Dennis Hong: Mes 7 espèces de robot

À TEDxNASA, Dennis Hong présente sept types de robots tout-terrain. Parmi ceux-ci: DARwin, un robot humanoïde qui joue au football ou CLIMBeR qui grimpe des falaises. Tous ces projets sont conçus et construits par son équipe à RoMeLa (RObotics and MEchanisms LAboratory) à l'Institut de Technologie de Virginia. Hong dévoile vers la fin de cette conférence les cinq secrets de créativité qui permettent à son équipe d'obtenir de tels succès techniques.

Alors, le premier robot que je vous présente se nomme STriDER.

Cela signifie Robot Expérimental ...

... Tripède Dynamique Auto-Stimulé

Il a trois pattes,

concept inspiré de la nature.

Mais avez-vous déjà rencontré quelque chose dans la nature...

qui ait trois pattes?

Probablement que non. Donc pourquoi est-ce que je dis

que c'est un robot inspiré de la nature? Comment fonctionnerait-il?

Mais avant tout cela, jettons un oeil à la culture-pop.

Vous connaissez H.G. Wells et son roman (et film) "La Guerre Des Mondes" (War of Worlds).

Ce que vous voyez ici est un jeu vidéo

très populaire.

Dans le roman, on y décrit les créatures extra-terrestres terrorisant la planète

comme des robots dotés de trois pattes.

Mais mon robot, STrider, ne se déplace pas de cette façon.

Voici une animation de la simulation dynamique réelle.

Je vais vous montrer comment ce robot fonctionne.

Il fait pivoter son corps de 180 degrés.

Il balance la jambe centrale entre les deux autres pour rattraper la chute.

C'est donc de cette façon qu'il marche. Mais quand vous nous regardez

marcher, nous les êtres humains, avec deux jambes,

nous n'utilisons pas vraiment de muscle

pour lever une jambe et marcher comme un robot. Pas vrai?

Ce que nous faisons vraiment c'est lancer une jambe devant et arrêter la chute,

se relever, lancer l'autre jambre et rattraper la chute encore une fois.

Le tout, en utilisant notre dynamique interne, la physique de notre corps,

à la manière d'un pendule.

Nous appelons cela le concept de locomotion dynamique passive.

Ce que vous faites lorsque vous vous levez,

c'est de transformer de l'énergie potentielle en énergie cinétique...

potentielle à cinétique...

C'est un processus continu de chutes.

Donc même s'il n'y a rien dans la nature qui ressemble à cela,

nous avons vraiment été inspirés par la biologie

et nous avons appliqué les principes de la marche

à ce robot, d'où l'inspiration biologique.

Ce que vous voyez ici est ce que nous souhaitons faire par la suite.

Nous aimerions plier les jambes et propulser le tout en l'air pour des déplacements à longue portée.

And il pourra déployer ses jambes, comme dans La Guerre Des Étoiles (Star Wars).

À l'atterrissage, le choc est absorbé et il recommence à marcher.

Ce que vous voyez ici, la chose jaune, n'est pas un rayon de mort.

C'est simplement pour vous montrer que si vous avez des caméras

ou d'autres sortes de senseurs,

grâce à sa taille, 1,80 mètre,

vous pouvez voir au dessus d'obstacles comme des buissons et d'autres choses du genre.

Nous avons donc deux prototypes.

La première version, en arrière, c'est STriDER I.

En avant, la plus petite, c'est STriDER II.

Le problème que nous avons rencontré avec STriDER I est que

son corps était trop lourd. Nous avions tant de moteurs,

vous savez, pour aligner les joints et ce genre de choses.

Alors nous avons décidé de créer un mécanisme mécanique

pour éliminer tous les moteurs et donc à l'aide d'un seul

pouvoir coordonner tous les mouvements.

C'est une solution mécanique à un problème, à la place d'utiliser la mécatronique.

Avec ce changement, le corps du haut est suffisamment léger pour marcher dans un laboratoire.

Ce fut la première étape véritablement réussie.

Ce n'est pas encore parfait.

Nous avons encore bien du pain sur la planche.

Le deuxième robot dont je veux vous parler s'appelle IMPASS.

Ça signifie Platerforme de Mobilité Intelligente avec un Système de Tiges Réactives. (trad. libre)

C'est donc un robot hybride patte-roue.

Pensez à une roue sans contour,

seulement avec les rayons.

Par contre, les rayons bougent individuellement par rapport au moyeu central.

C'est donc un hybride roue-jambe.

Dans les faits, nous réinventons la roue ici!

Laissez-moi vous montrer comment il fonctionne.

Dans ce vidéo nous utilisons une approche

appelée Approche Réactive.

En utilisant uniquement les capteurs tactiles sur les pieds,

il tente de se déplacer sur un terrain changeant,

un terrain flexible qui est modifié lorsqu'il s'appuie dessus.

Et simplement par l'information tactile,

Il parvient à traverser ce genre de terrain avec succès.

Par contre, lorsqu'il rencontre un obstacle majeur,

dans ce cas-ci c'est trois fois sa propre hauteur

qu'il rencontre,

alors il se met en mode délibéré

où il utilise une sonde de distance au laser

et des caméras pour identifier l'obstacle et sa taille,

afin de planifier précisément le déplacement de ses tiges

et coordonner le tout pour parvenir

à ce genre de mobilité impressionnante.

Vous n'avez probablement rien vu de ce genre dans le monde réel.

Il s'agit d'un robot à mobilité très élevée

que nous avons conçu et qui se nomme IMPASS.

N'est-ce pas génial?

Lorsque vous conduisez votre véhicule,

lorsque vous effectuez un virage, vous utilisez une méthode appelée

virage Ackermann (Ackermann steering).

Les roues avant se déplacent ainsi.

Pour la plupart des petits robots dotés de roues,

la méthode utilisée est plutôt celle de virage différentiel

où les roues droite et gauche tournent dans des directions opposées.

Pour IMPASS, nous pouvons effectuer plusieurs types de déplacement.

Dans cet exemple, même si les roues droite et gauche sont connectées

par un moyeu unique, tournant à la même vitesse angulaire,

en modifiant seulement la longueur des tiges,

on en modifie le diamètre et donc il tourne à gauche, tourne à droite...

Voilà donc quelques exemples des jolies choses

que nous pouvons effectuer avec IMPASS.

Ce robot est nommé CLIMBeR, pour

Robot Jambiste Suspendu à Comportement Mimétique Intelligent (trad. libre)

Nous avons parlé à plusieurs scientifiques du JPL de la NASA (note: Jet Propulsion Laboratory);

où ils sont très connus pour avoir conçu les véhicules d'exploration de Mars.

Et ces scientifiques, géologues, me disent toujours

que le vrai côté intéressant de la science,

les sites riches en informations géologiques sont toujours les falaises.

Mais les véhicules d'exploration actuels ne peuvent s'y rendre.

Donc, en nous basant là dessus, nous avons souhaité concevoir un robot

capable de grimper un environnement structuré en falaise.

Voici donc CLIMBeR.

Alors ce qu'il fait: il a trois jambes. C'est probablement difficile à voir,

mais il a aussi un treuil et un câble sur le dessus.

Il tente alors de trouver le meilleur appui où placer son pied

et lorsqu'il a trouvé,

il calcule en temps réel la distribution des forces.

Quelle force il doit exercer sur la surface

pour ne pas glisser ni perdre l'équilibre.

Une fois stabilisé, il lève un autre pied

et alors, grâce au treuil, il peut grimper ce genre de paroi.

Aussi utile pour des missions de recherche et sauvetage.

Il y a cinq ans j'ai en fait travaillé au JPL de la NASA

durant l'été comme membre de la faculté.

Et ils avaient déjà un robot à 6 pattes nommé LEMUR.

Donc ceci s'en inspire. Il s'appelle MARS,

pour Système Robotique Multi-Pattes. Il s'agit donc d'un hexapode.

Nous avons conçu une planification de démarche adaptative.

Vous voyez ici une charge utile fort intéressante.

Les étudiants aiment bien avoir s'amuser. Et vous voyez ici qu'il

marche sur un terrain non-structuré.

Il tente de marcher sur un terrain grossier,

une surface sablonneuse,

mais selon l'humidité du terrain et la taille des grains de sable,

le modèle d'enfoncement du pied varie.

Donc il tente d'adapter sa démarche pour traverser efficacement ce genre de choses.

Il peut aussi faire des trucs rigolos, comme vous pouvez l'imaginer.

Nous recevons tant de visiteurs au labo,

que lorsqu'ils arrivent, MARS se déplace jusqu'à l'ordinateur,

et commence à écrire "Bonjour, mon nom est MARS.

Bienvenue à RoMeLa,

le Laboratoire des Mécanismes Robotiqes à Virginia Tech."

Ceci est un robot-amibe.

Nous n'avons pas assez de temps pour entrer dans les détails techniques,

je vais simplement vous montrer quelques expériences.

Donc voici quelques uns des tests de faisabilité.

Nous emmagasinons de l'énergie potentielle dans la peau élastique pour le faire bouger.

Ou bien on utilise un cordon à tension active pour le faire se déplacer

d'avant en arrière. Son nom est ChiMERA.

Nous avons également travaillé avec quelques chercheurs

et ingénieurs de l'UPenn (Université de Pennsylvanie)

pour aboutir avec une version réagissant chimiquement

de ce robot-amibe.

Nous faisons quelque chose à quelque chose

et, comme par magie, il bouge! Le blob!

Ce robot est un très récent projet. Il se nomme RAPHaEL.

Main Robotique à Ligaments Élastiques Alimenté à l'Air.

Il existe plusieurs mains robotisées très intéressantes sur le marché.

Le problème c'est qu'elles sont trop chères, dans les dizaines de milliers de dollars.

Donc, pour des prothèses, ce n'est probablement pas vraiment pratique,

car ce n'est pas abordable.

Nous voulions attaquer ce problème d'un angle différent.

À la place d'utiliser des moteurs électriques, déclencheurs électromécaniques

nous utilisons de l'air comprimé.

Nous avons développé ces nouveaux déclencheurs pour les jointures.

C'est flexible, vous pouvez changer la force

et modifiant simplement la pression d'air.

Donc vous pouvez écraser une canette d'aluminium vide.

Vous pouvez également saisir des objets délicats tel un oeuf cru,

ou dans ce cas une ampoule électrique.

Le plus beau: le prototype a coûté seulement 200 dollars à fabriquer.

Ce robot fait partie d'une famille de robots serpent

que l'on appelle HyDRAS, pour

Serpentin Robotique Articulé à Hyper Dégré de Liberté

C'est un robot qui peut grimper des structures.

C'est un des bras de HyDRAS.

Ce bras robotique a 12 degrés de liberté.

Mais la partie super c'est l'interface utilisateur.

Le câble que vous voyez est une fibre optique.

Et cette étudiante, probablement à sa première tentative,

peut l'articuler de plusieurs manières.

Alors par exemple en Iraq, vous savez, en zone de guerre,

il y a des bombes de bord de route. Présentement on envoie

un robot télécommandé armé.

Cela requiert énormément de temps et d'argent

pour entraîner un opérateur pour ce bras complexe.

Dans ce cas, c'est très intuitif.

Cet étudiant, aussi à ces premiers essais, peut effectuer des manipulations complexes,

saisir des objets et manoeuvrer

juste comme ça, de façon naturelle.

Voici maintenant notre robot star.

Il existe même un fan club pour ce robot: DARwin,

Robot Anthropomorphique Dynamique Avec Intelligence.

Comme vous le savez, nous sommes très intéressés

à créer un robot humanoïde, capable de marcher comme nous,

donc nous avons décidé de construire un petit robot humanoïde.

Ceci était en 2004, à cette époque

c'était quelque chose de vraiment révolutionnaire.

Il s'agissait davantage d'une étude de faisabilité:

quels genres de moteurs devrions-nous utiliser?

Est-ce seulement possible? Quel type de contrôles intégrer?

Donc, celui-ci n'a pas beaucoup de capteurs.

C'est un contrôle en boucle ouverte.

Pour ceux d'entre vous qui le savez, si vous n'avez pas de capteurs,

et qu'il y a une quelconque perturbation, vous savez ce qu'il arrive...

(Rires)

Donc d'après cette réussite, l'année suivante

nous avons conçu le bon design mécanique

à partir de la cinématique.

Et donc, DARwin I est né en 2005.

Il peut se lever. Il marche, très impressionnant.

Par contre, comme vous le voyez,

il a un câble, un cordon ombilical. Donc on utilise toujours une source de puissance externe,

et de la communication de l'extérieur.

Donc, en 2006, nous avons commencé à nous amuser.

Donnons-lui l'intelligence. Nous l'avons doté de toute la puissance informatique nécessaire,

un processeur Pentium M de 1,5 GHz,

deux caméras FireWire, 8 gyroscopes, des accéléromètres

4 capteurs de moments, des batteries au lithium.

Et depuis, DARwin II est complètement autonome.

Il n'est plus télécommandé.

Il n'y a plus de câble. Il regarde autour, cherche le ballon,

regarde encore, cherche le ballon et tente de jouer au foot

de façon autonome, avec l'intelligence artificielle.

Voyons comment il se débrouille. Ceci est notre tout premier essai,

et... vidéo: BUUUUT!

Sachez qu'il existe une compétition nommée RoboCup.

Je ne sais pas si plusieurs d'entre vous la connaissez.

C'est une compétition internationale de robots autonomes jouant au football.

L'objectif de la RoboCup, le véritable objectif, consiste à,

d'ici l'an 2050,

avoir des robots humanoïdes pleine grandeur, complètement autonomes,

qui disputeront un match contre les gagnants humains de la Coupe Du Monde...

et gagneront!

C'est véritablement le but. C'en est un très ambitieux

mais nous croyons vraiment pouvoir y arriver.

Donc nous voici l'année dernière en Chine.

Nous avons été la toute première équipe américaine à se qualifier

dans la compétition de robot humanoïde.

Ici c'est cette année, en Autriche.

Vous allez voir l'action, 3 contre 3,

de façon complètement autonome.

Voilà. Oui!

Les robots suivent le ballon et jouent

en équipe entre eux.

C'est très impressionnant. C'est vraiment un événement de recherche

enrobé par une compétition plus excitante.

Ce que vous voyez ici, c'est la magnifique

Coupe Louis Vuitton.

Elle est décernée au meilleur humanoïde,

et nous aimerions bien la rapporter pour la toute première fois aux États-Unis

l'année prochaine, donc souhaitez-nous bonne chance!

Merci!

(Applaudissements)

DARwin a aussi beacoup d'autres talents.

L'an passé il a dirigé l'Orchestre Symphonique de Roanoke

pour le concert des Fêtes.

Voici la prochaine génération, le DARwin IV,

plus intelligent, rapide et fort.

Et il tente de vous montrer son agileté.

"Je suis macho, je suis fort.

Je peux aussi faire des mouvements d'arts martiaux

à la Jackie Chan"

(Rires)

Et il quitte. Donc c'était DARwin IV,

encore une fois, vous pourrez le voir dans le lobby.

Nous croyons vraiment qu'il s'agira du premier robot

humanoïde capable de courir des États-Unis. Donc, à suivre!

Très bien, donc je vous ai montré quelques uns de nos plus excitants robots au travail.

Mais quel est le secret de notre succès?

D'où viennent ces idées?

Comment arrivons-nous à développer ce genre d'idées?

Nous avons un véhicule complètement autonome

qui peut se déplacer dans un environnement urbain. Nous avons gagné un demi-million de dollars

à la compétition DARPA Urban Challenge.

Nous avons également le tout premier

véhicule de la planète qui puisse être conduit par un aveugle.

Nous l'appelons le défi du conducteur aveugle, c'est très excitant

et plusieurs autres projets de robotique dont j'aimerais vous entretenir.

Voici les prix que nous avons gagné à l'automne 2007 seulement,

lors de compétitions de robotique et ce genre de choses.

Dans les faits, nous avons 5 secrets.

Premièrement, comment trouver cette inspiration,

où aller pour avoir cet éclair de génie?

Voici une histoire vraie, mon histoire.

Le soir lorsque je me couche, vers 3 ou 4 heures du matin,

je m'étends, je ferme mes yeux et je vois ces lignes et cercles

et ces différentes formes qui flottent autour de moi,

elles s'assemblent et composent ce genre de mécanismes.

Et alors je pense: "Ah! Ceci, c'est super!"

Donc, juste à côté de mon lit, je garde un cahier de notes,

un journal, avec un stylo spécial doté d'une lumière, une DEL,

pour éviter d'allumer la lumière et réveiller ma femme.

Donc je vois cela, gribouille le tout par écrit, ajoute quelques schémas,

et je retourne au lit.

Chaque matin,

la toute première chose que je fais avant la première tasse de café,

avant de me brosser les dents, c'est d'ouvrir ce calepin.

Souvent il est vide,

parfois il s'y trouve quelque chose d'inutile,

mais la plupart du temps je ne peux simplement pas me relire.

Et donc ... 4 heures du matin, à quoi vous attendez-vous?

Donc je dois déchiffrer ce que j'ai écrit.

Mais quelques fois je vois cette brillante idée là dedans,

et j'ai cette épiphanie.

Je cours à mon ordinateur, dans mon bureau à la maison,

je tape ces idées avec les schémas,

et je maintiens un base de données d'idées.

Alors quand nous recevons un appel pour une soumission,

je tente de trouver une solution possible entre

mes idées possibles

et le problème. S'il y a correspondance nous préparons une soumission,

obtenons les fonds de recherche et c'est comme ça que nos programmes de recherche naissent.

Mais une simple étincelle d'imagination n'est pas suffisante.

Comment arrivons-nous à développer ce genre d'idées?

À notre labo, RoMeLa,

nous tenons de fantastiques séances de tempêtes d'idées.

Donc nous nous rassemblons et discutons de problèmes,

même des problèmes sociaux et nous en parlons.

Mais avant de commencer, nous instaurons cette règle sacrée:

la voici:

Personne ne critique les idées de l'autre.

Personne ne s'oppose à une opinion.

C'est important car souvent les étudiants craignent

ou se sentent mal à l'aide face aux avis des autres

quant à leurs idées et pensées.

Par contre, une fois cette règle établie, c'est impressionnnant

de voir à quel point les étudiants se laissent aller.

Ils ont ces folles et brillantes idées,

toute la salle est électrifiée d'énergie créative.

Et c'est de cette façon que l'on obtient nos idées.

Bien, nous arrivons à la fin mais il y a une chose encore dont je veux vous parler.

Donc, simplement une étincelle d'idée et du développement ne sont pas suffisants.

Il y a eu un grand moment à TED,

je crois que c'était Sir Ken Robinson, n'est-ce pas?

Il a donné une conférence à propos de l'éducation

et disait que l'école tue la créativité.

Alors, dans les faits il y a deux côtés à cette histoire.

On ne peut réaliser

ces merveilleuses idées

avec la créativité et l'intuition d'ingénierie seulement.

Si vous souhaitez aller plus loin que la surface,

si vous voulez dépassez le stade du hobby en robotique

et aborder les grands challenges de la robotique

à travers de la recherche rigoureuse,

nous avons besoin de plus que cela. C'est là que l'école entre en compte.

Batman, qui se bat contre les forces du mal,

il a sa ceinture d'outils, il a son grappin,

et toutes sortes de gadgets.

Pour nous, roboticiens, ingénieurs et chercheurs,

ces outils ce sont les leçons que nous apprenons en classe.

En Mathématiques, les Équations Différentielles,

J'ai l'algèbre linéaire, la science, la physique,

et même de nos jours, la chimie et la biologie, comme vous l'avez constaté.

Ce sont tous des outils dont nous avons besoin.

Donc, le plus d'outils nous avons, pour Batman

le plus efficace il est à combattre les méchants,

pour nous, le mieux équipés nous sommes à attaquer ces gros problèmes.

Alors l'éducation est très importante.

Et il ne s'agit pas seulement de cela

seulement, vous devez travailler extrêmement dur.

Alors je dis toujours à mes étudiants:

"Travaillez intelligemment, ensuite travaillez dur".

Cette photo a été prise à 3:00 du matin.

Je vous garantis que si vous venez au labo à 3:00, 4:00

des étudiants travaillent là,

pas parce que je le leur demande, mais parce qu'ils s'amusent trop!

Ce qui m'amène au dernier point:

N'oubliez pas de vous amuser.

C'est réellement là le secret de notre réussite. Nous avons beaucoup trop de plaisir.

Je crois réellement que la plus grande productivité est atteinte lorsqu'on s'amuse.

Et c'est précisément ce que l'on fait.

Et voilà. Merci infiniment.

(Applaudissements)