras robotiques portent donc des instruments dechirurgie ou des endoscopes a tres haute definition. Il existe de nombreuxaccessoires et versions de ce robot.

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Robots medicaux

• Un co-manipulateur serie est un systeme robotique qui presente des mobilitesvenant s’ajouter a celles de l’operateur. Le mecanisme du co-manipulateur estdonc mis en serie avec la chaıne cinematique que constituent le bras et la mainde l’operateur (comme la visseuse electrique qui synchronise la rotation – 1 ddl– avec l’effort produit par l’operateur). Il s’agit d’un instrument que l’operateursaisit manuellement par son extremite dite proximale et qui peut produire unmouvement independant de son extremite dite distale, cette derniere etant eninteraction avec l’environnement.

Le robot medical MC2E permet de manipuler un instrument autour d’un point d’incision, tout en laissant libre l’acces a lapoignee. Grace a un capteur, il peut mesurer les efforts appliques sur la poignee et ceux appliques sur les organes. Le robot peut

utiliser ces informations pour ameliorer le ressenti des contacts instrument-organes pour le chirurgien. (ISIR, UPMC Paris)

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Meso- et micro-robots

• A cette echelle (mm au micro-metre), l’influence des lois physiques estcompletement differente. Il y a tout d’abord l’effet d’echelle : quand on reduitla taille d’un objet, son volume diminue beaucoup plus vite que sa surfacetotale. Ainsi, les forces surfaciques sont vraiment plus importantes que lesforces volumiques, ce qui n’est pas le cas pour des echelles plus grandes.

Micro robot thermique a 6 pattes (Femto-ST, Besancon -CNRS). Ce micro insecte est l’un des plus petits du monde (6 x3mm et 0,5 mm d’epaisseur). Ce type de micro-robot permettrad’effectuer des explorations dans des milieux confines (site apres

un seisme, zones radioactives...).

ViRob : robot medical (diametre=1mm, 14 mm de long) estcapable de se deplacer dans les vaisseaux sanguins et le systeme

respiratoire (exploration des poumons), (Univ. Technion,Israel). Il se deplace en utilisant un champ electromagnetiqueexterieur, inoffensif pour le corps (9 mm/s). Les minusculesbras sortent du corps central et s’accrochent aux parois des

vaisseaux (2009).

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Robots bio-inspires

• La robotique bio-inspiree explore un nouveau paradigme pour lever les verrousde l’autonomie, en reconsiderant l’intelligence comme une propriete emergeantdes interactions du corps de la machine-animale avec le monde qui l’entoure.On s’est longtemps interroge sur le vol des insectes, theoriquement impossiblesi l’on se refere au vol des oiseaux ou des avions. On a fini par comprendre enl’observant de pres que la torsion de l’aile pendant le battement fournissait laportance supplementaire necessaire au vol. Link (Snakebot)

Robot salamandre (EPF Lausanne et INSERM Bordeaux) est dote de deux moyensde locomotion; l’un des adapte au deplacement terrestre, l’autre dans le milieuaquatique. La synchronisation des ondulations du corps avec le mouvement des

pattes est a la base de sa demarche. Il est commande par un reseau de neuronesvirtuels qui reproduit une vraie moelle epiniere (85 cm, 7 segments relies par 6

articulations, 4 pattes rotatives, 10 moteurs).

Link (Salamandra) Link (Biorobotics Laboratory BioRob)

Robot-insecte volant comme une mouche developpe al’Universite d’Harvard (Harvard Microrobotics Lab).

Link (RoboBee)

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Conclusion

• A travers ce panel d’exemples de realisations, il est clair que la robotique estune science multidisciplinaire (mecanique, electronique, biologie, physique,automatique, informatique,...).

Pour controler les deplacements d’un mecanisme, des modeles mathematiquessont developpes avec la plupart du temps des simulateurs. Nous verrons donc lamethodologie de modelisation geometrique au chapitre 3. A cette fin, quelquesrappels sur le calcul matriciel est necessaire pour utiliser des transformationsgeometriques que l’on rencontre en robotique. C’est l’objet du chapitre 2 (lesexercices proposes peuvent etre resolus en utilisant le logiciel Matlab).

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