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 :
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