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Fonctionnement d'un robot[modifier | modifier le code]
Un robot fonctionne par l'exécution d'un programme informatique qui traite les algorithmes écrits par le constructeur. Ce programme est écrit dans un langage de programmation dont la nature est choisi par le constructeur.
Un exemple de langage de programmation utilisable est le langage GRAFCET. Sur un cas simple (voir image) le programme se comporte comme suit :
- Action 1 : Activer l'actionneur
- Condition 1 : Le capteur détecte un obstacle
- Action 2 : Arrêter l'actionneur
- Condition 2 : Le capteur ne détecte plus rien
Puis le GRAFCET recommencera. Un petit système comme celui-ci comporte un capteur, un actionneur et un programme qui gère le tout[1].
Capteurs[modifier | modifier le code]
Des capteurs permettent aux robots de recevoir des informations sur l'environnement (présence d'un objet, température, luminosité…) ou sur les composants internes (comme la position d'un moteur ou d'un verrin). Cela est essentiel pour exécuter leurs tâches et calculer la réponse appropriée.
Capteurs de position[modifier | modifier le code]
Capteurs de contact[modifier | modifier le code]
Les capteurs de contact envoient un signal dès qu'ils touchent quelque chose, à la manière d'un bouton. Ils peuvent fonctionner avec une certaine pression, une lamelle de métal établissant le contact entre les deux branches.
Si l'utilisation de ce dispositif simple n'est pas possible, pour des raisons d'isolation électrique notamment, il existe des capteurs à établissement de masse. Dans ce cas, le signal ne passe pas directement par l'interrupteur, mais l'interrupteur sert à faire contact avec une masse et le signal transite par un relais électromécanique.
Sur l'illustration ci-contre, les deux tensions sont de 5V et l'utilisation d'un tel dispositif semble a priori inutile. Mais dans le cas où la carte électronique ne pourrait pas recevoir un signal supérieur à une certaine tension ou si l'on veut détecter un contact avec un bâti métallique servant de masse générale, l'utilisation d'un interrupteur simple n'est pas possible.
Codeurs rotatifs[modifier | modifier le code]
Les codeurs rotatifs sont des capteurs de position angulaire. Le disque du codeur est solidaire de l'arbre tournant du système à contrôler ou d'un de ses éléments. Il existe deux types de codeurs rotatifs, les codeurs incrémentaux et les codeurs absolus.
Capteurs de proximité[modifier | modifier le code]
Capteurs capacitifs[modifier | modifier le code]
Les détecteurs de proximité capacitifs présentent l’avantage de pouvoir détecter à courte distance la présence de tous types d’objets, car sensibles aux métaux et aux non-métaux.
Dans ce cas, la tête de mesure de ces capteurs est formée d'un conducteur cylindrique et d'une enveloppe métallique coaxiale réalisant un condensateur de capacité fixe C1. Si une cible s'approche de l'extrémité des conducteurs précédents, elle constitue avec ces conducteurs deux autres condensateurs.
Ainsi, si le circuit est alimenté par un signal alternatif à une fréquence donnée, lorsqu'on approche une cible, la capacité du circuit change et le signal s'atténue. C'est cette atténuation que l'on mesure.
Capteurs inductifs[modifier | modifier le code]
Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie ; le capteur commute.
Capteurs infra-rouge[modifier | modifier le code]
Également appelé capteur optique ou photoélectrique ;
Le capteur de proximité infra-rouge (capteur photoélectrique) se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour être exploité par la partie de commande.
Autres capteurs[modifier | modifier le code]
Caméras[modifier | modifier le code]
La vision par ordinateur est la science et la technologie des machines qui voient. Il s'agit d'extraire les informations à partir d'images (comme le fait la fameuse Kinect de la Xbox). Les données peuvent prendre plusieurs formes, telles que des séquences vidéo ou images.
Dans la plupart des applications pratiques de vision par ordinateur, les ordinateurs sont pré-programmés pour résoudre une tâche particulière, mais les méthodes basées sur l'apprentissage sont en train de devenir de plus en plus commun.
Les systèmes de vision par ordinateur s'appuient sur les capteurs d'image qui détectent le rayonnement (qui est généralement sous la forme de la lumière visible ou infra-rouge). Les capteurs sont conçus en utilisant la physique des solides. Le processus par lequel la lumière se propage et se reflète sur les surfaces s'appelle l'optique.
Les robots peuvent également être équipés de capteurs de vision multiples afin d'être en mesure de calculer le sens et la profondeur dans l'environnement. Comme les yeux de l'homme, des "yeux" robotiques doivent également être en mesure de se concentrer sur un domaine d'intérêt particulier, et aussi s'adapter à des variations dans l'intensité de lumière.
Il y a une sous-zone au sein de la vision par ordinateur où les systèmes artificiels sont conçus pour imiter le traitement et le comportement des systèmes biologiques, à différents niveaux de complexité. En outre, quelques-unes des méthodes fondées sur l'apprentissage développées au sein de la vision par ordinateur ont leur origine dans la biologie.
Capteurs de température[modifier | modifier le code]
Il s'agit de sondes dont le fonctionnement est similaire à celui des thermomètres.
Capteurs de pression[modifier | modifier le code]
Dans un capteur de pression, on mesure la force qui s'exerce sur la surface constante et connue S d'un corps d'épreuve.
RADAR[modifier | modifier le code]
Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, les bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur envoie des ondes radio, qui sont réfléchies par la cible et détectées par un récepteur, souvent situé au même endroit que l'émetteur. La position est estimée grâce au temps de retour du signal, ce qui indique la distance, et la position angulaire de l'antenne. La vitesse est mesurée à partir du changement de fréquence du signal par effet Doppler.
LIDAR[modifier | modifier le code]
La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « light detection and ranging », est une technologie de télédétection ou de mesure optique basée sur l'analyse des propriétés d'une lumière laser renvoyée vers son émetteur.
La méthode la plus répandue pour déterminer la distance à un objet est basée sur le laser à impulsions. À la différence du radar basé sur un principe similaire, le lidar utilise de la lumière au lieu d'ondes radio. La distance à un objet ou à une surface est donnée par la mesure du délai entre l'impulsion et la détection du signal réfléchi.
SONAR[modifier | modifier le code]
Un sonar (acronyme de sound navigation and ranging) est un appareil, utilisant les propriétés particulières de la propagation du son dans l'eau pour détecter et situer les objets sous l'eau.
Actionneurs[modifier | modifier le code]
Les actionneurs servent à effectuer différentes actions, différents ordres. Les ordres sont transmis par l'intermédiaire du système de contrôle via les sorties. Les différentes actions possibles sont :
- Activer un moteur électrique afin de faire un mouvement (déplacement, bouger un bras, faire tourner une roue)
- Activer une LED, une lampe ou un haut parleur
- Activer un compresseur
Moteurs électriques[modifier | modifier le code]
Les moteurs sont, traditionnellement, les « muscles » d'un robot. Ils permettent de réaliser la plupart des mouvements d'un robot, bien que ce ne soient pas les seuls actionneurs capable de le faire bouger. Le mouvement créé est rotatif.
La grande majorité des robots utilisent des moteurs électriques. Généralement, les robots qui ont besoin d'être mobiles et autonomes utilisent des moteurs à courant continu synchrones (à balai ou brushless) puisqu'ils fonctionnent sur batterie et les moteurs à courant alternatif, mono ou triphasés sont plutôt réservés aux robots industriels.
Actionneurs linéaires[modifier | modifier le code]
Les actionneurs linéaires sont des verins. Ils sont généralement alimentés par air comprimé (vérin pneumatique) ou huile (vérin hydraulique).
Muscles artificiels[modifier | modifier le code]
À air comprimé[modifier | modifier le code]
Ce système de muscles repose sur des poches qui se contractent ou se décontractent lorsque de l’air comprimé leur est insufflé, reproduisant ainsi le comportement et la contraction d’un muscle naturel.
Filaire[modifier | modifier le code]
Un fil à mémoire de forme se raccourcit quand il est chauffé. Il se comporte exactement comme un muscle lisse, stimulé par un courant électrique. A température ambiante, il s'étire sans grande résistance et reste ainsi dans cet état stable. En le chauffant (à 90 degrés C par une impulsion de courant électrique), il se contracte et reprend sa longueur initiale avec une grande force de traction et reste dans cet état stable après refroidissement.
Polymères électroactifs[modifier | modifier le code]
Les polymères électroactifs, ou EAPS (Electroactive polymers) sont des polymères dont la forme ou la taille changent lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. L'utilisation principale de ce type de matériau est la fabrication d'actionneurs et de capteurs. Une propriété intéressante des EAPs est qu'ils sont capables de grandes déformations, ainsi que de forces importantes. La plus grande partie des actionneurs actuels est fabriquée à partir de céramiques piézo-électriques. Ces matériaux sont certes capables de produire des forces très élevées, cependant leur domaine de déformation n'excède pas quelque pourcents. Durant les années 1990, il a été démontré que certains EAPs sont capables d'une déformation de 380 %, ce qui est très grandement supérieur à n'importe quelle céramique utilisée actuellement. Une autre application des EAPs est dans le développement de la robotique, dans le développement de muscles artificiels.
Moteurs Piezo[modifier | modifier le code]
La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables.
Les actionneurs et moteurs piézoélectriques tirent profit de l'effet piézoélectrique inverse : dans ces dispositifs, un champ électrique est utilisé pour commander une déformation ou un déplacement. On appelle actionneur piézoélectrique des actionneurs monoblocs contrôlables, utilisant la déformation induite par une tension électrique pour entraîner le déplacement. Les moteurs piézoélectriques se distinguent des actionneurs en ce qu'ils ne sont pas monoblocs mais composés de plusieurs parties mobiles entre elles.
Sources d'énergie[modifier | modifier le code]
Les robots autonomes sont alimentés par batterie d'accumulateurs, donc par un courant continu. Les batteries peuvent soit être rechargées via le secteur, soit à l'aide de sources disponibles dans l'environnement du robot (vent, énergie solaire). Certains robots sont programmés pour aller se recharger eux-mêmes si les batteries sont faibles.
Les robots n'ayant pas à se déplacer sont alimentés sur le secteur, que le courant soit continu, alternatif mono ou triphasé.
La carte électronique est forcément alimentée par le courant électrique, mais la source d'énergie des actionneurs peut également être pneumatique, hydraulique ou mécanique.
Déplacement[modifier | modifier le code]
Les robots industriels n'ont généralement pas besoin de se déplacer. Ce n'est pas le cas des robots de service et des robots autonomes. Ils doivent pouvoir s'adapter à leur environnement. C'est pour cela que différents types de modes déplacements sont utilisés.
À roues[modifier | modifier le code]
Les robots à roues sont les plus simples à fabriquer. Il suffit de relier un moteur électrique à la roue via un train d'engrenages, ou un système poulies/courroies.
Les robots à deux roues motrices sont les plus fréquents, mais il existe également des robots à 3,4,6 roues motrices qui, associées à un système d'amortissement, permettent une meilleure adhérence et une plus large palette de terrains accessibles.
Certains robots n'ont que deux roues motrices, et sont hypostatiques. Ils gardent leur équilibre grâce à un gyroscope qui va détecter un déséquilibre et contre balancer à l'aide des moteurs.
On voit souvent des robots à roues dans l'exploration spatiale, bien que des robots à pattes soient en cours d'étude, ou dans les compétitions de robotique tels que le DARPA grand challenge ou eurobot.
À chenilles[modifier | modifier le code]
Les chenilles, comme celles que l'on peut voir sur les chars de combat, fournissent de plus grandes possibilités de franchissement que les roues. Par exemple, la supériorité des chenilles est flagrante pour franchir les fossés, ou les coupures de terrain.
Les chenilles se comportent comme si elles étaient faites de centaines de roues, donc elles sont fréquemment utilisées pour les robots de plein air et et les robots militaire, quand le robot doit se déplacer sur un terrain accidenté. Par contre, elles détériorent les sols (dans les virages) et elles ne sont guère adaptées à l'intérieur ou sur les tapis.
À pattes[modifier | modifier le code]
Les robots à pattes ont l'avantage de pouvoir s'adapter à la plupart des terrains.
La bipédie n'en est qu'un exemple, puisque l'on retrouve également des robots à 4, 6 ou 8 pattes.
À voile[modifier | modifier le code]
Les robots voiliers ont été développés principalement pour faire des mesures à la surface de l'océan. C'est le cas du robot Vaimos [2] réalisé par IFREMER et l'ENSTA-Bretagne. Puisque la propulsion des robots voiliers utilise le vent, l'énergie des batteries est uniquement utilisée pour l'électronique, la communication et les actionneurs (principalement le gouvernail et la longueur de l'écoute de la voile). Avec un panneau solaire, un tel robot pourrait théoriquement naviguer pendant une durée illimitée. Les principales compétitions de robots voiliers sont la WRSC (World Robotic Sailing Championship) qui se tient tous les ans en europe et Sailbot.
Sphériques[modifier | modifier le code]
Les robots sphériques se déplacent en roulant sur eux-mêmes, à la manière des droïdes de combat des star wars. Il existe également un robot hypostatique qui prend appui sur une sphère et se maintient en équilibre au-dessus de celle-ci[3].
Volants[modifier | modifier le code]
Les robots volants prennent trois formes, celles d'avions automatisés pour les drones par exemple, d'hélicoptères (quadrarotors) ou d'oiseaux (Smartbird).
Nageant[modifier | modifier le code]
Des robots poissons, méduses ou encore anguilles sont parfaitement étanches. Ils n'ont pas d'utilité à l'heure actuelle, si ce n'est à des fins de recherche.
Serpentant[modifier | modifier le code]
Il existe plusieurs robots serpent, aux capacités de franchissement assez impressionnantes (ils peuvent nager, grimper, et bien sûr ramper).
Grimpant[modifier | modifier le code]
Des robots sont capables de grimper aux murs, on peut par exemple citer :
- RiSE qui, à l'aide de micro-griffes, peut s'accrocher à des surfaces rugueuses.
- Le robot de SRI International qui utilise l'électro-adhésion
- Celui de l'ETH de Zurich qui utilise de la colle HMA
- TBCP-II se déplace grâce à des chenilles recouvertes par des coussinets adhérents
- Paraswift ; Pour pouvoir progresser à la verticale sur le mur, le robot utilise un “Impeller” (ou Impellar), un tube avec un rotor à l’intérieur qui crée une différence de pression (effet de mini-tornade avec l’œil du centre “aspirant” le mur).
[modifier | modifier le code]
Bien qu'un pourcentage significatif de robots aujourd'hui sont contrôlés par des humains ou fonctionnent dans un environnement statique, il y a un intérêt croissant pour les robots qui peuvent fonctionner de manière autonome dans un environnement dynamique.
Ces robots nécessitent une combinaison de matériel et logiciels de navigation pour traverser leur environnement. En particulier des événements imprévus, par exemple les personnes et les autres obstacles qui ne sont pas fixes, peuvent causer des problèmes ou des collisions. Certains robots très avancés tels que ASIMO ou NAO embarquent un ensemble matériel/logiciel particulièrement adapté à ce genre de situation.
Les voitures sans chauffeur sont capables de diagnostiquer l'environnement et par la suite de prendre des décisions de navigation basées sur ces informations. La plupart de ces robots utilisent un GPS, avec radar, parfois combinés avec d'autres capteurs tels que LIDAR, caméras vidéo, et les systèmes de guidage inertiels pour une meilleure navigation entre les points de route.
Interaction homme-robot[modifier | modifier le code]
Les robots sont des agents artificiels avec des capacités de perception et d'action dans le monde physique. Leur utilisation a été généralisée dans les usines, mais aujourd'hui, ils se trouvent dans les sociétés technologiquement les plus avancées dans des domaines critiques comme la recherche et le sauvetage, l'armée, la détection de bombes, l'exploration scientifique, le divertissement et les soins hospitaliers.
Ces nouveaux domaines d'applications impliquent une interaction plus étroite avec l'utilisateur. Les robots et les humains y partagent l'espace de travail, mais aussi des objectifs en termes de réalisation de tâches. Cette collaboration nécessite de nouveaux modèles théoriques. En effet la manière dont les ordres sont reçus devient primordiale dès lors que les robots évoluent dans un milieu domestique ou dans un autre environnement non-industriels.
Les personnes qui interagissent avec les robots peuvent avoir peu ou pas d'expérience dans ce domaine, l'interface doit donc être intuitive. Les auteurs de science-fiction supposent notamment que les robots seront capables de communiquer avec les humains par l'intermédiaire de la parole, plutôt que par une interface de commande. L'un des objectifs, lors de la fabrication d'un robot, est de construire une communication intuitive et facile avec le robot, par la parole, les gestes ou les expressions faciales, et de faciliter l'interaction sur un pupitre en utilisant une interface graphique plutôt qu'un terminal.
Système de contrôle[modifier | modifier le code]
La structure d'un robot est contrôlée de manière à effectuer une tâche. Ce contrôle inclut trois phases distinctes : La perception, la réflexion (ou le traitement) et l'action.
Les capteurs donnent une information à propos de l'environnement ou des composants internes (p.e. position d'un moteur ou d'un vérin, état d'une LED). Cette information est utilisée pour calculer l'ordre approprié à envoyer aux actionneurs.
La phase de traitement peut varier en complexité.
À un niveau réactif, il peut traduire l'information brute d'un capteur directement en commande d'un actionneur. (p.e. un arrêt d'urgence ; si un obstacle est détecté alors arrêt des moteurs)
Avec des tâches plus sophistiquées, il faut utiliser des algorithmes. On peut entre autres utiliser des opérations mathématiques simples ou complexes, la trigonométrie, des conditions (si…alors…) et d'autres outils dépendants du langage utilisé.
Microcontrôleur[modifier | modifier le code]
Un microcontrôleur est par personnification le cerveau du robot, c'est dans ce composant que le programme est envoyé.
Le microcontrôleur est composé d'entrées reliées aux capteurs, de sorties reliées aux actionneurs, et des différents composants qui lui permettent d'appliquer les algorithmes (diode, amplificateur opérationnel, résistance, condensateur, transistor, circuit intégré, etc...).
Programmation[modifier | modifier le code]
Parmi les langages de programmation utilisés en robotique on peut citer le C, C++ et l'assembleur. La programmation est la partie de conception d'un robot qui consiste à écrire les différents algorithmes que le robot exécutera. Cette phase sert à traduire le comportement souhaité du robot, dans une configuration donnée, en langage exploitable par son organe de calcul, le plus souvent un microcontrôleur.
Certains langages plus évolués ont été développés comme Urbi.
- « Le GRAFCET » [PDF]
- Jaulin L. et Le Bars F., « An interval approach for stability analysis; Application to sailboat robotics », IEEE Transaction on Robotics, vol. 27, no 5, (lire en ligne)
- A Robot That Balances on a Ball