La robotique est un domaine qui associe la mécanique, l'électronique et l'informatique pour concevoir des machines capables d'effectuer automatiquement des tâches. Un robot reçoit des informations, les traite selon un programme, puis commande des actions adaptées à la situation.

La robotique ne désigne donc pas uniquement l'apparence d'une machine. Un robot peut prendre la forme d'un bras industriel, d'un véhicule autonome, d'un petit appareil domestique, d'un drone ou d'une machine ressemblant à un être humain. Ce sont surtout sa capacité à percevoir, à traiter des informations et à agir automatiquement qui le caractérisent.

La structure d'un robot

Un robot est constitué de plusieurs ensembles qui remplissent des fonctions différentes. La partie mécanique constitue sa structure et permet de transmettre les mouvements. L'électronique mesure les informations, commande les différents organes et assure les échanges entre les composants. L'informatique détermine les opérations à effectuer.

Un robot mobile possède par exemple un châssis, des roues, des moteurs, une batterie, des capteurs et une unité de commande. Un bras industriel utilise plutôt des articulations motorisées, des réducteurs, des capteurs de position et une unité de contrôle capable de coordonner plusieurs mouvements.

Les capteurs

Le fonctionnement autonome commence par la perception. Les capteurs transforment des phénomènes physiques en informations exploitables par les circuits électroniques.

Un robot peut mesurer des distances, détecter des obstacles, connaître son orientation, surveiller sa vitesse, mesurer une température ou déterminer la position de ses articulations.

Une caméra fournit des images, tandis qu'un microphone permet de recueillir des sons. Un capteur de pression peut détecter un contact et un accéléromètre peut mesurer les mouvements du robot.

Un robot mobile qui se déplace dans une pièce peut ainsi utiliser plusieurs capteurs simultanément. Une caméra peut reconnaître les éléments présents devant lui, tandis que des capteurs de distance détectent les obstacles trop proches.

Le traitement des informations

Les informations provenant des capteurs sont transmises à une unité de commande. Celle-ci peut être constituée d'un microcontrôleur, d'un microprocesseur ou d'un ensemble de circuits électroniques spécialisés.

Le programme exécuté par cette unité définit la manière dont le robot doit réagir aux informations reçues. Une mesure de distance peut par exemple être comparée à une distance minimale de sécurité. Si un obstacle est détecté trop près, le programme peut commander l'arrêt du robot ou modifier sa trajectoire.

Le traitement peut être très simple lorsqu'il repose sur quelques règles déterminées à l'avance, ou beaucoup plus complexe lorsqu'il doit analyser des images, reconnaître des objets ou calculer une trajectoire.

Les actionneurs

Après avoir déterminé l'action à réaliser, le système commande des actionneurs. Ils transforment l'énergie électrique en action mécanique ou en un autre effet physique.

Les moteurs électriques sont les actionneurs les plus courants. Ils peuvent faire tourner une roue, déplacer une articulation ou entraîner un mécanisme. Les servomoteurs permettent de contrôler précisément une position angulaire, tandis que les vérins produisent un déplacement linéaire.

Dans un bras robotique, plusieurs moteurs fonctionnent simultanément. Le système doit coordonner leurs mouvements afin que l'outil placé à l'extrémité du bras atteigne exactement la position souhaitée.

La boucle de commande

Le fonctionnement d'un robot repose souvent sur une boucle de commande. Le robot mesure son environnement ou son propre état, compare les informations obtenues avec l'objectif recherché, calcule une commande puis agit sur son environnement.

Après l'action, les capteurs effectuent de nouvelles mesures. Le système peut alors vérifier le résultat obtenu et corriger son comportement.

Un robot mobile qui doit suivre une trajectoire mesure par exemple en permanence sa position et son orientation. Si sa trajectoire s'écarte de celle prévue, le programme modifie la vitesse des moteurs afin de corriger son déplacement.

La position et le mouvement

Les robots articulés doivent connaître avec précision la position de leurs différents éléments. Des capteurs de position placés dans les articulations mesurent l'angle ou le déplacement de chaque axe.

Le contrôleur utilise ces informations pour commander les moteurs avec précision. Il peut ainsi faire passer un bras d'une position à une autre tout en contrôlant la vitesse et l'accélération de chaque articulation.

Cette précision est essentielle dans l'industrie. Un bras robotique chargé de placer une pièce sur une chaîne de production doit atteindre une position déterminée avec une erreur très faible et répéter ce mouvement des milliers de fois.

La locomotion

Un robot mobile doit transformer l'énergie de ses actionneurs en déplacement. Les robots à roues utilisent généralement plusieurs moteurs dont la vitesse peut être contrôlée indépendamment.

Un robot possédant deux roues motrices peut tourner en faisant varier leur vitesse respective. Si les deux roues tournent à la même vitesse, le robot avance en ligne droite. Si une roue tourne plus vite que l'autre, sa trajectoire se courbe.

D'autres robots utilisent des chenilles, des jambes, des hélices ou des mécanismes spécialisés selon le terrain et le déplacement recherché.

L'alimentation électrique

Tous les circuits et actionneurs du robot doivent recevoir une énergie adaptée. Les petits robots mobiles utilisent généralement une batterie, tandis que les robots industriels sont souvent alimentés directement par le réseau électrique.

La puissance nécessaire dépend fortement des mouvements réalisés. Les moteurs d'un robot capable de déplacer une charge lourde peuvent consommer beaucoup plus d'énergie que les circuits électroniques qui contrôlent le système.

Des circuits de gestion de l'énergie distribuent les tensions et les courants nécessaires aux différents éléments. Ils peuvent également surveiller la température, la tension de la batterie et les conditions de fonctionnement.

Les communications

Certains robots fonctionnent de manière autonome, tandis que d'autres doivent communiquer avec des équipements extérieurs. Des interfaces filaires ou sans fil permettent d'échanger des données avec un ordinateur, une télécommande, un serveur ou d'autres machines.

Un robot industriel peut recevoir des ordres provenant du système de production et transmettre en retour son état. Un robot mobile peut communiquer avec une station centrale pour recevoir une mission ou transmettre les informations recueillies pendant son déplacement.

Les robots industriels

Les robots industriels sont principalement conçus pour effectuer des opérations répétitives avec rapidité et précision. Ils peuvent déplacer des pièces, assembler des éléments, souder, peindre, découper ou manipuler des objets.

Un robot utilisé sur une chaîne automobile peut par exemple saisir une pièce, la positionner avec précision puis effectuer une opération de soudage avant de recommencer le cycle. Les capteurs contrôlent la position des articulations tandis que le contrôleur coordonne les mouvements des différents moteurs.

Les robots domestiques

Les robots domestiques sont conçus pour fonctionner dans des environnements destinés aux personnes. Ils doivent donc pouvoir se déplacer en présence de meubles, de murs, d'objets et parfois d'êtres humains.

Un aspirateur robot utilise des capteurs pour détecter les obstacles, déterminer sa position et éviter certaines zones. Il commande ensuite ses moteurs afin de parcourir progressivement la surface à nettoyer.

Une tondeuse robotisée applique un principe similaire à l'extérieur. Elle doit se déplacer sur une surface délimitée, détecter certains obstacles et adapter ses mouvements.

Les robots médicaux

Dans le domaine médical, les robots peuvent assister les professionnels ou réaliser certaines opérations avec une grande précision. Certains systèmes permettent de manipuler des instruments chirurgicaux avec des mouvements très fins.

D'autres dispositifs robotisés sont utilisés pour la rééducation ou l'assistance au déplacement. Des capteurs mesurent alors les mouvements ou les efforts produits par la personne afin d'adapter l'assistance fournie par les moteurs.

Les robots d'exploration

Les robots d'exploration permettent d'étudier des environnements difficiles, dangereux ou inaccessibles à l'être humain.

Des robots sous-marins peuvent descendre à de grandes profondeurs pour observer les fonds océaniques. Des robots peuvent également explorer des zones volcaniques, inspecter des installations dangereuses ou parcourir la surface d'autres astres.

Dans ces situations, les capteurs fournissent les informations nécessaires au déplacement et à l'observation, tandis que les systèmes de commande doivent fonctionner malgré des conditions parfois très éloignées de celles rencontrées sur Terre.

La vision robotique

Une caméra permet au robot de recueillir une grande quantité d'informations visuelles. Les images sont ensuite traitées par des circuits électroniques et des algorithmes afin d'en extraire les informations utiles.

Un système de vision robotique peut par exemple déterminer la position d'une pièce sur une chaîne de production, reconnaître un obstacle ou identifier la forme d'un objet.

Dans un robot de tri, une caméra peut détecter les objets qui arrivent sur un tapis roulant. Le système détermine leur position et leur catégorie, puis commande un mécanisme qui les dirige vers le compartiment correspondant.

L'intelligence artificielle

Certains robots utilisent des techniques d'intelligence artificielle pour traiter des situations trop complexes pour être décrites uniquement par des règles fixes.

Un système peut par exemple analyser une image pour reconnaître un objet, interpréter une commande vocale ou déterminer une trajectoire à partir de nombreuses informations.

L'intelligence artificielle ne remplace cependant pas les autres éléments du robot. Les algorithmes ont besoin de capteurs pour obtenir des informations et d'actionneurs pour produire une action. L'électronique assure toujours les mesures, le traitement des signaux, la commande des moteurs et les communications.

La sécurité

Un robot capable de produire des mouvements puissants doit également pouvoir détecter les situations dangereuses. Des systèmes de sécurité surveillent notamment les positions, les vitesses, les efforts et la présence de personnes.

Un robot industriel peut par exemple ralentir ou arrêter ses mouvements lorsqu'un dispositif de sécurité détecte une personne dans une zone réservée. Des capteurs peuvent également détecter une surcharge ou une anomalie mécanique.

La sécurité est particulièrement importante lorsque le robot travaille à proximité de personnes ou manipule des objets lourds, chauds ou dangereux.

Les robots autonomes

Un robot est dit autonome lorsqu'il peut accomplir une mission sans recevoir en permanence les instructions détaillées d'un opérateur.

Son programme définit un objectif et les règles générales de fonctionnement. Le robot utilise ensuite ses capteurs pour connaître son environnement, prend les décisions prévues par son système de commande et adapte ses actions.

Un véhicule robotisé chargé d'explorer une zone inconnue doit ainsi déterminer lui-même comment se déplacer en fonction des obstacles détectés. Son autonomie dépend directement de ses capacités de perception, de calcul, de déplacement et de gestion de l'énergie.

Une machine composée de plusieurs systèmes

La robotique repose finalement sur une chaîne continue entre perception, traitement et action. Les capteurs fournissent les informations, les circuits électroniques les convertissent et les traitent, le programme détermine les commandes et les actionneurs réalisent les mouvements.

La mécanique donne au robot sa structure et ses possibilités de mouvement, tandis que l'électronique assure les mesures, la commande et les échanges. L'informatique organise ces fonctions et permet d'adapter le comportement de la machine à la tâche qui lui est confiée.

Cette association permet de construire des robots très différents, depuis une petite machine autonome capable d'effectuer une tâche simple jusqu'à des systèmes industriels ou d'exploration capables de percevoir leur environnement, de calculer leurs mouvements et d'exécuter des opérations complexes avec une grande précision.