Robotique

La robotique est une branche interdisciplinaire d’ingénierie et de science qui comprend l’ingénierie mécanique, l’ingénierie électronique, l’ingénierie de l’information, l’informatique et autres. La robotique traite de la conception, de la construction, du fonctionnement et de l’utilisation de robots, ainsi que de systèmes informatiques pour leur contrôle, leur retour sensoriel et leur traitement de l’information.

Ces technologies sont utilisées pour développer des machines pouvant se substituer à l’homme et reproduire les actions humaines. Les robots peuvent être utilisés dans de nombreuses situations et à de nombreuses fins, mais aujourd’hui, beaucoup sont utilisés dans des environnements dangereux (notamment la détection et la désactivation des bombes), des processus de fabrication ou des environnements où l’homme ne peut pas survivre (par exemple, dans l’espace). Les robots peuvent prendre n’importe quelle forme, mais certains ont l’apparence d’être humains. Cela aiderait à l’acceptation d’un robot dans certains comportements de réplication généralement effectués par des personnes. Ces robots tentent de reproduire la marche, la levée, la parole, la cognition et, fondamentalement, tout ce qu’un humain peut faire. Beaucoup de robots d’aujourd’hui sont inspirés par la nature, contribuant au domaine de la robotique bio-inspirée.

Le concept de création de machines pouvant fonctionner de manière autonome remonte à l’époque classique, mais la recherche sur la fonctionnalité et les utilisations potentielles des robots n’a pas connu une croissance importante jusqu’au XXe siècle. Tout au long de l’histoire, on a souvent supposé que les robots seraient un jour en mesure d’imiter le comportement humain et de gérer des tâches à la manière d’un homme. Aujourd’hui, la robotique est un domaine en pleine croissance, alors que les progrès technologiques se poursuivent. La recherche, la conception et la construction de nouveaux robots répondent à plusieurs objectifs pratiques, que ce soit au niveau national, commercial ou militaire. De nombreux robots sont construits pour faire des travaux dangereux pour les personnes, tels que désamorcer des bombes, retrouver des survivants dans des ruines instables et explorer des mines et des naufrages. La robotique est également utilisée en STEM (science, technologie, ingénierie et mathématiques) comme support pédagogique.

La robotique est une branche de l’ingénierie qui comprend la conception, la conception, la fabrication et l’exploitation de robots. Ce domaine recouvre l’électronique, l’informatique, l’intelligence artificielle, la mécatronique, la nanotechnologie et la bio-ingénierie.

Aspects robotiques

Il existe de nombreux types de robots; ils sont utilisés dans de nombreux environnements et pour différents usages, bien que leurs applications et leurs formes soient très diverses, ils partagent tous trois similitudes fondamentales en ce qui concerne leur construction:

Les robots ont tous une sorte de construction mécanique, un cadre, une forme ou une forme conçue pour accomplir une tâche particulière. Par exemple, un robot conçu pour se déplacer dans de la terre ou de la boue peut utiliser des chenilles. L’aspect mécanique est principalement la solution du créateur pour achever la tâche assignée et gérer la physique de l’environnement qui l’entoure. La forme suit la fonction.
Les robots ont des composants électriques qui alimentent et contrôlent les machines. Par exemple, le robot doté de chenilles aurait besoin d’une sorte de puissance pour déplacer les chenilles du suiveur. Ce courant se présente sous la forme d’électricité, qui devra transiter par un fil et provenir d’une batterie, d’un circuit électrique de base. Même les machines à essence qui tirent leur puissance principalement de l’essence nécessitent toujours un courant électrique pour démarrer le processus de combustion. C’est pourquoi la plupart des machines à essence comme les voitures ont des batteries. L’aspect électrique des robots est utilisé pour le mouvement (à travers les moteurs), la détection (où les signaux électriques sont utilisés pour mesurer des éléments tels que la chaleur, le son, la position et le statut énergétique) et le fonctionnement (les robots ont besoin d’un certain niveau d’énergie électrique pour leurs moteurs et capteurs pour activer et effectuer des opérations de base)
Tous les robots contiennent un certain niveau de code de programmation informatique. Un programme est la façon dont un robot décide quand et comment faire quelque chose. Dans l’exemple de la chenille, un robot qui doit traverser une route boueuse peut avoir la construction mécanique correcte et recevoir la quantité correcte d’énergie de sa batterie, mais ne peut aller nulle part sans un programme lui demandant de se déplacer. Les programmes sont l’essence fondamentale d’un robot, il peut avoir une excellente construction mécanique et électrique, mais si son programme est mal construit, ses performances seront très médiocres (ou risquent de ne pas être du tout). Il existe trois types de programmes robotiques: la télécommande, l’intelligence artificielle et hybride. Un robot avec programmation de contrôle à distance possède un ensemble préexistant de commandes qu’il ne peut exécuter que s’il reçoit un signal provenant d’une source de contrôle, généralement un être humain doté d’une télécommande. Il est peut-être plus approprié de considérer les dispositifs contrôlés principalement par des commandes humaines comme relevant de la discipline de l’automatisation plutôt que de la robotique. Les robots qui utilisent l’intelligence artificielle interagissent avec leur environnement sans source de contrôle et peuvent déterminer les réactions aux objets et aux problèmes qu’ils rencontrent à l’aide de leur programmation préexistante. Hybride est une forme de programmation qui intègre à la fois des fonctions d’intelligence artificielle et de télécommande.

Applications
Comme de plus en plus de robots sont conçus pour des tâches spécifiques, cette méthode de classification devient plus pertinente. Par exemple, de nombreux robots sont conçus pour des travaux d’assemblage, qui peuvent ne pas être facilement adaptables pour d’autres applications. Ils sont appelés « robots d’assemblage ». Pour le soudage à la molette, certains fournisseurs fournissent des systèmes de soudage complets avec le robot, c’est-à-dire le matériel de soudage et d’autres installations de manutention, telles que des tables tournantes, etc. Un tel système robotique intégré est appelé « robot de soudage », même si son unité de manipulation discrète pourrait être adaptée à diverses tâches. Certains robots sont spécialement conçus pour la manipulation de charges lourdes et sont étiquetés comme « robots lourds ».

Les applications actuelles et potentielles incluent:

Robots militaires
Caterpillar prévoit de développer des machines télécommandées et prévoit de développer des robots lourds totalement autonomes d’ici 2021. Certaines grues sont déjà télécommandées.
Il a été démontré qu’un robot peut effectuer une tâche de rassemblement.
Les robots sont de plus en plus utilisés dans la fabrication (depuis les années 1960). Dans l’industrie automobile, ils peuvent représenter plus de la moitié de la « main-d’œuvre ». Il existe même des usines « éteintes », telles qu’une usine de fabrication de claviers IBM au Texas, entièrement automatisée.
Des robots tels que HOSPI sont utilisés comme coursiers dans les hôpitaux (robot hospitalier). Les autres tâches hospitalières effectuées par les robots sont les réceptionnistes, les guides et les aides des porteurs.
Les robots peuvent servir de serveurs et de cuisiniers, également à la maison. Boris est un robot capable de charger un lave-vaisselle. Rotimatic est un appareil de cuisine robotique qui cuit les pains plats automatiquement.
Combat de robots pour le sport – passe-temps ou événement sportif où deux ou plusieurs robots se battent dans une arène pour se neutraliser. Cela a évolué d’un passe-temps dans les années 1990 à plusieurs séries télévisées dans le monde entier.
Nettoyage des zones contaminées, telles que les déchets toxiques ou les installations nucléaires.
Robots agricoles (AgRobots).
Robots domestiques, nettoyage et soins aux personnes âgées
Robots médicaux pratiquant une chirurgie peu invasive
Robots ménagers pleinement utilisés.
Nanorobots
Robotique en essaim

Composants

Source d’énergie
À l’heure actuelle, la plupart des batteries (plomb-acide) sont utilisées comme source d’alimentation. De nombreux types de batteries peuvent être utilisés comme source d’alimentation pour les robots. Elles vont des batteries plomb-acide, qui sont sûres et ont une durée de vie relativement longue mais sont plutôt lourdes comparées aux batteries argent-cadmium, beaucoup moins volumineuses et beaucoup plus chères. La conception d’un robot alimenté par batterie doit prendre en compte des facteurs tels que la sécurité, la durée de vie du cycle et le poids. Des générateurs, souvent un type de moteur à combustion interne, peuvent également être utilisés. Cependant, ces conceptions sont souvent complexes du point de vue mécanique et nécessitent un combustible, nécessitent une dissipation de chaleur et sont relativement lourdes. Une attache reliant le robot à une source d’alimentation l’enlèverait entièrement. Cela présente l’avantage d’économiser du poids et de l’espace en déplaçant tous les composants de production et de stockage d’énergie ailleurs. Cependant, cette conception présente l’inconvénient de disposer en permanence d’un câble connecté au robot, ce qui peut être difficile à gérer. Les sources d’énergie potentielles pourraient être:

pneumatique (gaz comprimés)
Énergie solaire (utilisation de l’énergie du soleil et conversion en énergie électrique)
hydraulique (liquide)
stockage d’énergie au volant
déchets organiques (digestion anaérobie)
nucléaire

Actionnement
Les actionneurs sont les « muscles » d’un robot, les pièces qui convertissent l’énergie stockée en mouvement. Les actionneurs les plus populaires sont de loin les moteurs électriques qui font tourner une roue ou un engrenage, et les actionneurs linéaires qui contrôlent les robots industriels dans les usines. Il y a eu quelques avancées récentes dans les types d’actionneurs alternatifs, alimentés à l’électricité, des produits chimiques ou à l’air comprimé.

Moteurs électriques
La grande majorité des robots utilisent des moteurs électriques, souvent des moteurs CC à balais et sans balais dans les robots portables ou des moteurs à courant alternatif dans des robots industriels et des machines à commande numérique. Ces moteurs sont souvent préférés dans les systèmes avec des charges plus légères et où la forme de mouvement prédominante est la rotation.

Actionneurs linéaires
Différents types d’actionneurs linéaires entrent et sortent au lieu de tourner, et subissent souvent des changements de direction plus rapides, en particulier lorsque de très grandes forces sont nécessaires, comme avec la robotique industrielle. Ils sont généralement alimentés par de l’air comprimé et oxydé (actionneur pneumatique) ou par une huile (actionneur hydraulique).

Actionneurs élastiques de la série
Une flexion est conçue pour faire partie de l’actionneur du moteur, afin d’améliorer la sécurité et de fournir un contrôle robuste de la force, une efficacité énergétique, l’absorption des chocs (filtrage mécanique) tout en réduisant l’usure excessive de la transmission et d’autres composants mécaniques. La moindre inertie réfléchie qui en résulte peut améliorer la sécurité lorsqu’un robot interagit avec des humains ou lors de collisions. Il a été utilisé dans divers robots, notamment des robots de fabrication de pointe et des robots humanoïdes ambulants.

Muscles de l’air
Les muscles artificiels pneumatiques, également appelés muscles de l’air, sont des tubes spéciaux qui se dilatent (généralement jusqu’à 40%) lorsque de l’air y est forcé. Ils sont utilisés dans certaines applications de robot.

Fil musculaire
Le fil musculaire, également appelé alliage à mémoire de forme, fil de Nitinol® ou Flexinol®, est un matériau qui se contracte (moins de 5%) lorsque l’électricité est appliquée. Ils ont été utilisés pour certaines petites applications de robot.

Polymères électroactifs
Les PAE ou EPAM sont un nouveau matériau plastique qui peut se contracter de manière importante (jusqu’à 380% de contrainte d’activation) de l’électricité. Ils sont utilisés dans les muscles du visage et les bras des robots humanoïdes et permettent à de nouveaux robots de flotter, voler, nager ou marcher.

Moteurs piézo
Les alternatives récentes aux moteurs à courant continu sont les moteurs piézo-électriques ou les moteurs à ultrasons. Celles-ci fonctionnent sur un principe fondamentalement différent, selon lequel de minuscules éléments piézo-céramiques, vibrant plusieurs milliers de fois par seconde, provoquent un mouvement linéaire ou rotatif. Il existe différents mécanismes de fonctionnement; un type utilise la vibration des éléments piézo pour faire avancer le moteur en cercle ou en ligne droite. Un autre type utilise les éléments piézo-électriques pour faire vibrer un écrou ou entraîner une vis. Les avantages de ces moteurs sont la résolution nanométrique, la vitesse et la force disponible pour leur taille. Ces moteurs sont déjà disponibles dans le commerce et utilisés sur certains robots.

Nanotubes élastiques
Les nanotubes élastiques constituent une technologie musculaire artificielle prometteuse au stade expérimental du développement. L’absence de défauts dans les nanotubes de carbone permet à ces filaments de se déformer élastiquement de plusieurs pour cent, avec des niveaux de stockage d’énergie pouvant atteindre 10 J / cm3 pour les nanotubes métalliques. Le biceps humain pourrait être remplacé par un fil de 8 mm de diamètre de ce matériau. Un tel « muscle » compact pourrait permettre aux futurs robots de distancer et de dépasser les humains.

La détection
Les capteurs permettent aux robots de recevoir des informations sur une certaine mesure de l’environnement ou de composants internes. Cela est essentiel pour que les robots puissent exécuter leurs tâches et agir en cas de modification de l’environnement afin de calculer la réponse appropriée. Ils sont utilisés pour diverses formes de mesures, pour donner aux robots des avertissements sur la sécurité ou les dysfonctionnements, et pour fournir des informations en temps réel sur la tâche effectuée.

Toucher
Les mains robotiques et prothétiques actuelles reçoivent beaucoup moins d’informations tactiles que la main humaine. Des recherches récentes ont mis au point un réseau de capteurs tactiles imitant les propriétés mécaniques et les récepteurs tactiles des doigts humains. Le réseau de capteurs est construit sous la forme d’un noyau rigide entouré d’un fluide conducteur contenu dans une peau en élastomère. Les électrodes sont montées sur la surface du noyau rigide et sont connectées à un dispositif de mesure d’impédance à l’intérieur du noyau. Lorsque la peau artificielle touche un objet, le trajet de fluide autour des électrodes se déforme, ce qui produit des changements d’impédance qui cartographient les forces reçues de l’objet. Les chercheurs s’attendent à ce qu’une fonction importante de ces doigts artificiels soit le réglage de la prise en main robotique d’objets tenus en main.

Des scientifiques de plusieurs pays européens et d’Israël ont développé en 2009 une main prothétique, appelée SmartHand, qui fonctionne comme une vraie: permettant aux patients d’écrire avec elle, de taper sur un clavier, de jouer du piano et d’effectuer d’autres mouvements fins. La prothèse comporte des capteurs qui permettent au patient de ressentir les sensations réelles du bout des doigts.

Vision
La vision par ordinateur est la science et la technologie des machines qui voient. En tant que discipline scientifique, la vision par ordinateur s’intéresse à la théorie sous-jacente aux systèmes artificiels qui extraient des informations à partir d’images. Les données d’image peuvent prendre de nombreuses formes, telles que des séquences vidéo et des vues à partir de caméras.

Dans la plupart des applications pratiques de vision par ordinateur, les ordinateurs sont préprogrammés pour résoudre une tâche particulière, mais les méthodes basées sur l’apprentissage deviennent de plus en plus courantes.

Les systèmes de vision par ordinateur reposent sur des capteurs d’image qui détectent les rayonnements électromagnétiques qui se présentent généralement sous forme de lumière visible ou infrarouge. Les capteurs sont conçus en utilisant la physique à l’état solide. Le processus par lequel la lumière se propage et se réfléchit sur les surfaces est expliqué à l’aide de l’optique. Les capteurs d’image sophistiqués ont même besoin de la mécanique quantique pour fournir une compréhension complète du processus de formation d’image. Les robots peuvent également être équipés de plusieurs capteurs de vision pour pouvoir mieux calculer le sens de la profondeur dans l’environnement. Comme les yeux humains, les « yeux » des robots doivent également être capables de se concentrer sur un domaine d’intérêt particulier et de s’adapter aux variations d’intensités lumineuses.

Il existe un sous-domaine de la vision par ordinateur où les systèmes artificiels sont conçus pour imiter le traitement et le comportement du système biologique, à différents niveaux de complexité. En outre, certaines des méthodes basées sur l’apprentissage développées dans le cadre de la vision par ordinateur ont leur expérience en biologie.

Autre
Les autres formes courantes de détection en robotique utilisent le lidar, le radar et le sonar.

Manipulation
Les robots ont besoin de manipuler des objets. ramasser, modifier, détruire ou avoir un autre effet. Ainsi, les « mains » d’un robot sont souvent appelées effecteurs terminaux, tandis que le « bras » est appelé manipulateur. La plupart des bras de robot ont des effecteurs remplaçables, chacun leur permettant d’effectuer une petite gamme de tâches. Certains ont un manipulateur fixe qui ne peut pas être remplacé, alors que certains ont un manipulateur très général, par exemple une main humanoïde. Apprendre à manipuler un robot nécessite souvent un retour d’informations étroit entre l’homme, bien qu’il existe plusieurs méthodes de manipulation à distance des robots.

Pinces mécaniques
L’un des effecteurs les plus courants est le préhenseur. Dans sa plus simple manifestation, il ne se compose que de deux doigts qui peuvent s’ouvrir et se fermer pour saisir et laisser tomber une gamme de petits objets. Les doigts peuvent par exemple être constitués d’une chaîne traversée par un fil métallique. Les mains qui ressemblent et fonctionnent plus comme une main humaine incluent la main ombre et la main Robonaut. Les mains d’une complexité moyenne incluent la main de Delft. Les pinces mécaniques peuvent être de différents types, y compris les frottements et les mâchoires englobantes. Les mâchoires à friction utilisent toute la force de la pince pour maintenir l’objet en place par frottement. Les mâchoires englobantes maintiennent l’objet en place en utilisant moins de frottement.

Pinces à vide
Les pinces à vide sont des dispositifs très simples et restrictifs pouvant supporter des charges très importantes, à condition que la surface de préhension soit suffisamment lisse pour assurer l’aspiration.

Les robots pick-and-place pour composants électroniques et objets volumineux, tels que les pare-brise de voiture, utilisent souvent de très simples pinces à vide.

Effecteurs généraux
Certains robots avancés commencent à utiliser des mains entièrement humanoïdes, telles que la main fantôme, MANUS et la main Schunk. Ce sont des manipulateurs extrêmement habiles, avec jusqu’à 20 degrés de liberté et des centaines de capteurs tactiles.

Locomotion

Robots Roulants
Pour des raisons de simplicité, la plupart des robots mobiles ont quatre roues ou plusieurs pistes continues. Certains chercheurs ont essayé de créer des robots à roues plus complexes avec une ou deux roues. Celles-ci peuvent présenter certains avantages, tels qu’une efficacité accrue et des pièces réduites, ainsi que la possibilité pour un robot de naviguer dans des endroits confinés qu’un robot à quatre roues ne pourrait pas.

Robots d’équilibrage à deux roues
Les robots d’équilibrage utilisent généralement un gyroscope pour détecter la chute d’un robot, puis pilotent les roues proportionnellement dans la même direction, afin de contrebalancer la chute des centaines de fois par seconde, sur la base de la dynamique d’un pendule inversé. De nombreux robots d’équilibrage différents ont été conçus. Bien que le Segway ne soit généralement pas considéré comme un robot, il peut être considéré comme un composant d’un robot. Lorsqu’il est utilisé comme tel, le Segway est appelé RMP (Robotic Mobility Platform). Un exemple de cette utilisation a été le Robonaut de la NASA qui a été monté sur un Segway.

Robots d’équilibrage à une roue
Un robot d’équilibrage à une roue est une extension d’un robot d’équilibrage à deux roues afin qu’il puisse se déplacer dans n’importe quelle direction 2D en utilisant une balle ronde comme seule roue. Plusieurs robots d’équilibrage à une roue ont été conçus récemment, tels que « Ballbot » de l’Université Carnegie Mellon, qui correspond à la hauteur et à la largeur approximatives d’une personne, et « BallIP » de l’Université Tohoku Gakuin. En raison de leur forme longue et mince et de leur capacité à manœuvrer dans des espaces restreints, ils ont le potentiel de fonctionner mieux que les autres robots dans des environnements avec des personnes.

Robots sphériques sphériques
Plusieurs tentatives ont été faites dans des robots qui sont complètement à l’intérieur d’une boule sphérique, soit en faisant tourner un poids à l’intérieur de la boule, soit en faisant pivoter les coques extérieures de la sphère. Ceux-ci ont également été appelés un robot orbe ou un bot balle.

Robots à six roues
L’utilisation de six roues au lieu de quatre peut offrir une meilleure traction ou adhérence sur les terrains extérieurs, tels que la terre ou l’herbe.

Robots sur chenilles
Les chenilles de chars fournissent encore plus de traction qu’un robot à six roues. Les roues à chenilles se comportent comme si elles étaient constituées de centaines de roues. Elles sont donc très courantes pour les robots de plein air et militaires, où le robot doit conduire sur des terrains très accidentés. Cependant, ils sont difficiles à utiliser à l’intérieur, tels que les tapis et les sols lisses. Urban Robot « Urbie » de la NASA en est un exemple.

Marcher appliqué aux robots
La marche est un problème difficile et dynamique à résoudre. Plusieurs robots ont été fabriqués qui peuvent marcher de manière fiable sur deux jambes, mais aucun n’a encore été fabriqué qui soit aussi robuste qu’un humain. Il existe de nombreuses études sur la marche inspirée par l’homme, telles que le laboratoire AMBER, créé en 2008 par le département de génie mécanique de la Texas A & M University. De nombreux autres robots ont été construits et marchent sur plus de deux jambes, en raison de la facilité de construction de ces robots. Les robots marcheurs peuvent être utilisés sur des terrains accidentés, ce qui offrirait une mobilité et une efficacité énergétique supérieures à celles des autres méthodes de locomotion. Des hybrides ont également été proposés dans des films tels que I, Robot, où ils marchent sur deux jambes et passent à quatre (bras + jambes) lorsqu’ils se rendent à un sprint. En règle générale, les robots sur deux jambes peuvent bien marcher sur des sols plats et parfois monter des escaliers. Personne ne peut marcher sur un terrain rocheux et accidenté. Certaines des méthodes qui ont été essayées sont:

Technique ZMP
Le point de moment zéro (ZMP) est l’algorithme utilisé par des robots tels que ASIMO de Honda. L’ordinateur de bord du robot essaie de conserver les forces d’inertie totales (la combinaison de la gravité terrestre et des accélérations et décélérations de la marche), exactement opposées à la force de réaction du sol (la force du sol repoussant le pied du robot). De cette manière, les deux forces s’annulent, ne laissant aucun moment (force entraînant la rotation et la chute du robot). Cependant, ce n’est pas exactement ainsi que l’homme marche, et la différence est évidente pour les observateurs humains, dont certains ont fait remarquer qu’ASIMO marche comme s’il avait besoin de toilettes. L’algorithme de marche d’ASIMO n’est pas statique et un équilibrage dynamique est utilisé (voir ci-dessous). Cependant, il faut encore une surface lisse pour marcher.

Sautillant
Plusieurs robots, construits dans les années 1980 par Marc Raibert au MIT Leg Laboratory, ont démontré avec succès une marche très dynamique. Initialement, un robot avec une seule jambe et un très petit pied pouvait rester debout simplement en sautillant. Le mouvement est le même que celui d’une personne sur un bâton de pogo. Lorsque le robot tombe d’un côté, il saute légèrement dans cette direction afin de se rattraper. Bientôt, l’algorithme a été généralisé à deux et quatre jambes. Un robot bipède a été démontré en cours d’exécution et même effectuer des sauts périlleux. Un quadrupède a également été démontré, capable de trotter, de courir, de marcher et de se lier. Pour une liste complète de ces robots, voir la page MIT Leg Lab Robots.

Equilibrage dynamique (chute contrôlée)
Un moyen plus avancé pour un robot de marcher consiste à utiliser un algorithme d’équilibrage dynamique, potentiellement plus robuste que la technique Zero Moment Point, car il surveille en permanence le mouvement du robot et place les pieds afin de maintenir la stabilité. Cette technique a récemment été démontrée par le robot Dexter de Anybots, qui est si stable qu’il peut même sauter. Un autre exemple est la flamme TU Delft.

Dynamique passive
L’approche la plus prometteuse est peut-être la dynamique passive, où l’élan des membres balancés est utilisé pour une plus grande efficacité. Il a été démontré que des mécanismes humanoïdes totalement non alimentés peuvent descendre une pente douce en utilisant uniquement la gravité pour se propulser. En utilisant cette technique, un robot n’a besoin que de peu de puissance motrice pour marcher sur une surface plane ou un peu plus pour monter une colline. Cette technique promet de rendre les robots marcheurs au moins dix fois plus efficaces que les marcheurs ZMP, comme ASIMO.

Autres moyens de locomotion

En volant
Un avion de transport de passagers moderne est essentiellement un robot volant piloté par deux humains. Le pilote automatique peut contrôler l’avion pour chaque étape du voyage, y compris le décollage, le vol normal et même l’atterrissage. D’autres robots volants sont inhabités et sont appelés véhicules aériens sans pilote (UAV). Ils peuvent être plus petits et plus légers sans pilote humain à bord et se rendre en territoire dangereux pour des missions de surveillance militaire. Certains peuvent même tirer sur des cibles sous commandement. Des UAV sont également en cours de développement pour pouvoir tirer sur des cibles automatiquement, sans qu’il soit nécessaire de commander un humain. Les autres robots volants comprennent les missiles de croisière, l’Entomopter et le micro-robot Epson. Des robots tels que les Air Penguin, Air Ray et Air Jelly ont des corps plus légers que l’air, propulsés par des pagaies et guidés par un sonar.

Serpent
Plusieurs robots serpents ont été développés avec succès. Imitant la façon dont les vrais serpents se déplacent, ces robots peuvent naviguer dans des espaces très confinés, ce qui signifie qu’ils pourront un jour être utilisés pour rechercher des personnes piégées dans des bâtiments effondrés. Le robot serpent japonais ACM-R5 peut même naviguer à la fois sur terre et dans l’eau.

Patinage
Un petit nombre de robots de patinage ont été mis au point, dont l’un est un dispositif de marche et de patinage multimode. Il a quatre jambes, avec des roues non motorisées, qui peuvent marcher ou rouler. Un autre robot, Plen, peut utiliser une planche à roulettes ou des patins à roulettes miniatures et patiner sur un bureau.

Escalade
Plusieurs approches différentes ont été utilisées pour développer des robots capables d’escalader des surfaces verticales. Une approche imite les mouvements d’un alpiniste humain sur un mur avec des protubérances; ajuster le centre de masse et déplacer chaque membre à tour de rôle pour obtenir un effet de levier. Les Capucins, construits par le Dr Ruixiang Zhang à l’Université de Stanford, en Californie, en sont un exemple. Une autre approche utilise la méthode spécialisée de la gomme pour grimper aux murs, qui peut courir sur des surfaces lisses telles que le verre vertical. Wallbot et Stickybot sont des exemples de cette approche. Le 15 novembre 2008, le quotidien technologique chinois avait rapporté que le Dr. Li Hiu Yeung et son groupe de recherche de New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd. avaient développé avec succès un robot bionique à gecko nommé « Speedy Freelander ». Selon le Dr Li, le robot gecko pourrait rapidement monter et descendre d’une variété de murs de bâtiment, naviguer à travers les fissures du sol et du mur et marcher tête en bas au plafond. Il a également été capable de s’adapter aux surfaces de verre lisse, de murs rugueux, collants ou poussiéreux ainsi qu’à divers types de matériaux métalliques. Il pourrait également identifier et contourner les obstacles automatiquement. Sa souplesse et sa rapidité étaient comparables à celles d’un gecko naturel. Une troisième approche consiste à imiter le mouvement d’un serpent escaladant un pôle.

Natation (Piscine)
Il est calculé que certains poissons peuvent atteindre une efficacité de propulsion supérieure à 90% en nageant. En outre, ils peuvent accélérer et manœuvrer beaucoup mieux que n’importe quel bateau ou sous-marin artificiel, et produire moins de bruit et de perturbation de l’eau. Par conséquent, de nombreux chercheurs qui étudient les robots sous-marins aimeraient copier ce type de locomotion. Des exemples notables sont le robot robotique G9 Computer Science de l’Université d’Essex et le robot thon construit par l’Institute of Field Robotics pour analyser et modéliser mathématiquement le mouvement thunniforme. L’Aqua Penguin, conçu et construit par Festo en Allemagne, reproduit la forme profilée et la propulsion des « palmes » avant des pingouins. Festo a également construit Aqua Ray et Aqua Jelly, qui imitent la locomotion de la raie manta et des méduses, respectivement.

En 2014, l’iSplash-II a été développé par Richard James Clapham, étudiant au doctorat, et le professeur Huosheng Hu de l’Université d’Essex. Il s’agissait du premier poisson robotique capable de surpasser le vrai poisson carangiforme en termes de vitesse maximale moyenne (mesurée en longueurs corporelles / seconde) et d’endurance, durée pendant laquelle la vitesse maximale est maintenue. Cette construction a atteint une vitesse de nage de 11,6 L / s (soit 3,7 m / s). La première version, iSplash-I (2014), a été la première plate-forme robotique à appliquer un mouvement de nage carangiforme sur tout le corps, ce qui a permis d’augmenter de 27% la vitesse de nage par rapport à l’approche traditionnelle d’une forme d’onde confinée postérieure.

Voile
Des robots pour voiliers ont également été développés pour effectuer des mesures à la surface de l’océan. Un robot de voilier typique est Vaimos construit par IFREMER et ENSTA-Bretagne. Comme la propulsion des robots de voiliers utilise le vent, l’énergie des batteries n’est utilisée que pour l’ordinateur, la communication et les actionneurs (pour régler le gouvernail et la voile). Si le robot est équipé de panneaux solaires, il pourrait théoriquement naviguer pour toujours. Les deux principales compétitions de robots de voiliers sont le WRSC, qui se déroule chaque année en Europe, et le Sailbot.

Contrôle
La structure mécanique d’un robot doit être contrôlée pour effectuer des tâches. Le contrôle d’un robot comporte trois phases distinctes: la perception, le traitement et l’action (paradigmes robotiques). Les capteurs fournissent des informations sur l’environnement ou sur le robot lui-même (par exemple, la position de ses articulations ou son effecteur final). Ces informations sont ensuite traitées pour être stockées ou transmises et pour calculer les signaux appropriés à destination des actionneurs (moteurs) qui déplacent la mécanique.

La phase de traitement peut varier en complexité. Au niveau réactif, il peut traduire les informations brutes du capteur directement en commandes de l’actionneur. La fusion de capteurs peut tout d’abord être utilisée pour estimer les paramètres d’intérêt (par exemple, la position de la pince du robot) à partir de données de capteurs bruyantes. Une tâche immédiate (telle que déplacer la pince dans une certaine direction) est déduite de ces estimations. Les techniques de la théorie du contrôle convertissent la tâche en commandes qui pilotent les actionneurs.

À des échelles de temps plus longues ou avec des tâches plus sophistiquées, le robot peut avoir besoin de construire et de raisonner avec un modèle « cognitif ». Les modèles cognitifs tentent de représenter le robot, le monde et leurs interactions. La reconnaissance des formes et la vision par ordinateur peuvent être utilisées pour suivre des objets. Les techniques de cartographie peuvent être utilisées pour construire des cartes du monde. Enfin, la planification des mouvements et d’autres techniques d’intelligence artificielle peuvent être utilisées pour comprendre comment agir. Par exemple, un planificateur peut déterminer comment réaliser une tâche sans heurter les obstacles, tomber, etc.

Niveaux d’autonomie
Les systèmes de contrôle peuvent également avoir différents niveaux d’autonomie.

L’interaction directe est utilisée pour les dispositifs haptiques ou téléopérés, et l’humain contrôle presque entièrement le mouvement du robot.
Les modes d’assistance opérateur permettent à l’opérateur de commander des tâches de niveau moyen à élevé, le robot déterminant automatiquement comment les réaliser.
Un robot autonome peut rester sans interaction humaine pendant de longues périodes. Des niveaux d’autonomie plus élevés ne nécessitent pas nécessairement des capacités cognitives plus complexes. Par exemple, les robots des usines de montage sont complètement autonomes mais fonctionnent selon un schéma fixe.

Une autre classification prend en compte l’interaction entre le contrôle humain et les mouvements de la machine.

Téléopération. Un humain contrôle chaque mouvement, chaque changement d’actionneur de machine est spécifié par l’opérateur.
Surveillance. Un humain spécifie des mouvements généraux ou des changements de position et la machine décide des mouvements spécifiques de ses actionneurs.
Autonomie au niveau des tâches. L’opérateur spécifie uniquement la tâche et le robot se gère lui-même pour la mener à bien.
Pleine autonomie. La machine créera et complétera toutes ses tâches sans interaction humaine.