Comment faire marcher, voire courir un robot bipède ?

Dans la presse spécialisée, mais également pour le grand public, un robot qui marche, court, monte et descend des escaliers ou qui est capable de s'adapter à son environnement, par exemple en évitant des obstacles est un robot "intelligent''. Mais l'intelligence, c'est à dire l'adaptation du robot à son environnement est encore loin. Avant d'en arriver là, il ne faut pas oublier le rôle fondamental de la robotique dans une telle application aussi bien dans son aspect mécanique qu' automatique qu'il faut absolument maîtriser.

La marche humaine, même sur un terrain assez régulier, correspond à une des opérations sensori-motrices les plus difficiles à faire exécuter par un robot. Le robot perçoit sa position grâce à des capteurs proprioceptifs, l'environnement par l'intermédiaire des forces de contact avec le sol (et dans certains cas de vision). La commande (système de décision) permet de définir l'action à exécuter par le robot. Dans le cadre du projet, le chemin que doit suivre le robot est soit supposé connu soit relativement simple à percevoir (marques distinctes au sol), et l'intérêt est porté sur la génération de l'action naturelle de la marche. La recherche est particulièrement orientée vers la recherche d'une marche efficace, c'est à dire correspondant à des dépenses énergétiquement faibles. L'économie d'énergie présente un intérêt certain pour un robot marcheur dont l'autonomie conditionne les capacités de déplacement et d'intervention.

L'équilibre statique du robot n'est pas souhaité à chaque instant (ce qui est souvent le cas des robots humanoïdes) mais au contraire, les phases de déséquilibre sont recherchées pour obtenir une marche dynamique. Ceci passe en particulier par la prise en compte correcte des effets de la gravité, la gravité devant agir pour aider au déplacement du robot au lieu d'être une gêne. Si la commande du robot n'est pas en harmonie avec l'action de la gravité, le robot peut en phase de simple appui, basculer vers l'avant ou vers l'arrière en rotation autour d'une des extrémités du pied d'appui. Ce phénomène est d'autant plus important que la dimension du pied est petite.

Les effets de la gravité sont primordiaux dans les phases de vol qui interviennent dans la course, dans ces phases de vol le système robot est un système sous-actionné. L'évolution du centre de gravité est complètement déterminée par les conditions initiales du vol et l'effet de la gravité.

Pour mettre en évidence le rôle de la gravité et les mouvements du robot qu'elle engendre, notre étude porte sur un robot avec des pieds de longueur nulle et donc aucun couple ne peut être appliqué au niveau des chevilles. Le système en appui sur un pied est sous-motorisé. L'articulation entre le sol et la jambe étant passive, le mouvement global du robot ne peut pas être directement défini par la commande. L'objectif scientifique de ce projet étant ambitieux, il n'est pas imaginable de tenter de résoudre un problème général sur un robot complexe. Ce projet a donc été adapté à une structure particulièrement simple de bipède : le robot Rabbit. Le nombre de moteurs a été volontairement réduit, et une structure planaire composée d'un tronc et de deux jambes motorisées aux hanches et genoux a été définie. Le contact entre pied et sol est ponctuel. Pour limiter le mouvement du robot à une évolution sur le plan, le robot est maintenu par une tige autour d'un poteau central. Le robot est libre en rotation autour de la tige. La tige est instrumentée pour que la position d'un point du tronc soit connue à chaque instant en phase de vol.

Cette structure de robot a été définie afin d'aborder les problèmes suivants :

• Rôle de la gravité dans la marche, ce qui est lié à la sous-motorisation. Il y a un degré de sous-motorisation en phase de simple support, et trois degrés de sous-motorisation en phase de vol.
• Effet des impacts avec les sol.
• Commutation des modèles du robot selon les phases (double appui, appui simple ou vol).
• Unilatéralité des forces de contact.

Cette structure de robot permet par contre d'éviter les difficultés liées à :

• Complexité numérique dû à un nombre d'articulations important.
• Modélisation 3D du robot et des efforts de contact.
• Décomposition en nombreuses phases selon le type de contact avec le sol.

Les difficultés évitées sont essentiellement techniques alors que les problèmes théoriques sont bien mis en évidence par la structure choisie. La structure choisie pose un problème théorique plus difficile qu'une structure anthropomorphe de robot marcheur 3D pour les allures de marche et un problème moins difficile pour les allures de course. En phase de simple support, pour un robot avec pied et cheville motorisée, la condition de non rotation du pied sur le sol impose que le couple sur la cheville en support soit limité (approximativement par le produit de la longueur du pied par la force de réaction verticale), alors que pour la structure choisie, ce couple sur la cheville en support est nul. Les résultats obtenus avec la structure de Rabbit pourront donc être étendus aux robots disposant de pieds, la présence de chevilles motorisées donnant une plus grande robustesse à la commande pour faire face à des perturbations. En phase de vol, la structure étudiée étant plane, le degré de sous motorisation est de 3 alors que pour une structure 3D, le degré de sous motorisation est de 6.

Ce type d'étude sur les robots marcheurs est originale : en effet, la plupart des projets portant sur les structures bipèdes en France et à l'étranger, concernent des robots à plus de 15 degrés de liberté motorisés. Ces bipèdes sont équipés de pied avec des chevilles de type cardans motorisées. Ils ont pour objectif de marcher lentement dans un environnement 3D. On peut citer par exemple le robot BIP (INRIA Rhône Alpes, LMS), le projet Robian (LRP), le robot P3 (Honda, Japon), le robot "M2" (MIT, USA) ... L'objectif de la recherche sur le tel robot est la réalisation de mouvements de marche proche d'une démarche humaine. Mais la complexité est telle que des études théoriques de stabilité, la définition de commande et trajectoires pour avoir des mouvements énergétiquement efficace et stables sont très difficiles. Essentiellement des mouvements quasi statiquement stables sont obtenus. Ces études sont donc complémentaires de celle que nous proposons. En effet, ces chercheurs abordent l'effet du couplage entre les mouvements dans le plan transverse et dans le plan sagittal d'une part et la réalisation technologique de robot complexe d'une part. L'étape suivante à moyen terme, c'est à dire après la réalisation du présent projet, consistera à rapprocher ces travaux et les nôtres pour proposer des commandes efficaces des prototypes complexes.

Au MIT, des robots sauteurs (monopode, bipède et quadrupède) ont été construits mais la conception est très différente de la structure que nous étudions car le décollage du robot est réalisé à l'aide de ressort. De tels robots ne sont pas capables de marcher. Actuellement des études sur le robot sous-motorisé "Spring Flamingo" sont menées au MIT mais l'approche envisagée est très différente des nôtres et repose sur une approche intuitive. La commande permet de reproduire le comportement élément virtuel (ressort, amortisseur) qui permettraient d'obtenir le mouvement désiré.

Des travaux sur l'étude du robot Rabbit ont débuté dans le cadre d'un groupe de travail soutenu par le GdR automatique depuis 4 ans, des avancés significatives ont été faites, mais les travaux théoriques doivent être poursuivis avec de plus, des essais expérimentaux. Les deux premières années de développement du projet ont été consacrées à la définition d'un prototype commun, d'un simulateur et à la définition de trajectoires de références avec une faible dépense énergétique. La structure et les actionneurs définis pour le robot permettent d'effectuer des trajectoires de marche et de course. La dépense énergétique pour une course à 3m/s n'est pas plus importante que pour une marche à 1.5m/s, ce qui justifie aussi l'intérêt que l'on doit porter à la course. Les deux années suivantes ont été consacrées essentiellement à la réalisation matérielle du prototype et à la définition de commande pour stabiliser des trajectoires de marche. Des résultats satisfaisants ont été obtenus théoriquement et en simulation.

Ainsi, l'objet du présent projet peut être résumé par les points suivants :

• tester tous les travaux précédents expérimentalement
• développer d'autres approches de commande pour la stabilisation de la marche
• développer des lois de commande pour la stabilisation de la course.
• intégrer des informations de vision pour le suivi d'une trajectoire

Il faut souligner que, du point de vue de l'automatique le problème de commande et de stabilisation présente des difficultés théoriques importantes :

1. Le système étant sous-actionné, on ne peut pas espérer commander tous les degrés de liberté sur des trajectoires préalablement définies.
2. Le contact entre le pied et le sol est unilatéral et peut être rompu en présence de perturbations
3. Un modèle qui capture l'essentiel des phénomènes physiques intervenant dans la tâche est mathématiquement très complexe.
4. Les outils classiques de l'automatique s'avèrent inefficaces car le concept même de stabilité doit être correctement adapté au robot marcheur dont la tâche est d'effectuer des cycles de marche ou de course.

Enfin, nous ajouterons que des commandes doivent être développées pour le franchissement de petits obstacles (qui ne demande pas une modification importante de l'allure) mais ceci demande d'être capable de détecter des obstacles qui se trouvent sur le chemin du robot. Avec cette motivation l'intégration dans notre groupe de spécialistes en vision est proposée pour évaluer le bénéfice potentiel qu'un tel outil peut apporter à la résolution du problème de commande.