Les principes de locomotion robotique simplifient les systèmes complexes de contrôle du système nerveux central nécessaires aux activités robotiques. De plus, ces principes permettent d’adopter différentes approches techniques pour les divers mécanismes de locomotion.

La locomotion robotique utilise également des approches physiques pour reproduire les mouvements des robots. Avec les progrès des systèmes robotiques et de l’IA, les principes de locomotion robotique permettent de concevoir et de développer des robots capables d’interagir avec des terrains naturels.

Dans « Development of quadruped walking robots: A review », Priyaranjan Biswal et Prases K. Mohanty déclarent : « Le système de locomotion robotique est une caractéristique essentielle de la conception mobile et dépend non seulement de l’espace de travail, mais également de paramètres techniques tels que la maniabilité, la contrôlabilité, les conditions du terrain, l’efficacité et la stabilité. »

On observe également une augmentation significative de l’utilisation de solutions robotiques dans diverses industries. Par exemple, les solutions robotiques autonomes soutiennent les opérations dans les secteurs de la fabrication, de la santé, de la logistique, etc. Les industries cherchent désormais à développer des systèmes robotiques plus économes en énergie, plus intelligents et plus fiables. Ainsi, la locomotion robotique simule, reproduit et imite les mouvements des humains ou des animaux.

En outre, plusieurs applications robotiques nécessitent des mouvements fluides. Il est donc important pour les développeurs et les ingénieurs de comprendre les principes de la locomotion robotique.

Comprendre les principes de la locomotion robotique

Qu’est-ce que la locomotion robotique ?

Types de locomotion robotique

Quels sont les principes fondamentaux de la locomotion robotique ?

Qu’est-ce que la locomotion robotique ?

Selon Java T Point, « La locomotion est la méthode permettant de se déplacer d’un endroit à un autre. Le mécanisme qui permet à un robot de se déplacer dans son environnement est appelé locomotion robotique. »

Autrement dit, la locomotion robotique est une technique qui consiste à coordonner plusieurs outils et solutions pour permettre le déplacement des robots. Elle désigne également la mobilisation des robots dans un environnement spécifique. Ainsi, le concept de locomotion robotique permet aux robots de marcher, courir, sauter, voler, rouler, ramper, nager et planer. Il utilise également des concepts de géométrie pour interagir avec différents points de contact. Par conséquent, la locomotion robotique permet à un robot statique de s’adapter dynamiquement à son environnement ou à son terrain.

Wikipedia indique : « La locomotion robotique est le terme collectif désignant les différentes méthodes utilisées par les robots pour se déplacer d’un endroit à un autre. » Cela implique également qu’un objectif majeur de ce domaine consiste à développer la capacité des robots à décider de manière autonome comment, quand et où se déplacer. Cependant, la coordination de nombreuses articulations robotiques, même pour des tâches simples comme franchir des escaliers, reste difficile. La locomotion robotique autonome constitue donc un obstacle technologique majeur dans de nombreux domaines de la robotique, notamment les robots humanoïdes tels que l’Asimo de Honda.

En outre, elle permet aux robots d’atteindre une efficacité supérieure, une grande vitesse et une meilleure agilité pour surmonter les obstacles. Les systèmes de locomotion robotique permettent également de développer des stratégies visant à rationaliser les fonctions qui intègrent différentes activités. Ils contribuent également à concevoir des systèmes qui élargissent les possibilités et créent des modèles permettant une variété d’actions.

Principaux problèmes liés à la locomotion

Les systèmes de locomotion conventionnels sont souvent instables dans des environnements complexes et diversifiés. De plus, leurs mouvements sont limités et insuffisants, ce qui peut entraîner une certaine rigidité lors de différentes activités. En outre, en matière de cinématique et de dynamique, la locomotion robotique doit relever les défis suivants :

Stabilité :

• Quantité, position et géométrie des points de contact.
• Centre de gravité.
• Stabilité dans des conditions statiques et dynamiques.
• Caractéristiques de la surface, de l’environnement et du terrain.

Caractéristiques du contact :

• Taille et forme du chemin nécessaire pour atteindre le point de contact.
• Position angulaire du contact.
• Niveau de friction, d’abrasion et présence d’obstacles pour atteindre le point de contact.

Type d’environnement :

• Structure, formation et composition de l’environnement.
• Milieu et tension superficielle de l’environnement.

Types de locomotion robotique

Il existe plusieurs types de locomotion robotique, notamment les suivants :

Locomotion à roues

La locomotion à roues constitue un mécanisme fluide et populaire pour les robots. Elle joue un rôle essentiel dans la conception et l’innovation des robots mobiles. Elle contribue également à améliorer l’efficacité du déplacement et reste facile à contrôler. De plus, l’équilibre est une caractéristique relativement simple de la locomotion à roues, car les roues maintiennent un contact permanent avec la surface.

Par exemple, R2-D2 de Star Wars est un excellent exemple de robot utilisant la locomotion à roues. Il applique différentes techniques pour maintenir son équilibre et sa stabilité en fonction du nombre de roues.

Types de locomotion robotique à roues :

• Roue pivotante
• Roue standard
• Roue sphérique
• Roues suédoises à 45° et à 90°

Locomotion à pattes

La locomotion robotique à pattes est conçue pour les surfaces accidentées et irrégulières. Elle permet aux robots de grimper, franchir, maintenir leur position, marcher, etc. Elle utilise des composants similaires à des membres pour prendre des décisions élémentaires et naviguer sur des terrains irréguliers.

Elle offre également une certaine flexibilité quant au nombre de membres en fonction des besoins. Plus un robot possède de membres, plus il nécessite de coordination et de degrés de liberté (DOF). Par conséquent, chaque degré de liberté nécessite une articulation. Chaque articulation est donc actionnée par un servomoteur. Ainsi, un robot à quatre membres nécessiterait au minimum huit servomoteurs pour franchir certains terrains. Cela peut également entraîner des difficultés lors de la mise en œuvre en raison de divers problèmes de stabilité et d’équilibre.

De plus, C-3PO, un autre personnage populaire de Star Wars, constitue un exemple de robot à locomotion par pattes. La locomotion à pattes nécessite davantage d’énergie et d’agilité pour réaliser différentes activités.

Par exemple, considérons une formule permettant de calculer les différents événements possibles en fonction du nombre de membres :

N = (2X - 1)!

Ici, X représente le nombre de membres ou de jambes et N représente le nombre d’événements possibles.

Considérons donc X = 2. En appliquant la formule :

N = (2X - 1)!

N = (2 × 2 - 1)!

N = 3!

N = 3 × 2 × 1

N = 6

Ainsi, six événements différents peuvent se produire lorsqu’un robot possède deux membres. Voici les événements logiques possibles :

• Lever la jambe droite.
• Lever la jambe gauche.
• Abaisser la jambe droite.
• Abaisser la jambe gauche.
• Lever les deux jambes simultanément.
• Abaisser les deux jambes simultanément.

Locomotion par glissement ou dérapage

La locomotion par glissement ou dérapage désigne l’utilisation d’une technologie similaire aux chenilles de chars pour se déplacer sur différents terrains. Le robot doit également effectuer des manœuvres de direction pour se déplacer à différentes vitesses, dans différentes directions et sur différentes surfaces.

Cette méthode offre également une meilleure stabilité, car elle maintient un contact important avec la surface. Par exemple, le droïde escargot, ou droïde d’assaut NR-N99 de classe Persuader de Star Wars, constitue un excellent exemple.

Alors que les robots à roues sont très efficaces sur les surfaces planes, ils peuvent rencontrer une résistance sur les surfaces présentant beaucoup de friction. La locomotion par glissement ou dérapage permet donc de maintenir la traction sur différentes surfaces et sur des terrains accidentés.

Roues marcheuses

Les roues marcheuses désignent le concept consistant à combiner les pattes et les roues dans un système de locomotion. Autrement dit, les membres permettent au robot de marcher, sauter, grimper, etc., tandis que les roues assurent une meilleure efficacité sur les surfaces planes.

L’objectif est d’intégrer les différentes solutions et les meilleures caractéristiques des types de locomotion. Cette approche offre au robot une mobilité et un contrôle maximum. Elle réduit également les problèmes de stabilité associés à l’utilisation de roues sur des surfaces planes.

Elle augmente également la possibilité de couvrir différents environnements et terrains grâce à l’utilisation de plusieurs membres.

Quels sont les principes fondamentaux de la locomotion robotique ?

La locomotion robotique s’inspire des différents êtres vivants et animaux présents dans son environnement. De plus, les principes de locomotion robotique sont essentiels pour optimiser les capacités d’un robot dans différents environnements. Voici donc les principaux principes de locomotion robotique permettant d’atteindre son plein potentiel :

Modèle du coût métabolique

Faraji S., Wu A. R. et Ijspreet A. J. ont proposé un modèle de coût fondamental permettant de prévoir les tendances générales liées à la marche. En 2017, Faraji et Ijspreet ont également développé un modèle de mouvement linéaire en 3D appelé 3LP.

Ce modèle simule la stabilité et le mouvement sur des surfaces standards. Il s’agit également d’une simulation verticale des mouvements intégrant le centre de masse, ce qui permet de prendre en compte le coût de redirection de la vitesse.

Il comprend également un coût lié à la garde au sol pour la marche utilisant une capacité non nulle de levée des jambes. Le modèle de coût inclut différents facteurs qui prennent en charge les membres et les muscles lors des déplacements.

Autrement dit, il calcule continuellement le coût de l’efficacité musculaire afin de simuler la fréquence, la largeur, la masse, la tension superficielle et la force de gravité.

Approches bio-inspirées

De nombreux mouvements et systèmes de locomotion robotiques s’inspirent de leur environnement. Selon le type, l’état et la surface d’un environnement, les robots utilisent des informations provenant de différents composants écologiques.

Ils peuvent ainsi maintenir leur agilité, leur stabilité et leurs capacités d’adaptation tout en faisant face aux défis environnementaux. Cette approche combine des connaissances issues de la biomécanique, du contrôle sensori-moteur et de l’ingénierie.

Elle ouvre également la voie au développement et à la transformation des capacités de locomotion robotique en fonction des besoins.

Concept primitif

Les applications robotiques ont une influence dynamique dans le monde réel. Elles utilisent le raisonnement logique, la prise de décision et des mécanismes de contrôle de haut niveau en fonction des données disponibles.

Elles prennent ainsi en compte différentes caractéristiques et différents mouvements afin de planifier les déplacements. Par conséquent, indépendamment de leur environnement et de leur écologie, les robots peuvent développer leurs mouvements et leurs trajectoires.

Grâce aux planificateurs de mouvement, aux indicateurs, aux informations sensorielles et aux dynamiques environnementales, les robots peuvent devenir plus efficaces et réaliser des mouvements transitoires.

Conclusion

En conclusion, les principes de locomotion robotique constituent des mécanismes essentiels qui prennent en compte les contraintes biologiques et systémiques. Ils soutiennent ainsi la conception et le développement de robots capables de réaliser des mouvements autonomes, même dans des environnements complexes.