210 - Avancées en robotique collaborative pour contrer la pénurie de main-d’œuvre

Alors que l’algorithmique de la planification de mouvement a émergé dans les années 1980, dominée par la géométrie algorithmique et la géométrie algébrique réelle, le domaine est renouvelé dans les années 1990 par la robotique mobile. Le problème nécessite la fusion dans un même cadre théorique de la géométrie différentielle et de la géométrie algorithmique. Nous verrons comment le robot Hilare a été le premier robot mobile manœuvrant une remorque de manière autonome. La deuxième partie de la présentation portera sur l’étude la locomotion humaine dans une perspective pluridisciplinaine combinant robotique et neurosciences computationnelles.

Zimmer Biomet est une entreprise internationale œuvrant dans le domaine médical, plus spécifiquement
dans la conception, la production et la vente d’implants et d’instruments liés aux chirurgies
orthopédiques. Parmi son éventail de produits offerts, il y a le système robotique ROSA Knee System qui
permet de supporter les chirurgien(ne)s lors d’interventions de remplacement total du genou. Ce système
offre une assistance lors de l’exécution des coupes osseuses et lors de l’évaluation de l’état des tissus
mous entourant le genou afin de faciliter le positionnement intra-opératoire de l’implant. Cette
présentation introduira la compagnie et le système robotique ROSA Knee System aux auditeurs, avec un
focus sur l'importance de la collaboration robot-utilisateur lors d'une procédure chirurgicale.

Cette présentation abordera deux thèmes de recherche du Laboratoire de robotique de l’Université Laval, les robots parallèles entraînés par câbles (RPEC) et les mains robotiques, en montrant comment ils s’appuient en partie sur les mêmes concepts mathématiques. Il s’agit d’un de ces cas où le même modèle mathématique permet de représenter deux systèmes en apparence distincts. Dans les robots parallèles entraînés par câbles (RPEC), l’effecteur est contrôlé par l’entremise de câbles qui le relient à des treuils asservis, eux-mêmes fixés au bâti. Depuis les années 1980, ces robots ont trouvé quelques applications de niche, la plus connue étant celle de la Skycam, où une caméra est déplacée au-dessus du terrain lors d’un événement sportif. Nous passerons en revue certains outils qui ont été développés durant les dernières années au Laboratoire de robotique de l’Université Laval pour concevoir les RPEC. Du point de vue des mains robotiques, nous discuterons d’une méthode pour la saisie autonome d’objets qui n’utilise pas d’apprentissage machine, mais qui s’appuie plutôt sur la même théorie qui fut employée pour la modélisation des RPEC.

L’actionnement des systèmes robotiques collaboratifs et interactifs pose plusieurs défis technologiques. Les approches classiques performent généralement adéquatement dans un contexte de suivi de trajectoire mais peinent à bien contrôler les forces d’interaction. Un meilleur contrôle des forces d’interaction ouvre la voie à l’exécution performante de plusieurs nouvelles tâches en industrie et en milieux moins structurés. La présentation discutera de ces défis d’actionnement, présentera les solutions typiques et abordera les technologies en développement chez Vectis Drive.

Alors que la promesse de voitures autonomes ne cesse d'être retardée, de plus en plus de questions sont soulevées quant à l'accessibilité de cette technologie dans les endroits éloignés. De plus, les événements météorologiques extrêmes sont en augmentation avec la concrétisation du changement climatique. Cette nouvelle réalité souligne l'importance de la robustesse des algorithmes de navigation face à des conditions environnementales difficiles.

À l'ère des simulations et des ensembles de données augmentés, cette présentation se concentrera sur nos efforts pour faire face à des environnements complexes grâce à la robotique de terrain. La robotique de terrain consiste en une sous-communauté de chercheurs défiant les simplifications théoriques par des travaux expérimentaux plus proches des applications réelles. Nous donnerons un aperçu de nos derniers résultats scientifiques en mettant l'accent sur les enseignements tirés en matière de cartographie par lidar, de navigation dans les conditions subarctiques et d'exploration souterraine.

Kinova® est un chef de file en robotique médicale et professionnelle. Au fil des 15 dernières années, l’entreprise a fait évoluer sa gamme de produits afin de répondre aux besoins d’industries sous-robotisées, aidant chercheurs, professionnels de la santé, gouvernements, commerces et institutions académiques. Grâce à des partenariats stratégiques nous les aidons à atteindre leurs objectifs d’innovation.

Aujourd’hui, Kinova met à profit son expertise inégalée dans le développement de solutions robotiques sécuritaires, versatiles et faciles à adopter en lançant un nouveau bras robotique collaboratif pour répondre aux besoins en constante évolution de l’automatisation industrielle.

Kinova décrira lors de cette présentation en quoi cette nouvelle solution s’inscrit dans l’évolution des cobots au cours des dernières années et comment l’entreprise entends devenir un joueur majeur dans ce marché fortement concurrentiel.

L’automatisation est une solution privilégiée pour accroitre l’efficacité des processus, répondre aux exigences clients et faire face à la concurrence industrielle. Cependant, les capabilités technologiques actuelles ne permettent d’automatiser que partiellement un tel processus. Ainsi, plutôt que de s’intégrer dans une logique de remplacement de l’Homme par la machine, des paradigmes de conception alternatifs proposent d’augmenter les capacités humaines via la technologie. Dans cette optique, la conception de cellule robotique collaborative vise à tirer avantage des capacités cognitives humaines avec les capacités computationnelles des systèmes automatisés. Cependant, la conception de tels systèmes génère des challenges et questionnements qui résonnent dans plusieurs disciplines. Notamment, comment concevoir des situations de travail humain-robot qui favorisent la collaboration dans l'exécution de tâches cognitives complexes ? Dans cadre d’un projet industriel, nous développons un socle méthodologique pour analyser et modéliser le travail d’inspection afin d’identifier l’ensemble des tâches d’inspection, les critères de décisionnels et les contraintes du domaine. Les connaissances générées ont pour double fonction de supporter la conception des modules du système; et de guider la conception de la collaboration humain-robot dans les futures situations de travail pour favoriser l’implémentation et l’acceptation du système.

**Présentation en anglais**

Une solution polynomiale au problème cinématique inverse du robot Kinova Gen3 Lite est proposée dans cet article. Ce robot série est basé sur une chaîne cinématique 6R et n'est pas partitionné au poignet. Nous partons d'abord de l'équation cinématique directe fournissant la position et l'orientation de l'effecteur terminal, enfin, l'équation polynomiale univariée est donnée en fonction de la première variable conjointe θ1. Les variables conjointes restantes sont calculées par substitution arrière. Ainsi, un ensemble unique de positions communes est obtenu pour chaque racine de l'équation univariée. Des exemples numériques, simulés en ROS (Robot Operating System), sont donnés pour valider les résultats, qui sont comparés aux coordonnées obtenues avec MoveIt! et avec le robot réel. Une procédure pour choisir une posture optimale du robot est également proposée.

L’addition des capteurs tactiles en forme d’une peau artificielle à un robot améliore la sécurité et son bon fonctionnement. Malheureusement, le robot ne peut pas deviner la raison ni le contexte du contact en utilisant seulement les capteurs tactiles. Particulièrement dans le cas des robots collaboratifs, le contact humain peut être une manipulation physique délibérée par l’humain ou une collision involontaire qui nécessite des manœuvres d’évitement.

Pour améliorer la capacité cognitive des robots, nous proposons l’utilisation d’une seule caméra RGB-D montée sur le robot en addition des capteurs de la peau artificielle pour deviner si le contact humain est délibéré ou non. Des scénarios incluant d’interaction physique statique et dynamique seront analysés en utilisant des méthodes d’intelligence artificielle pour classifier ces interactions selon le contexte. Un robot ayant la capacité d'identifier cette différence en contexte réagirait de manière plus cognitive et naturelle.

De plus, cette capacité permettrait également à un robot de détecter si l’attention de l’humain est toujours concentrée sur sa manipulation du robot. Par exemple, s’il y a une distraction et l’humain regarde ailleurs, mais continue à manipuler le robot sans se concentrer sur ce que le robot fait, le robot devrait dans ce cas rejeter la manipulation par l’humain pour éviter tout dommage potentiel dû à une manipulation involontaire jusqu’à l’humain regarde le robot encore.

Le projet est présentement à l’étape de contrôle du robot en utilisant l’admittance des UR dans le contexte de l’insertion. Il s’agit de caractériser les entrées en insertions afin d’avoir un spectre des forces. Un mécanisme compliant sera testé au cours des prochains mois pour améliorer l’insertion en vitesse et en précision.

Les coquilles à faible impédance pour l’interaction physique humain-robot, développées au Laboratoire de Robotique de l’Université Laval, sont présentées. Le principe de la coquille à faible impédance repose sur l’architecture macro-mini. Cette dernière consiste à remplacer un capteur d’effort par un mécanisme à faible impédance (mini) dans le but de contrôler un robot à haute impédance (macro). L’utilisateur manipule le mini capable de répondre plus rapidement et le macro cherche à suivre, découplant ainsi la tâche à réaliser de l’inertie du macro. Le mini est généralement ajouté à l’effecteur du robot.

Les coquilles à faible impédance diffèrent de l’architecture macro-mini générale dans le sens où les coquilles sont attachées aux membrures d’un manipulateur sériel plutôt qu’à son effecteur, ce qui permet de découpler la tâche de l’inertie du robot comme de la charge.

Deux types de coquilles sont présentées. La première permet 6 degrés de liberté et repose sur l’architecture de Gough-Stewart. La seconde admet 3 degrés de liberté, formée d’une architecture 3-RRR, offrant des déplacements dans un plan perpendiculaire à la membrure (translations et rotation).

Le problème cinématique inverse est utilisé pour transmettre les déplacements de la coquille en déplacement du manipulateur sériel. Pour cette raison, différentes stratégies sont étudiées dans le but de comparer leur performance relative à l’application présente. Les résultats de simulation sont présentés brièvement.

Les véhicules à guidage automatique (Automated Guided Vehicule - AGV) permettent le transport automatisé des biens dans une usine, ce qui libère de la main-d’œuvre qui peut alors s'adonner à des tâches ayant une plus grande valeur ajoutée. Propulsés par le développement de la robotique mobile, des AGV dits à parcours libre (free-range) holonomes ont fait leur entrée sur le marché. Ce nouveau type d'engin ne requiert pas de guides, mais génère plutôt son trajet de manière dynamique lorsqu'il reçoit une destination. Le cout d'installation étant plus bas, il rend les AGV plus accessibles. Ces derniers peuvent également se déplacer latéralement, libérant l'orientation du véhicule pendant ses mouvements.

Ce degré de liberté supplémentaire permet à l’AGV de circuler dans des espaces plus restreints, mais n’est pas géré par les planificateurs de trajectoires existants dans la pile de navigation ROS. L’orientation adoptée lors des déplacements est alors aléatoire, ou bien le véhicule se retrouve bloqué puisqu’il devait pivoter avant de s’engager dans un passage étroit de son environnement.

Les travaux présentés portent sur la modification de la pile de navigation ROS pour la commande d’AGV holonomes à parcours libre. D’abord, un nouveau planificateur global intégrant l’orientation comme un état du véhicule est développé. Ensuite, le planificateur local DWA est modifié pour suivre l’orientation déterminée par le planificateur global.

Cette présentation aura un format particulier. Il s'agira d'un panel composer de gens de l'industrie et d'une chercheuse qui fera la lumière sur les facteurs humains dans l'intégration de robots collaboratifs en entreprise. Le tout sera animé par le coordonnateur du programme de formation CoRoM.

Dans un contexte de partenariat entre 2 entreprises Québécoises, AV&R cherche à simplifier et augmenter les opportunités d’utilisation d’une de ses solutions robotisées. Cette solution a été spécifiquement développée pour le milieu de l’aérospatial, mais peut être utilisée pour répondre à un besoin d’automatisation de l’opération d’ébavurage sur des petites pièces (4" x 4" x 10") dans d’autres secteur comme celui de l’usinage de petites pièces de tout acabit. Conjointement avec un partenaire industriel, AV&R s’est donc donné la mission de simplifier l’intégration de nouvelles pièces à ébavurer dans un tel système. L’ensemble des aspects seront abordés dans le contexte d’un projet de développement qui s’amorce. La simplification des étapes requises telle : la fabrication de l’équipement spécifique à chaque modèle de pièce, le choix des outils, la configuration des outils, la création et validation des trajectoires, l’ajustement des paramètres de procédés et la gestion de l’usure des outils sont autant d’aspects qui doivent être considérés pour rendre l’utilisation d’une solution robotisée simple et accroître la polyvalence.

La robotique collaborative implique entre autres une interface humain-robot efficace pour permettre une interaction naturelle. Plus particulièrement, la parole humaine représente une méthode de communication omnidirectionnelle qui facilite l’interaction homme-machine dans un environnement dynamique. Cette présentation introduit les défis actuels pour permettre aux robots d’entendre dans des environnements bruités en présence de réverbération. Il sera question des problématiques actuelles (bruits générés par l’environnement et le robot lui-même, calculs en temps réel sur un ordinateur embarqué, adaptation à un environnement dynamique avec peu de données, etc.) et les pistes de solution en cours d’exploration (utilisation de matrices de microphones, apprentissage profond par transfert, classification de sources sonores, attention audio-visuelle, etc.).

La présentation fera un survol des activités de recherche du Laboratoire d’Interaction Naturelle et Intuitive pour la Téléopération de Robots (initrobots.ca). Au centre de nos préoccupations, la conception de systèmes robotiques complexes, généralement mobiles et comptant de nombreuses unités, doit être centrée sur l’utilisateur. Une appréciation générale sera donnée de la complexité du contrôle de groupes de robots, nommément lorsque ceux-ci sont décentralisés et possèdent une intelligence de groupe. Dans ce type de systèmes multirobots, la charge cognitive de l'opérateur peut être réduite de deux manières : en donnant plus d'intelligence et d'autonomie au système robotique, et en concevant une interface de commande intuitive et naturelle pour l'opérateur. Divers projets et contributions seront présentés couvrant ces thèmes.

**Présentation en anglais**

Un fonctionnement fiable dans les environnements humains quotidiens - maisons, bureaux et entreprises - reste insaisissable pour les systèmes robotiques d’aujourd’hui. Le principal défi est la diversité, car il n'y a pas deux maisons ou entreprises identiques. Cependant, malgré les innombrables aspects uniques de toute maison, il existe également de nombreux points communs, en particulier sur la façon dont les objets sont placés et utilisés. Ces points communs peuvent être capturés dans des représentations sémantiques, puis utilisés pour améliorer l'autonomie des systèmes robotiques, par exemple en permettant aux robots de déduire des informations manquantes dans des instructions humaines, de rechercher efficacement des objets ou de manipuler des objets plus efficacement. Dans cette conférence, je discuterai des avancées récentes du raisonnement sémantique, en me concentrant en particulier sur la sémantique des objets quotidiens, des environnements domestiques et du développement de systèmes robotiques qui interagissent intelligemment avec leur monde.