Robotique et
Apprentissage
Option de
3ième année - ENSEIRB-MATMECA
Responsables: Denis Lapoire & Olivier Ly
Contexte
Le marché
de la robotique a longtemps été porté par
l’industrie automobile et c’est aujourd’hui encore
largement le cas. Pour autant, d’autres industries, par exemple
l’agroalimentaire, ou encore le BTP, investissent
aujourd’hui ce champ (la part de l’automobile dans le
marché de la robotique industrielle est passée de 72%
à 41% en 10 ans). Par ailleurs, de nouveaux marchés se
développent, plus proches
du grand public : robotique médicale, robotique de service,
robotique
d’accompagnement, exploration, etc. La nature de ces
nouveaux marchés provoque une mutation importante des
métiers de la robotique. Elle implique une variabilité
plus importante de l’environnement dans lequel opère le
robot, et le conduit à opérer sur la base de technologies
multiples allant des systèmes embarqués à
l'analyse d'image par exemple.
Le cursus que
nous envisageons se propose de former des ingénieurs capables
d’appréhender ces technologies dans leur ensemble. Par
essence pluridisciplinaire, elle vise à donner aux futurs
ingénieurs des compétences allant des technologies
robotiques intrinsèques jusqu’aux techniques de vision, ou
encore d’adaptation en temps réel de primitives motrices.
Objectifs
L’objectif
de la formation est de donner les compétences fondamentales aux
ingénieurs qui voudront aborder ces nouveaux métiers,
aujourd’hui et demain.
La cellule
robotique d’aujourd’hui s’est considérablement
complexifiée. Le robot y reste central, déployant une
technologie acquise au long de plusieurs décennies offrant
précision, puissance et rapidité. Mais elle
s’appuie également sur des technologies multiples (de
nombreux types de capteurs, analyse d’image, systèmes
embarqués, statistiques avancées), conduisant les
unités de production à être de plus en plus «
intelligentes ». Cette formation vise à donner à
l’ingénieur les compétences essentielles de
robotique, nécessaires au déploiement de robots
complexes, mais également à leur donner les outils pour
les développements à venir, où la cellule
robotique devra s’optimiser et notamment s’adapter à
son environnement. Prendre en compte la variabilité de ce
dernier, que ce soit dans l’agroalimentaire ou le bâtiment,
est un élément clé pour la robotique. Ce sera
d’autant plus crucial dans les applications de robotique de
service ou de robotique personnelle, où les robots seront
déployés chez tout un chacun, éventuellement
mobiles et autonomes.
Ainsi, le
roboticien d’aujourd’hui devra être capable
d’appréhender et de concevoir un système complet.
Ses compétences devront être solides sur le plan de la
robotique classique et de l’automatique, mais il devra pouvoir
s’appuyer également sur des compétences profondes
en statistiques par exemple, pour l’analyse d’image, ou
l’analyse de capteurs. Ses compétences toucheront
également les systèmes embarqués, en particulier
pour les systèmes mobiles, et l’informatique y sera
omniprésente. Dans les marchés naissant de la robotique
de service, ou de la robotique personnelle, d’accompagnement, les
problématiques nouvelles d’interface homme/robot
apparaissent aussi comme essentielles. La formation donnera en ce sens
les bases de la cognitique, ouvrant l’ingénieur vers de
nouvelles perspectives. Enfin, la formation donnera une ouverture sur
les technologies liées à l’apprentissage
automatique, voies prometteuses pour l’auto-adaptation à
l’environnement.
Cette
formation se déclinera par plusieurs composantes :
- Un socle fondamental donnant aux élèves
ingénieurs les bases de la robotique (modélisation,
contrôle, mécatronique).
- Ingénierie système, et en particulier
systèmes embarqués.
- L’analyse des capteurs, et en particulier la vision.
- La robotique autonome.
- L’interaction homme / robot, les techniques
d’adaptation et d’apprentissage.
Ce projet
bénéficie de la collaboration du projet Rhoban du LaBRI, mais
également des équipes automatique et
cognitique de l’IMS. Ce projet
s’inscrit notamment dans une démarche
collaborative avec l’ENSC (groupe IPB).
Structure des
enseignements
1.
Modélisation et commande de systèmes robotiques
Il s'agit de
donner les bases de la robotique classique. Modélisation du
robot, planification, optimisation de mouvement, etc.
Modélisation,
cinématique, dynamique
Représentation
géométrique, cinématique, espace des joints/espace
des tâches, cinématique inverse, modèle dynamique
des systèmes à corps solides, dynamique inverse.
Base du contrôle, planification
On donnera ici
les bases de la théorie du contrôle, PID, « computed
torque », contrôle en force.
Planification de
mouvement, méthodes itératives
Projet
Il s’agit
de mettre en oeuvre les compétences acquises dans ce module au
cours d'un projet collectif en s'appuyant sur un robot de type
industriel. L’objectif est de se familiariser aux environnements
et aux technologies déployées dans l’industrie
(planification de mouvement réel ou simulation, planification et
optimisation de trajectoire sur bras robotique).
2.
Architecture des Systèmes Robotiques
Ingénierie
des systèmes robotiques. L'objectif de ce module est de donner
les bases pour la conception d'un système robotique complet.
Mécatronique, énergie, actuateurs, moteurs
Mécatronique,
étude des différents types d’actuateurs (moteurs
électriques, hydrauliques, etc..), gestion de
l’énergie.
Systèmes embarqués
Architecture de
contrôle, capteurs, protocoles de communication, bus de terrain,
systèmes temps-réel.
Projet système embarqué
Le but est la mise en oeuvre pratique sur des systèmes
simples du pilotage bas niveau de capteurs, actuateurs, etc.
3.
Robotique Avancée / Robotique Autonome
Systèmes
de décision haut niveau pour la robotique personnelle et de
service
Statistiques
avancées, estimations, filtrage
Il s'agit
d'aborder des notions de statistiques avancées pour l'estimation
de capteurs, pour la cartographie, l'analyse d'image, etc.
Projet robotique autonome
Les concepts de
robotique autonomes seront abordés ici: navigation,
cartographie, raisonnement, réseaux bayésiens,
stratégies de contrôle symboliques.
Ces concepts
seront mis en oeuvre au moyen de robots mobiles de types divers (robots
à roue, drones, flotte de robots, tâches collaboratives,
robotique humanoïde, etc). Des plateformes robotiques
humanoïdes, quadrupèdes, ou autres pourront être
utilisées également. Le projet s'appuiera en sur des
technologies développées notamment au sein du projet Rhoban.
Flottes et essaims de robots / drones
Dans ce module
seront abordés les concepts d'algorithmique distribuée,
propres aux réseaux d'objets mobiles.
4.
Outils d'imagerie pour la robotique
La vision est
une partie cruciale de la robotique moderne, en particulier des
systèmes autonomes. Elle s'applique dans les cellules robotiques
industrielles, pour la reconnaissance de forme, de couleur. Elle est
essentielle pour la plupart des systèmes robotiques autonomes,
où le robot doit s'orienter, reconnaitre son environnement.
Methodes
de bases du traitement d'images
Codage des
images, méthodes de seuillage, filtrages, contour,
squelettisation, détection d'enveloppe ...
Segmentation / localisation
Segmentation
d’image, segmentation vidéo, segmentation
3D.
5.
Interaction Homme / Robot
Il s’agit
de développements récents en robotique, inspirés
notamment du monde animal (robotique bio-inspirée), visant
à concevoir des systèmes adaptatifs, en particulier au
plan moteur.
Apprentissage en robotique
Apprentissage
par renforcement, méthodes actor/critic, apprentissage par
démonstration.
Robotique
développementale
Curiosité
artificielle, modèle connexionnistes, liens avec les
neuro-sciences. Le cours s'appuira notamment sur les compétences
et concepts développées au sein de l'équipe INRIA
Flowers.
Interaction
Homme / Robot
Aspect cognitifs
de l’interaction homme / robot, y-compris interaction physique.
6.
Conférences
Cycle de
conférences données notamment par des intervenants
industriels
(«
Introduction à la Robotique », « Robotique spatiale
», « Robotique Humanoïde », «
Réalités économique », « Aspect
juridique/sécurité de la robotique », etc).
7.
Langues et Culture de l’ingénieur
Cette formation
est celle commune à l’Enseirb-Matmeca décrite ici.