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Recherche en mouvement

La robotique à l’INRIA

INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE EN INFORMATIQUE ET EN AUTOMATIQUE

juin 2001

Sommaire

La recherche au service d’une nouvelle robotique ........................................ 3

Les principaux projets de robotique à l’INRIA .............................................. 5BIP, le mouvement de la marche ............................................................ 5CHIR, l’intégration au service de la robotique chirurgicale ...................... 6COPRIN, la puissance et la précision des robots parallèles ...................... 7CORTEX, l’intelligence des robots .......................................................... 8EPIDAURE, l’image et le mouvement ...................................................... 9ICARE, l’automatique ............................................................................10MAIA, l’intelligence au service de la décision ........................................11MOVI, la vision par ordinateur ..............................................................12SHARP, la planification de l’exécution du mouvement ............................13VISTA, la vision au service de l’action ....................................................14

Essaimer vers l’entreprise : les sociétés de technologies issues de l’INRIA ......15Athys Technologie ................................................................................15Robosoft ..............................................................................................15

Annexes ....................................................................................................16Pour aller plus loin ................................................................................16Contacts ..............................................................................................17

Recherche en mouvementLa robotique à l’INRIA

R e c h e r c h e e n m o u v e m e n t . . . L a r o b o t i q u e à l ’ I N R I A

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L’industrie a adopté les robots il y a 50 ans, pour lamanipulation, la soudure, l’assemblage, la peinture,etc. Depuis ce premier âge, l’essor de l’informatiquea transformé la robotique, ouvrant un champ large àl’automatique, au traitement de l’image, à la perception

et à l’interaction avec l’environnement. Ces domaines de compétences sont au cœur del’activité de l’INRIA, Institut National de la Recherche en Informatique et en Automatique, quia intégré naturellement la robotique à son champ de recherche. Plus de 10% des équipesde recherche à l’INRIA travaillent pour développer les compétences mathématiques,géométriques, algorithmiques et informatiques indispensables à une robotique nouvelle dontles applications sont de plus en plus nombreuses : à l’INRIA, on travaille sur des techniquesplus fiables, plus robustes pour des robots qui sécurisent la conduite routière, assistent leschirurgiens dans des interventions moins invasives, apportent de l’aide aux personneshandicapées, etc. Le robot n’est plus un simple bras articulé : il se déplace dans différents environnements, ilvoit de mieux en mieux, communique avec l’homme et gagne régulièrement en autonomie.

Pour Bernard Espiau, Directeur de l’INRIA Rhône Alpes, :«Un robot est une machine agissant physiquement sur son environnement en vue d’atteindre un objectifqui lui a été assigné. Cette machine est polyvalente et capable de s’adapter à certaines variations deses conditions de fonctionnement. Un robot est doté de fonctions de perception, de décision et d’action.Il possède des capacités de mouvement propres et peut entrer en interaction avec des objets de sonenvironnement. Il a, en outre, la faculté de coopérer à divers degrés avec l’homme ».

Cette longue définition témoigne de l’approche de l’INRIA dans le domaine de la robotique. Alorsqu’ailleurs, au Japon notamment, on développe des robots ludiques, quotidiens, humanoïdes, àl’INRIA, on recherche la meilleure solution pour répondre à un problème donné : la précision pourune chirurgie plus efficace et plus sûre, l’autonomie pour l’exploration, etc.Dans ces recherches, la démarche de l’Institut est double : faire avancer les connaissances pour fournirà la robotique des « composants » de haute technicité et travailler en partenariat avec des industrielsautour d’applications où la robotique apporte à l’homme une vraie valeur ajoutée.

L’INRIA rassemble des compétences scientifiques reconnues dansle monde, dans la plupart des domaines clés qui interviennent en robotique. Automatique,informatique temps réel, calcul formel, algèbre pour la modélisation, planification du comportementautonome : ces compétences, cultivées dans de nombreux projets de recherche ou équipes del’INRIA, diffusent dans les quelque dix projets qui se consacrent plus précisément à la robotique. Le calcul formel et le calcul scientifique permettent de résoudre des questions complexes, comme laprogrammation et la conception de robots parallèles. L’innovation en automatique s’est traduite par de nouveaux concepts dans la modélisation et lecontrôle de la locomotion qui permettent d’aborder le problème de la marche d’une façon nouvelle.Les travaux sur l’image élargissent la portée de la robotique médicale.Le développement de la robotique mobile s’appuie sur les avancées en matière de logiciel tempsréel validé et d’informatique embarquée.L’informatique permet de sécuriser les systèmes critiques que sont les robots.Parallèlement, les projets robotiques contribuent à de nombreuses avancées dans chacun de cesdomaines ; ils ont aussi des retombées étonnantes dans différents secteurs : l’informatique embarquée,par exemple, a beaucoup bénéficié des applications robotiques.

Un robot : pour quoi faire ?

La recherche auservice d’une nouvelle robotique

Développer les connaissances

Un robot ne se limite pas à un algorithme d’automatiqueplacé sur une machine. C’est aussi un ensemble d’éléments intégrés dans un dispositif qui remplitune fonction : de la mécanique, un système d’interaction avec l’homme, du logiciel, du traitementd’images pour la vision, des outils de simulation, etc. Cette intégration constitue le deuxième aspectdes recherches en robotique à l’INRIA.Elle est conduite en partenariat avec des industriels de différents pays car, des petits véhiculesélectriques au robot marcheur, le rôle de l’INRIA s’arrête au développement d’un prototype. La stratégie très volontariste de partenariat de l’Institut l’a conduit à collaborer avec les grandesindustries qui contribuent au développement de la robotique mais aussi avec de nombreuses start-up. De plus, l’INRIA essaime, favorisant la création de nouvelles entreprises auxquelles l’Institutpasse le relais pour industrialiser tel ou tel fruit de ses recherches. Ainsi, dans le domaine de larobotique, deux sociétés de technologies Robosoft (www.robosoft.fr) et Athys technologies(www.athys.fr) développent des résultats issus de l’INRIA.

La double approche de l’INRIA, innovation et intégration, sereflète dans l’organisation même des projets de recherche : des équipes qui se constituent autourd’un thème et mobilisent diverses connaissances. Un projet INRIA peut être lié à une thématique (lavision, le déplacement,...), une application robotique précise (la chirurgie cardiaque non invasive,...),ou une technologie ouvrant sur de multiples applications (les robots parallèles, par exemple). Les collaborations entre les équipes sont habituelles, les développements des uns étant intégrés parles autres. De même, des actions de recherche coopératives se développent à l’intersection deplusieurs projets : sur la vision robotique par exemple.Les équipes qui travaillent dans le domaine de la robotique de l’INRIA sont reconnues à travers lemonde pour la qualité de leurs travaux.

La robotique est à l’aube d’une profonde évolution. Laminiaturisation de plus en plus grande et l’essor de la puissance de calcul disponible sur lesmicroprocesseurs vont favoriser la création et le développement de micro-dispositifs. Lesmicrocapteurs, les microactionneurs, l’informatique embarquée, les objets communicants, la maisonintelligente : ces technologies poseront de nouveaux problèmes auxquels les compétences de l’INRIAen robotique pourront apporter des solutions. On est loin du robot de compagnie, mais la micro-robotique avance à pas de géants : dansl’exploration des artères, la chirurgie assistée, l’aide aux handicapés, etc. Le domaine médical comme celui de la santé au sens large représentent d’ailleurs les grandschallenges actuels de la robotique. Cette recherche s’inscrit aussi dans l’un des grands domainesd’application prioritaires de l’institut : la santé et la biologie, définis dans son contrat quadriennal2000-2003, avec les télécommunications et le multimédia.

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L’intégration pour l’application

Les projets INRIA

Vers une robotique à grande valeur ajoutée

Au-delà des grandes avancées des dernières années, la robotique a de nouvelles frontières à dépasser. Il faudra savoir gérer la

complexité de plus en plus grande des systèmes et améliorer l’interaction avec l’homme.

Ces développements ne se feront pas sans les industriels, encore trop peunombreux en France à investir dans ce domaine.

Enfin, les différents champs de la robotique auront également besoin du soutien de la collectivité, pour les applications de la

robotique qui impliquent de plus en plus la décision de chaque citoyen.

http://www.inria.fr

Les principaux projets de robotique à l’INRIA

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BIP, LE ROBOT BIPÈDE

Le mouvement de la marche

Pourquoi un robot bipède ? Le projet BIP s’intéresse à une technologie du déplacement, qui soit plus " tout terrain "que celle des robots à chenille ou à roues. Avec des pattes, le robot évolue plus facilement dans un environnementconçu pour des humains. Il dégrade aussi moins le sol. Le robot bipède, dont deux prototypes ont déjà été

construits, vise à terme les applications d’intervention ou de service mais trouve déjà des applications en médecine.

L’équipe et ses recherches

L’équipe BIP travaille sur le contrôle de la locomotion dansdifférents axes :- l’observation et la modélisation de la marche humaine,pour en comprendre les mécanismes, les invariants, lesschémas de contrôles, etc. ;- l’étude des méthodes de commande ;- la mise au point d’outils de conception, de programmationet de vérification pour l’ensemble du contrôle commande.L’équipe du projet BIP est constituée de trois chercheurs del’INRIA qu’assistent plusieurs doctorants (sept thèses ont étéprésentées sur ce thème) et qui travaillent en étroitecollaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Solidesde Poitiers.

Quelques applications étonnantes…

Si les robots marcheurs ne sont pas encore dans le monderéel, la recherche sur la marche a déjà débouché sur desapplications prometteuses.

Par exemple, une coopération est en cours de montage dansce domaine avec le LIRMM (Laboratoire d’informatique, derobotique et de microélectronique de Montpellier) et l’équipedu Professeur Rabischong, de la faculté de médecine deMontpellier, pour la synthèse de la marche appliquée auxparaplégiques.

Les recherches BIP ont également des retombées sur lessystèmes temps réel et la programmation de systèmes de

contrôle-commande. Ces travaux consistent à définir denouveaux modèles pour la programmation, l’analyse etl’exécution de programmes pour les robots.

Perspectives

On sait aujourd’hui faire marcher les robots mais seulementen ligne droite. L’amélioration de la capacité de manœuvredes robots marcheurs pose de multiples questions àl’automatique théorique. L’addition de capteurs représente une autre perspective :aujourd’hui le robot BIP a des capteurs sur les articulationsdes genoux et sur la force qui s’exerce sur les pieds. Audelà de la présence du sol, la vue pourrait lui permettre dedétecter d’autres obstacles et de mieux gérer ses trajectoires.

Partenariats

Collaboration sous forme de projets ou contrats communsavec des biomécaniciens (UFR Staps de Grenoble, Grouped'Analyse du Mouvement de Dijon), des automaticiens(Laboratoire d'Automatique de Grenoble) et des mécaniciens(Laboratoire de Mécanique des Solides de Poitiers). Participation au GDR automatique, groupe "robots à pattes",au projet européen VIGOR sur la commande référencéevision pour la robotique de soudage.Présentation à l'exposition universelle de l'an 2000 àHanovre.

Responsable scientifique : Eric RUTTEN +33 4 76 61 54 02 - [email protected]

Secrétariat : +33 4 76 61 54 47http://www.inria.fr/recherche/equipes/bip

INRIA Rhône-Alpes

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CHIR Chirurgie informatique et robotique

L’intégration au service de la robotique chirurgicale

Chir est une nouvelle équipe multidisciplinaire qui fédère des chercheurs de plusieurs projets INRIA. L’actioncommence en 1998, lors de la première mondiale (en France) d’un nouveau robot téléopéré d’intervention, à lapointe de la téléchirurgie, Da Vinci, développé par la société américaine Intuitive Surgical Inc. Des chercheurs de

l’INRIA, qui assistent à l’opération du cœur, pratiquée par le Professeur Carpentier, pensent que l’assistance au chirurgienpeut être poussée plus loin : dans l’utilisation des images médicales, dans la simulation de l’intervention, dans lamodélisation et dans l’amélioration des conditions d’interventions. Aujourd’hui, l’INRIA travaille en partenariat avecIntuitive Surgical Inc. sur ce robot.


Les travaux de Chir sont guidés par les besoins deschirurgiens. L’équipe, qui rassemble une dizaine depersonnes, dont quatre scientifiques INRIA et deuxchirurgiens, se concentre sur l’intégration de différentesfonctions pour améliorer le service rendu par la robotique.Il s’agit d’identifier les fonctions qui peuvent compléterl’approche, de rechercher les meilleures solutions techniqueset de les intégrer. Lorsque le besoin est identifié mais quela technique n’est pas disponible, l’équipe mène ses propresrecherches pour la développer.

Vers un système complet de téléchirurgie

De la planification de l’intervention à son exécution, l’équipeChir développe des systèmes intégrés pour sécuriser etaméliorer les conditions thérapeutiques robotisées.- Modélisation du système, patient, organes et robot, àpartir des images médicales disponibles et de la géométriedu robot. Cette modélisation constitue la base indispensabledes étapes suivantes.- Planification de l’intervention basée sur le modèle dupatient et du robot. - Validation pour simuler automatiquement les déplacementsdu robot dans la zone opératoire et vérifier qu’il n’entrepas en collision.- Simulation interactive par le chirurgien sur le modèle, pourvérifier qu’il pourra bien faire le geste chirurgical adapté.Cette technique ouvre la voie à des simulateurs de chirurgiequi permettront de former et de superviser les étudiants enchirurgie téléopérée.- Recalage des résultats de la planification et de la simulationau bloc opératoire.- Réalité augmentée apportée au chirurgien lors del’intervention. Le système élargit la vision du chirurgien encomplétant le retour caméra du robot par les images du

patient recueillies avant l’opération à l’aide de lamodélisation. - Le projet veut également apporter un niveausupplémentaire de sécurité en définissant une zoneopératoire où le chirurgien pilote sans risque le robot ; audelà, le système se bloque automatiquement.- L'intégration logicielle est réalisée pour garantir l'efficacitéet la sûreté de l'application de robotique chirurgicale.L'utilisation de preuves formelles est étudiée à cet effet.

Perspectives

Les tests de ce système jusqu’à la validation seront faits dèsl’automne 2001. La première médicale aura lieu dès que lesdifférentes autorisations européennes auront été obtenues.Les algorithmes développés dans l’équipe Chir sontsuffisamment génériques pour s’adapter à d’autres typesde chirurgies et d’autres types d’applications robotiquesmédicales. Actuellement, l’équipe élargit ses travaux à lachirurgie digestive, la neurochirurgie et la chirurgie du sein.

Partenariats

Chir travaille en étroite collaboration avec des équipes duCNRS en France, GMCAO à Grenoble, LIRMM àMontpellier.Des contrats de collaboration ont été signés entre Chir etl'équipe du professeur Carpentier à l'HEGP (INRIA/ParisVI) et avec les sociétés Intuitive Surgical Inc. (USA), GeneralElectric (France) et Sinters (France).Chir est engagé dans des contrats financés par le Ministèrede la recherche dans le cadre de l'action télémédecine, parle Réseau National de Recherche en Télécommunications(RNRT), et par le Réseau National Technologies pour laSanté (RNTS).

Responsable scientifique : Ève COSTE-MANIÈRE+33 4 92 38 76 26 - [email protected]

Secrétariat : +33 4 92 38 78 61http://www.inria.fr/recherche/equipes/chir

INRIA Sophia Antipolis


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COPRINContrainte, optimisation et résolution par intervalles

La puissance et la précision des robots parallèles

Basés sur une architecture mécanique particulière, les robots parallèles font agir plusieurs bras ou plusieurs jambesprogrammés en parallèle pour la même action. L’idée n’est pas neuve. Elle s’est développée avec les simulateursde vol, des engins dont le poids et les contraintes de manœuvre exigeaient une puissance importante. Le robot

parallèle était la seule solution qui répondait aux besoins économiques et techniques de ces applications. La puissanceest toujours le point fort de la robotique parallèle qui a un autre atout : une précision inégalée du geste qui lui ouvredes applications dans la robotique médicale par exemple.


La robotique parallèle est déjà ancienne mais sa conceptionextrêmement complexe fait l’objet de recherchemathématiques poussées. De la mission que devra effectuer le robot, on déduit sonarchitecture topologique et mécanique. Reste ensuite àchoisir les bonnes dimensions.C’est le point crucial, car, en robotique parallèle, un écartde 1% dans les dimensions peut se traduire par un écart de500% dans les performances. Seule une approchemathématique associée à une implantation informatique trèssoignée (parallèlisation) permettent de répondre à ceproblème de conception. L’équipe travaille en partenariatavec de nombreux mathématiciens et développe desméthodes dans ce domaine avec un savoir faire actuellementunique au monde. Elle se compose d’une dizaine depersonnes autour de cinq chercheurs à compétencesmultidisciplinaires.

L’indispensable robot parallèle

Pour conduire leurs travaux sur les particules, au Synchrotronde Grenoble, par exemple, les chercheurs voulaient pouvoirpositionner avec précision un miroir de deux tonnes et demiede façon à illuminer par des rayons X chaque facetted’échantillons placés à une quinzaine de mètres.C’est une application où le robot parallèle est indispensable

: il associe la puissance, pour porter la charge, à la précision.

L’équipe Coprin développe aujourd’hui un robot opératoiredont la précision doit être au moins égale à celle de la maind’un chirurgien, et la sécurité totale. Dans les applicationsde chirurgie endoscopique, le retour vers le chirurgien estpurement visuel et de mauvaise qualité car l’optique est trèspetite. L’équipe a conçu un micro robot parallèle de septmillimètres de diamètre pour deux centimètres de long àtrois degrés de liberté. Il permettra de compléter le retourvisuel par une information tactile très précise. Cette rechercheest faite en collaboration avec le Professeur Dumont, del’Hôpital Sainte Marguerite à Marseille et le Laboratoire demécanique de Besançon.

Perspectives

Les perspectives de la robotique parallèle sont à la mesurede son potentiel et intéressent aujourd’hui de nombreuxindustriels : les télescopes toujours plus grands et toujoursplus précis, les machines outils, plus rapides et plus précises.

Responsable scientifique : Jean-Pierre MERLET+33 4 92 38 77 61 - [email protected]

Secrétariat : +33 4 92 38 78 57http://www.inria.fr/recherche/equipes/coprin


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CORTEXL’intelligence des robots

Cortex travaille dans le domaine des neurosciences computationnelles. L’équipe élabore des modèles numériquesdestinés à l’émulation de fonctions cognitives, à l’image des réseaux de neurones. De même que l’intelligencehumaine, les modèles sur lesquels travaille Cortex dotent les robots d’une aptitude à faire face à des situations

complexes, voire inconnues. En effet, contrairement aux systèmes automatiques, l’approche neuromimétique neprésuppose pas que l’environnement soit connu. Elle permet d’envisager des fonctions d’apprentissage et de réactionface à des situations nouvelles.


L’équipe Cortex travaille sur deux étapes de la modélisationneuronale :- le système autonome doit tout d'abord être capable destructurer un univers inconnu en s’en créant unereprésentation interne ;- sur cette base, il cherche à sélectionner les meilleuresstratégies d'exploration et d'exploitation de ce monde enfonction de certains critères (coût, récompense). L’équipe réunit quinze personnes dont cinq chercheurs(INRIA, CNRS, Universités de Nancy). Ses recherches visent:- au développement d’un modèle cortical d'inspirationbiologique ; - à l’étude de l'adaptation et de la coopération de modèlesclassiques du connexionnisme et de l'intelligence artificielle. Ces travaux sont appliqués à la navigation de systèmesautonomes et à l'analyse et l'interprétation de données.

L’intelligence artificielle et la perceptionLa perception est l’un des enjeux importants des recherchesde Cortex. Avec NOSE, une Action de recherche coopérative, l’équipecherche à élaborer un robot qui détecte les odeurs pouridentifier des risques, en collaboration avec des physiciensde l’Université de Nancy qui développent des matrices decapteurs olfactifs et des biologistes de l’Institut des sciencescognitives de Lyon.A travers la perception des odeurs, un robot pourra identifierune fuite de gaz ou la présence de produits dangereux dansun espace public. La matrice de capteurs dotant le robotd’une "stéréo-olfaction", il pourra non seulement reconnaîtrecertaines substances mais aussi en localiser la source.

Equipé d’un modèle de neurones d’inspiration biologique,il se dirigera ensuite vers le lieu d’émission et pourra gérerle risque.

PerspectivesLes applications à ces recherches ne manquent pas tantchacun rêve d’un robot qui pourra rendre d’autant plus deservices qu’il est intelligent. Toutefois, ce domaine derecherche n’est qu’à peine défriché et la modélisationneuronale avance petit à petit, fonction par fonction. Lacollaboration avec des biologistes ouvre d’importantesperspectives à ces travaux communs qui font progresser laconnaissance du cerveau.

PartenariatsFrance : Unité INSERM 93-3 CREARE, PARIS VI ; LAFORIA ;Université de Cergy-Pontoise LCPSEENS Montrouge ; EPHE(Paris) ; Unité INSERM 405 ; Hôpitaux de Strasbourg ;Université Louis Pasteur (département de biologie,département de mathématiques et informatique)(Strasbourg), IMAG (équipe de traitement d'images et équipesymbolique/connexionniste) (Grenoble). ENST (Brest),LIP/ENS (Lyon) ; SUPELEC, département d'informatique(Metz) ; Université Henri Poincaré, Nancy I (départementsde physiologie, de mathématique) ; IFR PIB ; CHU de Nancy,Université de Nancy 2 (département de physiologie) ; Suisse : CUi, Université de Genève ; Luxembourg : CEPS, psychologie différentielle ; Espagne : TELECOM, Engineering, Université Polytechniquede Madrid ; Royaume Uni : Center for Neural and Adaptive Systems,Université de Plymouth ; USA : Université d'Alabama ; Université du Texas à Arlington

Responsable scientifique : Frederic ALEXANDRE+33 3 83 59 20 53 - [email protected]

Secrétariat : +33 3 83 59 20 51http://www.inria.fr/recherche/equipes/cortex

INRIA Lorraine /Loria


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EPIDAUREL’image et le mouvement

Baptisé du nom de la ville grecque, berceau de la thérapeutique, Epidaure affiche des ambitions au service de lamédecine. A partir de l’imagerie médicale, l’équipe développe des systèmes et des outils d’analyse pour assisterles médecins et les chirurgiens dans le diagnostic et la thérapeutique. Scanners, imagerie par résonance magnétique,

échographie, médecine nucléaire : Epidaure développe des modèles à quatre dimensions, les trois dimensions del’espace plus le temps, inséparable du mouvement et donc du vivant.


Le projet est à l’origine de la création d’une nouvellediscipline, l’analyse d’images médicales qui sera désormaisenseignée dans de grandes écoles d’ingénieurs. L’équipe est pluridisciplinaire. Autour des quatre chercheursde l’INRIA, spécialisés dans l’imagerie, vingt-cinqscientifiques travaillent dans l’équipe qui compte enpermanence entre trois et cinq médecins. La recherche vise à automatiser l’exploitation des imagesmédicales :- extraire les paramètres quantitatifs utiles au diagnostic,- fusionner des images de provenances diverses en lesrecalant dans l’espace et le temps, - analyser les mouvements,- réaliser des modèles qui permettent de développer desoutils de simulations,- coupler l’imagerie médicale avec la robotique médicale,etc.

Vers un modèle du cœur pour lasimulation chirurgicale

L’équipe d’Epidaure travaille à la construction d’un modèledynamique du cœur, en quatre dimensions. Un premiermodèle géométrique est établi à partir d’images médicales.On le dote ensuite de propriétés biomécaniques (physiques)et électriques de façon à contraindre ce modèle avec lesmesures de l’électrocardiogramme du patient. Lamodélisation de la propagation de l’onde électrique et de lacontraction biomécanique sur le cœur permet d’animer le

cœur virtuel avec les données du patient pour lui donner lesmêmes propriétés que le cœur réel. Ces modèles pourrontaider le médecin à mieux identifier les facteurs de risques.Bientôt, l’équipe ajoutera aux modèles d’organes despropriétés physiologiques pour que le fonctionnement simulétienne compte de la circulation, ou de la respiration, parexemple. L’équipe travaille également à des outils informatiques pourque les chirurgiens puissent s’entraîner aux gesteschirurgicaux sur des modèles.

Perspectives

L’inévitable scepticisme des débuts a fait place à un grandintérêt. Une nouvelle génération de médecins se forme à cesoutils dont l’utilisation est désormais enseignée en facultéde médecine.

Partenariats

Relations industrielles avec General Electric Medical Systems,Noesis, Sanofi, Nycomed, Dosigray, Medtronic, Philips,Siemens, QuantifiCare, Mauna Kea Technologies, etc. Relations internationales avec les hôpitaux et les universitésde Baltimore, Boston, Los Angeles, Louvain, Liverpool,Oxford, Stanford, Zurich, etc., et le MIT. Participation à desprojets de recherche européens (Biomed, Telematics).

Responsable scientifique : Nicholas AYACHE +33 4 92 38 76 61 - [email protected]

Secrétariat : +33 4 92 38 76 60http://www.inria.fr/recherche/equipes/epidaure


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ICAREInstrumentation, Commande et Architecture des Robots évolués

L’automatique

L’automatique est le domaine d’Icare, la science de la modélisation et de la commande des systèmes dynamiques.Elle intervient plus spécifiquement en robotique pour calculer et produire les mouvements des robots. Elle est doncau cœur de la robotique. On peut ainsi voir la robotique comme un des champs d’application de l’automatique,

tout en réalisant que la robotique intègre d’autres sciences de base de l’ingénieur (mécanique, informatique,...) etpossède sa propre dimension. L’étude des diverses étapes qui permettent de passer des données brutes recueillies sur l’environnement d’un robot àl’aide de capteurs variés (vision, ultrasons,...), au calcul des intensités à appliquer aux moteurs du robot dans le butd’accomplir une tache spécifique est au centre des recherches du projet Icare. Le projet a aussi pour ambition des’appuyer sur les robots et leurs applications pour compléter certains aspects de la théorie de la commande dessystèmes non-linéaires.

L'équipe et ses recherches

L'automatique, discipline transversale des sciences del'ingénieur, est une branche des mathématiques appliquées; c’est un domaine de recherche en lui-même. Très orientéesur les applications, très proche des systèmes physiques,l'équipe Icare développe les outils mathématiques pourcontrôler les systèmes physiques.Les axes de recherche de l'équipe Icare portent sur :- des travaux théoriques sur la commande des systèmes non-linéaires, et plus spécifiquement des mécanismes robotiques: bras manipulateurs, robots mobiles terrestres, sous-marins,et aériens (drones et dirigeables), robots a pattes,...- l'étude de techniques de perception et modélisation del'environnement, et de navigation dans le but d'accroître lescapacités d'autonomie des robots.La partie permanente de l'équipe est composée de quatrechercheurs INRIA, aux formations complémentaires enautomatique, traitement du signal, et vision artificielle, etd’un ingénieur responsable du laboratoired'expérimentation robotique du centre de Sophia-Antipolis.

Deux exemples parmi les applications robotiques

Icare travaille en partenariat avec l'Ifremer pour un projetde robotique sous-marine.L'Ifremer demande à des engins sous-marins motorisésd'aller recueillir les images de cheminées thermales quipermettront de les modéliser. Ces engins doivent avoir assez

d'autonomie pour se positionner automatiquement auxendroits nécessaires pour recueillir les images et donnéesindispensables à la modélisation.

Icare mène en collaboration avec des laboratoires portugaiset brésiliens des travaux sur la commande avecasservissement visuel de dirigeables autonomes destinés ades missions de relevé de terrain, surveillance, etc.

Perspectives

L'automatique est largement utilisée dans tous les systèmescommandés.Pourtant cette branche des sciences reste mal connue enFrance. La robotique devrait accompagner son essor dansles écoles comme dans les laboratoires.

Partenariats

Participation au G.R.S.M., groupement de rechercheréunissant industriels et chercheurs du sud de la France dansle domaine de la robotique sous-marine. Participation auprojet Otarie, financé par le Conseil Régional PACA, avecl'Ifremer, Cybernetix et Thomson-Marconi-Sonar. Collaboration scientifique avec l'Instituto Superior Technicode Lisbonne (Portugal), l'Université de Campinas (Bresil), etla Technical University of Denmark.Contacts suivis avec Sagem S.A, Renault S.A. et le CEA.

Responsable scientifique : Claude SAMSON +33 4 92 38 77 36 - [email protected]

Secrétariat : +33 4 92 38 77 38http://www.inria.fr/recherche/equipes/icare



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MAÏAL’intelligence au service de la décision

Le projet Maïa explore deux approches complémentaires de l’intelligence artificielle : d’une part l’imitation biologique,et de l’autre, l’élaboration de modèles qui permettent de doter des agents (robots ou systèmes) d’une certaine"intelligence".

L’objectif est de leur permettre de percevoir l’environnement et d’agir sur celui-ci avec une relative autonomie. L’équipeappuie ses recherches sur les modèles de décisions markoviens. Il s’agit développer une capacité d’apprentissageautonome, par une démarche essai/erreur, essai/réussite. L’erreur étant suivie d’une "punition" et la réussite d’une"récompense", l’agent est ainsi en mesure d’identifier les comportements conformes à la mission qui lui a été fixée.


L’équipe qui rassemble une vingtaine de scientifiques autourde cinq chercheurs (INRIA et Universités de Nancy) travaillesur plusieurs axes de recherche :- l’intelligence artificielle distribuée : étude des phénomènesd’interaction et d’organisation, pilotage d’algorithmes etd’agents d’interprétation, simulation, résolution deproblèmes ; - la résolution de problèmes sous contraintes de ressource :conception, modélisation et pilotage d’algorithmes"anytime" ; - les modèles de décision stochastique pour la planificationet la perception : modèles de décisions markoviens (MDP),modèles de décisions markoviens partiellement observables(POMDP) ;- l’interprétation de signaux industriels et médicaux.

Analyse, décision et autonomie

L’équipe Maïa travaille depuis trois ans sur un projetd’assistance à l’anesthésie, lors d’intervention chirurgicale.L’objectif à terme est de piloter l’injection des produitsanesthésiants, en l’asservissant à l’analyse de l’état dupatient, mesurée par différents capteurs : rythme cardiaque,électroencéphalogramme, pouls et tension.Dans un premier temps le système travaille en "boucleouverte", c’est à dire qu’il envoie des informations et desalertes au médecin anesthésiste qui intervient le cas échéant.Bientôt, il fonctionnera en "boucle fermée", transmettantautomatiquement des instructions aux pousse-seringues, quiinjectent les produits.Ce robot d’anesthésie apportera une aide précieuse aux

médecins sécurisant le suivi de l’anesthésie en coursd’intervention. D’autre part l’aspect quantitatif de l’analysepermettra de doser au plus juste les produits anesthésiants.

Un projet très récent va conduire l’équipe Maïa à travailleravec la Nasa sur l’autonomie d’un robot destiné àl’exploration de Mars.L’objectif des recherches est de doter le robot de systèmes quilui permettront de dépasser les échecs.

Perspectives

Les recherches sur l’intelligence artificielle débouchent surdes applications de plus en plus nombreuses, notamment lamise au point de systèmes de navigation pour un robotmobile ou l’intelligence des robots.

Partenariats

Participation aux programmes Esprit (projets AITRAS, REAKT,REAKTANSE) ;Conventions avec EDF, IRSID, DCN Toulon ;Participation à un projet NSF INRIA avec l’équipe "RessourceBounded Reasoning Research Group" de l’Université deMassachusetts à Amherst ;Participation au GdR-PRC Information — Interaction —Intelligence (13) ;Participation au GIS Sciences de la Cognition encollaboration avec le Laboratoire de Biologie et Physiologiedu comportement de l’UHP et le Laboratoire d’Éthologie deRennes 1 ;Collaboration avec la NASA, CHU, ALTIR ;Participation au projet TIISSAD.

Responsable scientifique : Francois CHARPILLET+33 3 83 59 20 81 - Francois.Charpillet@ inria.fr

Secrétariat : +33 3 83 59 20 51http://www.inria.fr/recherche/equipes/maia

INRIA Lorraine /Loria

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MOVI

La vision par ordinateur

Aujourd’hui de nombreux robots sont encore aveugles. Pour leur donner la vue, qui leur permettra de se situerdans différents environnements, il faut les doter d’un système robuste de vision par caméras, un système quisache faire le tri entre une bonne image (qui montre ce que l’on a besoin de voir, un objet par exemple) et une

"mauvaise" qui ne montre rien parce que quelqu’un est passé devant l’objectif ou parce que la lumière n’est pasbonne. Si la saisie des images est une question bien maîtrisée, leur traitement manque encore de fiabilité.Movi travaille dans ce domaine, en réunissant les images de plusieurs caméras au service de la vision.


Les recherches de l’équipe Movi se situent à l’intersection deplusieurs champs scientifiques. Le traitement des imagesassocie des compétences algorithmiques, informatiques,mathématiques et statistiques. L’équipe réunit une vingtainede personnes autour d’une équipe de six chercheurs : troischercheurs INRIA, deux chercheurs CNRS et un enseignantde l’Université Joseph Fourier de Grenoble. Leurs travauxportent sur :- la géométrie des images multiples pour modéliser l’espaceà travers plusieurs vues, - le couplage perception-action pour asservir un robot auximages qu’il perçoit, - la mise en correspondance d’un modèle avec des images.

La vision au service de la rapidité

L’équipe Movi a travaillé pendant trois ans en collaborationavec le chantier naval de Odensee sur un robot de soudure.Ce projet, “Vigor”, devrait être reconduit dès l’annéeprochaine.L’objectif de l’industriel était d’améliorer l’efficacité desrobots de soudure. Sans la vision, ces robots avançaient partâtonnement vers la pièce à souder jusqu’à ce qu’ils enidentifient la position. Avec la vision, ils identifientimmédiatement l’endroit où ils doivent intervenir. La visionest ensuite placée dans la boucle d’asservissement du robot.Il doit s’approcher de la pièce, en tenant compte en tempsréel de ce qu’il perçoit dans l’image. Au lieu d’envoyer lerobot dans un endroit théorique déterminé par la méthodede fabrication, on lui donne les moyens d’atteindre uneposition pratique observée par les caméras. Les caméras

voient la pièce et le robot qui s’approche, elles mesurenten temps réel l’écart qui les sépare de la position pratiqueà atteindre et corrigent toujours en temps réel la trajectoiredu robot. Ce système est beaucoup plus rapide, ce qui estessentiel dans cette industrie où la soudure se fait aukilomètre.

Perspectives

Comme le montre l’exemple des chantiers navals, il y a desprocessus industriels où l’image peut apporter des progrèsimportants dans la productivité. Dès lors que l’ancienprocessus provoque un goulet d’étranglement, freinantl’ensemble de la production, la vision robotique devientindispensable.

Partenariats

Conventions de coopération ou transfert avec les sociétésAlcatel, Matra, Aérospatiale et Sextant avionique. Participation au programme Esprit LTR avec l'université deLund, l'INRIA Sophia Antipolis, les sociétés Innovative Vision(S) et Imetric (CH) (projet Cumuli) et avec l'université deCambridge (GB), de Karlsruhe (D), de Jérusalem et lessociétés Sinters (F) et Odensee Steel Shipyard (DK) dans leprojet Vigor. Participation aux GRD "Communication Homme-Machine"et "Images, Signaux et Systèmes" en base de donnéesd'images et en vision. Actions contractuelles avec l'université de Karlsruhe etl'université de Jérusalem.

Responsable scientifique : Radu HORAUD +33 4 76 61 5226 - [email protected]

Secrétariat 04 76 61 5447http://www.inria.fr/recherche/equipes/movi

INRIA Rhône-Alpes


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SHARPLa planification et l’exécution du mouvement

Organiser le mouvement d’un objet -robot, véhicule, etc.- d’un endroit à un autre pour qu’il soit autonome :cela semble simple lorsqu’il s’agit pour nous d’aller à la poste, par exemple. En robotique, cela suppose unsystème complexe, qui permet de définir les déplacements nécessaires, d’éviter les collisions, de prendre en

compte les contraintes dynamiques, qui s’adapte à l’environnement, etc. C’est l’objet de recherche du projet Sharpqui explore à la fois le monde réel (voiture intelligente, par exemple) et le monde virtuel (simulation médicale, jeuxvidéo, etc.)

L’équipe et ses recherchesLa planification du mouvement couvre un large domaine derecherche :- algorithmique pour la modélisation et planificationautomatique du mouvement,- développement d’architectures décisionnelles pour lecontrôle d’exécution du mouvement dans des environnementsdynamiques que l’on ne connaît pas a priori,- modèles et algorithmes pour la simulation dynamique, - modélisation et calcul probabiliste pour la prise en comptedes incertitudes, etc.L’équipe compte une vingtaine de personnes, autour de troischercheurs INRIA et d’un chercheur CNRS.

Des applications pour le transport et la réalité virtuelle

La sécurisation des déplacements sur les routes est l’une desapplications prometteuses de ces recherches. On équipe le véhicule, et l’infrastructure lorsque c’estnécessaire (carrefours dangereux, par exemple), de capteursvariés et d’outils de communication. Lorsque l’automobilistequi arrive sur un site dangereux, ne voit pas un autre véhiculeou un obstacle sur la chaussée, le véhicule et/oul’infrastructure prennent le relais : ils voient le danger,communiquent l’information au conducteur, qui peut alorsréagir de manière appropriée ; si ce n’est pas le cas, levéhicule freine de lui-même.Les collaborations sont nombreuses dans ce domaine, enEurope où les travaux ont été précurseurs, en relation avecles constructeurs automobiles : programmes d’assistance àla conduite pour améliorer la sécurité des conducteurs,traversée de carrefour sécuritaire, évitement d’obstacle, etc.Certains de ces développements apparaissent aujourd’hui surles véhicules commerciaux haut de gamme, comme leguidage de navigation ou des capteurs embarqués pour ladétection et la mesure des distances à d’autres véhicules surla route ; d’autres équipent des véhicules prototypes pour laconduite automatique en convoi ou pour le parkingautomatique.En juillet prochain commence le projet européen “Cybercars”

qui implique de nombreux industriels du domaine et unedizaine de villes, notamment Lausanne, où des véhiculesélectriques automatiques seront expérimentés.Des travaux initiaux sur la simulation des déplacements d’unvéhicule tout terrain sur Mars ont permis d’établir desmodèles dynamiques et déformables qui ont aujourd’huid’autres applications dans le monde virtuel : en simulationd’intervention chirurgicale par exemple, ou encore pouraccroître l’interactivité dans les jeux vidéo.

Participation à des créations d'entreprises Itmi, Industrie et Technologies de la Machine Intelligente(1982), Getris Images (1985), Aleph Technologies (1989)et Aleph Med (1992).

PartenariatsOpérations de transfert de technologies : langage LM pourla programmation des robots, système CAO-Robotique ACT(en coopération avec le projet Prisme de l'INRIA Sophia-Antipolis), RobotPhi-2D pour la production d'effets spéciauxen vidéo. Collaborations de recherche avec Getris Images, Robosoft,EDF-DER, Aesculap, ESI France, et les partenaires industrielsde divers projets européens terminés ou en cours (EurêkaPrometheus ; Esprit 2 et 3 First et Second ; Réseaux Ernet,Heros, et Euron ; Inco-Copernicus ; Intas Mores ; ITSCarsense et Cybercars). Participation à des actions régionales et nationales :Groupement Scientifique d'Établissements "VéhiculeÉlectrique" de l'INPG, Pôles CNRS "Structures et MachinesIntelligentes"Collaborations avec des universités internationales : Projet France-Berkeley avec les équipes de J. Canny et S.Sastry, Université de Stanford, Laboratoire commun INRIA-NTU à Singapour, Institut Franco-Russe Liapunov, Accords de collaboration avec l'institut Riken (Japon) etl'université de Brazilia (Brésil), Projet IAR avec l'université deKarlsruhe (Allemagne), Réseau "Image & Robotique" avecle Mexique.

Responsable scientifique : Christian LAUGIER +33 4 76 61 52 22 [email protected]

Secrétariat : +33 4 76 61 54 47http://www.inria.fr/recherche/equipes/sharp

INRIA Rhône-Alpes

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VISTAvision spatio-temporelle et active

La vision au service de l’action

Autre projet de vision par ordinateur à l’INRIA, Vista concentre ses travaux sur le traitement et l’exploitationdes séquences d’images acquises par un système de vision. Dans le domaine de la robotique, il s’agit dedévelopper des stratégies de perception et d’action qui serviront à commander les mouvements des robots,

tout en restant compatible avec les exigences de temps réel.


Dans l’équipe Vista, les recherches portent sur l’analyse deséquences d’images, que les images soient vidéos,infrarouges, sonars ou échographiques. L’analyse dumouvement et des déformations des objets perçus est leproblème central étudié en privilégiant une approchestatistique. L’équipe travaille également dans le domaine dela commande pour asservir un robot par la vision, on parlealors d’asservissement visuel. Elle se compose d’environ vingt-cinq personnes autour dehuit chercheurs de l’INRIA, du CNRS et de l’Université deRennes I. Trois d’entre eux consacrent leurs recherches àla vision robotique.

Quelques exemples d’applications en robotique

Les applications traitées se situent principalement dans ledomaine de la robotique en milieu hostile : préhensiond’outils et d’objets manufacturés en zone contaminée d’unecentrale nucléaire, stabilisation active des images acquisespar un robot sous-marin, etc. Une autre application originale concerne le positionnementde robot par asservissement visuel pour effectuer desopérations de contrôle qualité. En partenariat avec leCemagref, institut de recherche pour l’ingénierie del’agriculture et de l’environnement, l’équipe s’est intéresséeà des objets de type agroalimentaires, tels des jambons. Lesenjeux dans ce secteur sont importants, notamment enBretagne. L’asservissement permet au robot qui porte lacaméra de se positionner pour recueillir et transmettre lesbonnes observations. Le contrôle qui s’en suit, exclusivementvisuel et donc non destructif, est plus aisé et permet de

quantifier les caractéristiques du jambon, là où l’œil humainne porte qu’une appréciation qualitative. Vista travaille également dans un projet européen surl’assistance à la conduite automobile. Il s’agit d’équiper lesvéhicules de systèmes de vision de façon à ce qu’ils puissentdétecter des obstacles potentiels, tels des piétons ou d’autresvéhicules.

Perspectives

Réputés pour leurs compétences en asservissement visuel,les travaux de Vista vont s’intensifier pour appréhender desenvironnements encore plus complexes et pour améliorerles algorithmes de traitement d’images. La micro robotiqueet la télé-médecine assistées par vision constituent desdomaines d’application sur lesquels l’équipe va s’investirdans un proche avenir.

Partenariats

EDF et Edixia : préhension d’objets marqués oumanufacturiers par asservissement visuel ; suivi d’objetsdans une séquence d’images avec exploitation de modèlesCAO. Ifremer : stabilisation des images acquises par une camérapan-tilt sur un robot sous-marin ; transfert du logiciel Motion2D, contrôle par asservissement visuel des mouvements d’unbras manipulateur non instrumenté embarqué sur un robotsous-marin. Projet européen IST Carsense (“Sensing of Car Environmentat Low Speed Driving”).Collaborations avec le Cemagref sur la caractérisationd’objets agroalimentaires par vision dynamique active.

Responsable scientifique : Patrick Bouthemy+33 2 99 84 72 74 - [email protected]

Secrétariat : +33 2 99 84 72 52http://www.inria.fr/recherche/equipes/vista

INRIA Rennes

Essaimer vers l’entreprise : les sociétés de technologie issues de l’INRIA

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L’INRIA apporte son aide à la création d’entreprises pour favoriser l’industrialisation de ses recherches.

ATHYS TECHNOLOGIESc/o INRIA

ZIRST38330 Montbonnot Saint-Martin

http://www.athys.fr

Editeur de logiciels dans le domaine manufacturier

Athys est un éditeur de logiciels d'aide à la conception(programmation, validation et simulation) de cellules auto-matisées dans le domaine manufacturier. Le premier mar-ché manufacturier visé est celui de l'automobile avec lelogiciel CellControl. Athys s'appuie pour cela sur deuxpartenaires : en amont, la société Esterel Technologies, quifournit un langage de spécification graphique EsterelStudio, et en aval, la société Delmia, spécialiste dans l'usi-ne numérique et filiale du groupe Dassault Systèmes, quiassure la commercialisation de CellControl.

Tél : +33 4 76 61 52 19Fax : +33 4 76 61 52 [email protected]

ROBOSOFTTechnopole d'Izarbel

64210 Bidarthttp://www.robosoft.fr

Robots mobiles et périphériques associés

Depuis sa création en 1985, Robosoft a acquis une solideexpérience dans la construction de robots spécialisés dansun service industriel. Son activité est le transport intelligentdes biens et des personnes en fournissant des solutionsrobotiques industrielles opérationnelles dans des domainesvariés comme le nettoyage industriel, la distribution decarburant, la capture d'images TV, ...

Tél : +33 5 59 41 53 60Fax : +33 5 59 41 53 79

[email protected]

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Pour aller plus loin

Sélection de sites WebLes laboratoires de robotique en France et à l'étranger :http://www-sop.inria.fr/icare/WEB/Liens/frame-liens-fra.html

Une liste des sites web sur les robots bipèdes et un catalogue mondial des robots marcheurs :http://www.inrialpes.fr/bip

Une liste de sites web sur la recherche française en robotique :http://www.ensieta.fr/~fleureje/robot.html

Robotique générale :http://www.eg3.com/ee/robotics.html *http://www-robotics.cs.umass.edu/robotics.html *http://www.cs.indiana.edu/robotics/world.html *http://www.robotics.com/robots.html *

Robotique médicale :http://www.mrcas.ri.cmu.edu *

Micro-systèmes :http://www.nexus-emsto.com *

Sociétés savantes :IEEE : http://www.ncsu.edu/IEEE-RAS/ *IFTOMM : http://www.caip.rutgers.edu/IFTOMM/ *ASME : http://www.asme.org/ *

Archives du newsgroup robotique :http://www.frc.ri.cmu.edu/robotics-faq *

LogicielORCCAD (Open Robot Controller Computer Aided Design), un environnement logiciel permettant deconcevoir et de mettre en œuvre le contrôle et la commande d'un système robotique complexe :http://www.inrialpes.fr/iramr/pub/Orccad/intro-fra.html

Films sur les robots http://www-robotics.cs.umass.edu/robotics-mpegs.html *

Articles de vulgarisation Coste-Maniere, Eve, et Delingette, Hervé :"Simulation et Robotique médicale", Cycle de conférences de la Cité des Sciences et de l'Industrie, 7 avril 1999, disponible sur :http://www.inria.fr/actualites/colloques/1999/villette/delingette.pdf.zip

Espiau, Bernard :"La Robotique, Histoire et perspectives"La Science au présent, 2001, Encyclopædia Universalis Ed.

* en anglais

INRIAInstitut National de Recherche en Informatique et en Automatique

Domaine de Voluceau - Rocquencourt - BP 105 - 78153 Le Chesnay cedex (France)http://www.inria.fr

Coordinateur scientifique du dossierBernard EspiauDirecteur de l'INRIA Rhône-AlpesZIRST - 655, avenue de l'Europe38330 Montbonnot Saint-Martin (France)Tél. : +33 4 76 61 53 [email protected]

CommunicationChristine GenestDISCDomaine de Voluceau - RocquencourtBP 105 - 78153 Le Chesnay cedex (France)Tél. : +33 1 39 63 55 [email protected]

CONTACTS

Ce dossier a été préparé à l'occasion

de la 3e Rencontre internationale de prospective du Sénat, intitulée

" Le robot : avenir de l'homme ou homme de l'avenir ? "

le 27 juin 2001

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