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Les premiers pas de la robotique aérienne

Les premiers pas de la robotique aérienne

23.02.2017, par
Le robot aérien développé au Laas-CNRS est équipé d’un bras léger avec deux articulations.
Des robots aériens capables de manipuler des objets pourraient bientôt être déployés dans plusieurs secteurs industriels. Ces recherches, menées notamment en France dans le cadre d’un projet européen, ont permis de créer les prototypes les plus avancés au monde. Rencontre avec Juan Cortés, directeur de recherche au Laas, qui participe au projet.

La manipulation aérienne, c’est vraiment si nouveau ?
Juan Cortés1 : Oui, la manipulation aérienne est une thématique qui commence à prendre de l’importance seulement depuis environ 2012. Nous connaissons déjà bien les robots manipulateurs fixes – comme ceux qui font de la soudure dans l’industrie automobile. Nous avons aussi des plateformes mobiles au sol – des plateformes autonomes qui roulent équipées d’un ou de plusieurs bras. Ces recherches-là ont commencé dans les années 1970-1980, et cela se développe énormément aujourd’hui dans le cadre de l’usine du futur (aussi appelée industrie 4.0). Il existe également des robots manipulateurs sous-marins. Il y a un parallèle entre l’air et l’eau, mais un robot aérien doit être beaucoup plus réactif, car le milieu est beaucoup moins dense, et ne laisse pas le droit à l’erreur (le robot aérien ne peut pas flotter en cas de problème). Notre laboratoire est spécialisé en robotique aérienne – des plateformes qui volent et qui ont des capacités de manipulation et d’interaction avec l’environnement.
 
 

Un robot aérien doit être beaucoup plus réactif, car le milieu est beaucoup moins dense, et ne laisse pas le droit à l’erreur.

Et pourquoi avons-nous besoin de robots aériens ?
J. C. : Il y a beaucoup d’applications possibles, comme faire des prélèvements dans des endroits inaccessibles ou dans des zones à risques. Dans le cadre du projet européen Aeroarms auquel nous participons2, nos partenaires travaillent dans le domaine de l’inspection d’installations industrielles, plus précisément, dans le secteur du pétrole et du gaz. Ils ont des milliers de kilomètres de tuyaux métalliques qu’il faut inspecter manuellement. Cela représente un coût (chiffré à 58 milliards d’euros au niveau mondial pour la seule année de 2008). Plus important encore, il s’agit de la plus grande source d’accidents dans ces industries. Ce travail est réalisé aujourd’hui en installant des échafaudages, ou avec des personnes suspendues par des câbles, et il y a beaucoup de risques. L’idée du projet est de pouvoir faire ce type d’inspection – mesurer des fissures ou la corrosion en déplaçant un capteur sur un tuyau – avec des robots aériens.

 

Hélicoptère équipé d'un bras à double rotor, développé par une équipe partenaire de l’Institute of Robotics and Mechatronics (Allemagne).
Hélicoptère équipé d'un bras à double rotor, développé par une équipe partenaire de l’Institute of Robotics and Mechatronics (Allemagne).

 
Quelles sont les difficultés principales de ce champ de recherche ?
J. C. : Ce qui nous pousse vraiment c’est le défi scientifique que pose ce type de robot. Le fait d’ajouter un bras manipulateur à un robot aérien pose des problèmes avant tout théoriques. Il faut repenser la conception au niveau de la mécatronique (penser à la géométrie du robot, les matériaux, le type d’actionneurs, etc.). Il faut aussi développer de nouvelles méthodes de calcul de trajectoires et de commande, car ce qui fonctionne pour les robots fixes ou à roues, est inutile lorsqu’on l’applique à un manipulateur aérien.
 
Surtout en termes de stabilisation ?
J. C. : Pour un manipulateur mobile qui est au sol, il est habituel de découpler la commande du bras et la commande de la plateforme mobile – les perturbations liées au mouvement du bras sont négligeables, ou facilement contrôlables. En vol, si le bras bouge, la plateforme doit s’adapter en temps réel. D’ailleurs, elle doit même prédire les changements qu’elle aura à faire avant même que le bras commence à bouger. Il faut qu’elle anticipe l’impact que le mouvement du bras va avoir sur la dynamique de l’ensemble.

 

Nos robots aériens peuvent  manipuler des objets, mais aussi maintenir un contact physique avec l’environnement.

Donc on envoie une commande, et avant même que le robot la réalise, la plateforme doit ajuster sa position de vol.
J. C. :
Oui, c’est un système qui est beaucoup plus couplé. En fait, on ne peut pas voir la plateforme volante et le bras comme deux systèmes, mais comme un ensemble. Si on commande chaque partie individuellement, le comportement du robot n’est pas bon. Cela nécessite un développement de nouvelles méthodes de commande. Le problème se pose aussi quant à la planification de mouvements, et même quant à la conception du système pour faciliter la commande.

 
Revenons sur vos robots, chargés d’inspecter les tuyaux des installations pétrolières. Quelles tâches doivent-ils réaliser ?
J. C. : Les mesures de corrosion, par exemple, se font en analysant les parois des tuyaux, ce qui n’est pas possible avec l’œil ou une simple caméra. Il faut un contact physique entre le capteur et le tuyau. La réelle difficulté est que pour maintenir le contact, il est nécessaire de contrôler la force d‘interaction entre le robot et le tuyau. Sur ce type de recherches, nous sommes vraiment en avance. Nos robots aériens peuvent non seulement manipuler des objets, mais aussi maintenir un contact physique avec l’environnement.

TiltHex equipped with a sensor

À propos
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Année de production: 
2017
Durée: 
01:29
Réalisateur: 
LAAS/CNRS
Producteur: 
LAAS/CNRS

S’agit-il de plusieurs types de robots ?
J. C. : On construit et on teste en parallèle quatre prototypes. Le premier est un quadrirotor classique, comme ceux disponibles commercialement pour de la prise d’image, où tous les moteurs sont alignés. Nous avons donc embarqué des capacités de manipulation : un petit bras. C’est un système peu coûteux, mais assez limité en termes de capacité de mouvement et en termes de charge utile. Le deuxième est une plateforme avec plus de 4 rotors – 6 ou 8 – où les axes ne sont pas alignés. Ce sont des plateformes dites « complètement actuées », qui peuvent être commandées à la fois en position et en orientation. Pour comparer, un quadrirotor normal est comme une voiture capable de se déplacer en marche avant, en marche arrière et de tourner, mais pas de se déplacer latéralement. Un robot aérien complètement actué a une liberté totale – on peut lui dire de rester sur une position fixe, mais avec un angle de tangage de 30° par exemple. Cela permet d'installer le capteur directement sur un organe terminal fixe, sans avoir besoin d’ajouter un bras articulé.
 
Et les deux autres ?
J. C. : L’un de nos partenaires travaille sur un hélicoptère autonome d’environ 3 mètres d’envergure, doté d’un bras manipulateur de type industriel. Ce qui est un peu plus délicat pour les normes d’aviation civile et assez coûteux, mais il peut porter des charges beaucoup plus lourdes. Le quatrième type est un système complètement différent développé au Laas, que nous avons appelé « FlyCrane ».

The FlyCrane experiment

À propos
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Description: 
Année de production: 
2017
Durée: 
01:22
Réalisateur: 
LAAS/CNRS
Producteur: 
LAAS/CNRS

Une grue volante ?
J. C. : Oui, c’est un système composé de trois quadrirotors normaux qui portent une plateforme suspendue par six câbles. Cette plateforme va nous permettre d’amener un autre type de robot sur les tuyaux – un robot d’une vingtaine de centimètres avec des roues magnétiques qui pourra sonder les tuyaux avant de remonter sur la plateforme volante.
 
À terme, ces robots aériens pourraient aussi servir à réparer ?
J. C. : Nous n’en sommes pas encore là. Pour ce type de tâches, il faudrait des forces assez conséquentes – plusieurs dizaines de newtons – qui sont hors de la portée de nos plateformes actuelles. Remplacer un capteur, ou même changer la batterie d’un émetteur, nous pouvons le faire. Peut-être même une petite soudure locale. Mais remplacer un tuyau, c’est plus compliqué. Ceci dit, les robots manipulateurs aériens n’en sont qu’à leurs débuts. 

 

 

Notes
  • 1. Directeur de recherche CNRS, équipe « robotique et interactions (RIS) au Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (Laas-CNRS).
  • 2. Le projet européen Aeroarms (2015-2019) regroupe dix partenaires académiques et industriels. Il est la suite d’un autre projet européen auquel le Laas participait : ARCAS (2012-2016).
Aller plus loin

Coulisses

« Notre équipe au Laas a récemment bénéficié de l’arrivée d’un spécialiste en commande de robots aériens, Antonio Franchi, chargé de recherche au CNRS, qui complète nos compétences pour les aspects raisonnement (architecture décisionnelle, planification de tâches…), algorithmique du mouvement (calcul automatique de trajectoires pour se déplacer en satisfaisant des contraintes), et perception (modélisation de l’environnement et localisation à partir de différents types de capteurs). Grâce à Antonio, nous sommes maintenant en mesure de faire de l’expérimentation en local, plutôt que de tester nos méthodes sur des robots chez nos partenaires. »

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Auteur

Saman Musacchio

 

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