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15 avril 2004

Rabbit,
prototype français
de robot bipède marcheur et coureur

par Christophe Jacquemin

Voir un robot marcher sur deux jambes est toujours un moment fascinant. Démarche copiant la notre, morceau de ferraille prenant soudain vie. Depuis que la faisabilité technologique des robots marcheurs a été démontrée ces dernières années, l'utilité de la robotique "à pattes"(1) est désormais considérée comme indéniable. Le Japon particulièrement - mais aussi les USA - y investissent des ressources humaines et économiques considérables(2), conscients de futures applications dans le domaine : prothèses intelligentes, robot fantassin, robot d'intervention en milieu hostile, robot dédié à la surveillance dans des bâtiments... Dans ces domaines, l'agilité du robot erectus dressé sur ses deux jambes peut s'avérer incomparable... Cela dit, et en dépit de nombreux prototypes, l'utilisation des bipèdes dans ces applications reste encore un objectif plus qu'un fait de la vie courante, ceci provenant en partie de la complexité du problème de commande inhérente à ce type de robotique.

Dans le cadre du programme ROBEA (robotique et entités artificielles) initié par le CNRS(3), le laboratoire d'automatique de Grenoble développe son prototype, Rabbit, avec pour objectif scientifique de mettre au point des méthodes et des outils théoriques permettant de faire marcher et courir un robot bipède, et de les valider expérimentalement.
L'équipe (constituée de membres de 7 différents laboratoires) s'est axée sur un robot possédant 3 à 7 degrés de liberté (selon la phase du mouvement). L'approche est ici originale, sachant que 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, équipés de pieds avec des chevilles de type cardans motorisées, marchant lentement dans un environnement 3D.
Avec Rabbit, dont la finalité est aussi de courir, l'équilibre statique du robot n'est pas souhaité à chaque instant (ce qui est souvent le cas pour les robots humanoïdes). Au contraire, les phases de déséquilibre sont recherchées pour obtenir une marche dynamique. Ceci passe par la prise en compte correcte des effets de la gravité, cette dernière 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, celui-ci 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. Ainsi, pour mettre en évidence le rôle de la gravité et les mouvements du robot qu'elle engendre, l'étude porte sur un robot avec des pieds de longueur nulle : aucun couple ne peut être appliqué au niveau des chevilles. Le système en appui sur un pied est volontairement 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. La recherche est particulièrement orientée vers l'obtention d'une marche efficace, correspondant à des dépenses énergétiquement faibles, point d'importance lorsque l'on considère un robot marcheur dont l'autonomie conditionne les capacités de déplacement et d'intervention.

Le robot se présente ici comme une structure planaire composée d'un tronc et de deux jambes motorisées aux hanches et aux genoux. Le contact entre pied et sol est ponctuel. Pour limiter le mouvement à une évolution sur le plan, le robot est maintenu par une tige autour d'un poteau central et 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.

Avec une telle structure (volontairement simple), et qui peut supporter des chocs conséquents, l'objectif est de mieux se concentrer sur le rôle que joue la gravité dans la marche et lors de la course, prendre mieux en compte le problème de l'effet des impacts avec les sols ou encore celui de la commutation des modèles du robot selon qu'il se trouve en double appui, appui simple ou vol, et d'aborder le problème de l'unilatéralité des forces de contact. Rabbit permet en effet de s'affranchir des difficultés techniques rencontrées sur les humanoïdes complexes : complexité numérique inhérente à un nombre d'articulations important, modélisation 3D du robot et celle des efforts de contact, décomposition en nombreuses phases selon le type de contact avec le sol...

Après réalisation complète du projet, l'équipe souhaite ensuite rapprocher ses travaux avec ceux menés sur des humanoïdes plus complexes afin de proposer des commandes efficaces adaptées.

(1) L'avantage des robots marcheurs sur les robots mobiles à roues est qu'ils se déplacent mieux que ces derniers dans les environnements encombrés (le contact intermittent entre le robot et le sol permet de franchir les obstacles plus facilement).
(2) Voir notre article : Robots japonais de nouvelle génération : stratégies et opportunités
(3) Le programme national Robotique et entités artificielles (ROBEA) a pour objectif de relancer la recherche française en robotique avec une dimension interdisciplinaire impliquant les sciences de l'information, les sciences de la vie, les sciences cognitives ainsi que les sciences humaines… Depuis sa création en avril 2001, 32 projets ont été soutenus, sur une période de 2 à 3 ans, impliquant quelque 150 chercheurs. (http://www.laas.fr/robea/).

Pour en savoir plus :
Site de présentantion du projet Rabbit : http://robot-rabbit.lag.ensieg.inpg.fr/
Vidéos du robot en action : http://robot-rabbit.lag.ensieg.inpg.fr/Videos/mars2003.html