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Un réseau de plateformes pour la robotique A. Motivations : La recherche en robotique nécessite une expérimentation constante à fin de valider les modèles et les nouveaux systèmes imaginés dans les laboratoires. Les avancées scientifiques s’appuient sur des intégrations matériel-logiciel à partir des technologies de programmation, de processeurs, de capteurs, et d’actionneurs les plus récentes. La qualité des travaux d’un laboratoire de robotique dépend en partie d’un savoir faire accumulé sur des systèmes expérimentaux en perpétuel renouvellement. Les plateformes impactent en conséquence cette discipline de façon importante. Un projet ambitieux dans ce domaine est nécessaire pour maintenir la compétitivité de la recherche française. B. Objectifs : Faire émerger une infrastructure cohérente d’équipements techniques ainsi qu’une expertise scientifique et technologique associée afin de : 1. favoriser les collaborations scientifiques et techniques entre les différents laboratoires ainsi que les projets collaboratifs entre équipes scientifiques et utilisateurs de techniques robotiques (recherches translationnelles), avec des objectifs de pérennité, réutilisation et cumul des compétences et du savoir faire. 2. faciliter l’acquisition de gros équipements et l’accès à ces équipements et à des terrains d’expérimentation. 3. accroître la visibilité de la robotique française et son rayonnement international. Il s’agit en particulier de soutenir son leadership européen, d’augmenter ses relations avec l’Allemagne et la Suisse, de dynamiser les relations internationales (Japon, Corée, Etats- Unis, …). 4. accroître la compétitivité de nos entreprises : la robotique est devenue incontournable dans de grands secteurs d'activité comme la santé, l'aéronautique et les transports terrestres, l'exploration spatiale et sous-marine, la sécurité civile et militaire, l'agriculture et l'environnement. C. Contexte : National: La communauté robotique comprend environ 800 chercheurs, incluant 50% de doctorants répartis dans 60 équipes de 30 laboratoires. Plus de la moitié des effectifs chercheurs, enseignants chercheurs sont dans des unités CNRS, 20 % sont dans des EPST (autre que CNRS) ou EPIC, 30 % sont dans des EA. Depuis 2007, la communauté robotique française est structurée autour du GDR « Robotique » : http://www.gdr-robotique.fr/index.php Les partenaires sont : les Ecoles et Universités, l’INRIA, l’IFREMER, le CEA, l’ONERA, l’INRETS, le CEMAGREF, la DGA. Européen :

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Un réseau de plateformes pour la robotique A. Motivations : La recherche en robotique nécessite une expérimentation constante à fin de valider les modèles et les nouveaux systèmes imaginés dans les laboratoires. Les avancées scientifiques s’appuient sur des intégrations matériel-logiciel à partir des technologies de programmation, de processeurs, de capteurs, et d’actionneurs les plus récentes. La qualité des travaux d’un laboratoire de robotique dépend en partie d’un savoir faire accumulé sur des systèmes expérimentaux en perpétuel renouvellement. Les plateformes impactent en conséquence cette discipline de façon importante. Un projet ambitieux dans ce domaine est nécessaire pour maintenir la compétitivité de la recherche française. B. Objectifs :

Faire émerger une infrastructure cohérente d’équipements techniques ainsi qu’une expertise scientifique et technologique associée afin de :

1. favoriser les collaborations scientifiques et techniques entre les différents laboratoires

ainsi que les projets collaboratifs entre équipes scientifiques et utilisateurs de techniques robotiques (recherches translationnelles), avec des objectifs de pérennité, réutilisation et cumul des compétences et du savoir faire.

2. faciliter l’acquisition de gros équipements et l’accès à ces équipements et à des terrains d’expérimentation.

3. accroître la visibilité de la robotique française et son rayonnement international. Il s’agit

en particulier de soutenir son leadership européen, d’augmenter ses relations avec l’Allemagne et la Suisse, de dynamiser les relations internationales (Japon, Corée, Etats-Unis, …).

4. accroître la compétitivité de nos entreprises : la robotique est devenue incontournable

dans de grands secteurs d'activité comme la santé, l'aéronautique et les transports terrestres, l'exploration spatiale et sous-marine, la sécurité civile et militaire, l'agriculture et l'environnement.

C. Contexte :

National: La communauté robotique comprend environ 800 chercheurs, incluant 50% de doctorants répartis dans 60 équipes de 30 laboratoires. Plus de la moitié des effectifs chercheurs, enseignants chercheurs sont dans des unités CNRS, 20 % sont dans des EPST (autre que CNRS) ou EPIC, 30 % sont dans des EA. Depuis 2007, la communauté robotique française est structurée autour du GDR « Robotique » : http://www.gdr-robotique.fr/index.php Les partenaires sont : les Ecoles et Universités, l’INRIA, l’IFREMER, le CEA, l’ONERA, l’INRETS, le CEMAGREF, la DGA. Européen :

La robotique est très présente en France, en Allemagne, en Italie et en Suisse. L’activité robotique en Allemagne et en Suisse a un lien fort entre université et industrie (KUKA, ABB, STAUBLI, ...). La recherche académique européenne s’est structurée ces dernières années en partie grâce au réseau EURON. International : Corée : la Robotique intelligente a été déclarée en 2003 l'un des dix "National Economic Growth Engines", en favorisant des projets dans trois secteurs : robotique de service personnelle, robotique de service professionnelle, robotique industrielle. Ce programme a été étendu en 2008 à la défense, la santé, l'exploration sous-marine, la construction et le transport (sources : Sukhan Lee, Intelligent Systems Research Center). USA : le National Intelligence Council reprend en novembre 2008 une étude du SRI Consulting Business Intelligence qui place la Robotique de service comme l'une des huit technologies de rupture en 2025, au même titre que l'informatique ubiquitaire et que les technologies visant à augmenter les performances physiques et cognitives de la personne, pour ne citer parmi les autres technologies que celles qui sont connexes à la Robotique. On peut aussi mentionner les efforts très importants consentis dans le domaine militaire, notamment sur les systèmes autonomes et les drones, dans le cadre du "Future Combat Systems" (FCS). Japon : le CSTP-CPSTP (Council for Science and Technology Policy – Coordination Program of Science and Technology Projects) a identifié dix thématiques de recherche dans les Technologies de l'Information et la Communication, classées selon trois domaines prioritaires (Science, Industrie, Société). L'une des thématiques concerne la Robotique au travers du projet "Next generation robots" qui coordonne les recherches en Robotique effectuées sous la tutelle de plusieurs ministères. Dans ce contexte très compétitif la France est le 3ème pays au monde en terme de publications après les USA et le JAPON.

D. Structuration et gouvernance : Il est proposé, dans un premier temps, une structure interne au CNRS regroupant des plateformes organisées suivant 5 thèmes (sous-réseaux):

– Robotique humanoïde et interactions naturelles – Robotique mobile (terrestre, aérienne et marine) – Robotique médicale – Micro-nano robotique – Robotique de production

Une présentation plus détaillée de ces cinq thèmes ou sous-réseaux est faite dans les sections suivantes. Il est envisagé à ce stade :

une direction générale incluant un responsable scientifique par thème et un représentant du GDR « Robotique ».

chaque thème ou sous-réseaux serait organisé autour du responsable scientifique du thème assisté des représentants des laboratoires impliqués.

Ultérieurement et si nécessaire pour intégrer des partenaires extérieurs au CNRS, une structure sous forme de GIS est envisageable. E. Démarche : Il a été procédé de la façon suivante :

a. Enquête auprès des laboratoires (CNRS et EA) pour avoir un état des lieux des plateformes existantes (19 octobre 2009) : 17 laboratoires ont été consultés et ont fait remonter un descriptif de 30 plateformes.

b. Réunion de restitution de l’état et premières discussions avec un consensus général sur l’opportunité d’une telle action (18 novembre 2009). La question de la définition de la plateforme en robotique est débattue. En conclusion, 5 grands thèmes émergent avec des besoins différents. Il n’apparaît pas une unicité de lieu pour chacun des thèmes.

c. Réunion pour l’élaboration d’un premier document (9 décembre 2009). Sélection de deux rédacteurs par thème.

d. Réception des différentes contributions (19 janvier 2010). Préparation d’un document de synthèse.

F. Premières conclusions : Les moyens humains sont prioritaires. Les plateformes de robotiques des laboratoires du CNRS manquent cruellement de personnel ingénieur et technique pour pérenniser les développements, accompagner les actions de transfert et accumuler les savoir-faire. Les actions envisagées dans les différents sous-réseaux concernent :

Le financement de l’accueil, la mobilité et la formation des jeunes chercheurs, ingénieurs et personnels techniques.

Le cofinancement de certains équipements très coûteux. La fourniture de l’accès à des terrains d’expérimentation (convention, financement

d’expérimentation …). L’assistance au développement de lieux d’interaction étroite avec les entreprises et les

utilisateurs.

G. Actions :

Mars 2010 : financement par INSIS de la mise en place de ce réseau à raison de 425 K euros dont :

50 K euros réservés pour le financement d'actions d'animation et de mobilité 375 K euros répartis sur les principaux nœuds des 5 sous réseaux thématiques

définis : à savoir les laboratoires IRCCYN, GIPSA-lab, LAAS, FEMTO, TIMC, HEUDYASIC, LASMEA, ISIR, ETIS, LIRMM, ISM, LSIIT et Pprime (ex LMS)

Pour juillet 2010 : mise en place d’une structure de pilotage CNRS Courant 2010 : prise de contact et discussions avec les principaux partenaires potentiels du réseau.

I. Robotique humanoïde et interactions naturelles

 Rédacteurs : P. Bidaud (ISIR) et J.P. Laumond (LAAS)

Document de travail - Janvier 2010

Cadre et Objectif La robotique, comme science de la conception d’artefacts par excellence, s’est toujours articulée, de manière duale et simultanée, autour de thématiques de recherche propres à l’étude formelle de l’autonomie des machines (étude de la boucle fondamentale « perception-décision-action ») et autour de plates-formes intégrées fédérant ces thématiques. L’objectif poursuivi à travers la plate-forme multi sites « Robotique Humanoïde et Interactions Naturelles » est de mettre à la disposition de la communauté de recherche en robotique française un ensemble de moyens permettant d’apporter un environnement favorisant le développement de recherches collaboratives mais aussi individuelles, au niveau national et international, dans le domaine de la robotique humanoïde et des interactions naturelles homme/robot. Cet environnement est constitué de moyens matériels, logiciels et de « terrains » d’expérimentation particuliers susceptibles de supporter des recherches dans divers domaines couvrant les fonctions motrices et sensori-motrices des robots humanoïdes, leurs systèmes perceptifs, les comportements interactifs, leur apprentissage et leur développement. Communauté concernée La communauté concernée est relativement large. Elle inclut le groupe de travail GT7 du GDR Robotique. Elle est estimée à une soixantaine de chercheurs et enseignants-chercheurs d’équipes de recherche rattachées notamment (mais non exclusivement) à l’INSIS et intéressées par :

‐ la conception et la commande de systèmes robotique humanoïdes (systèmes de locomotion, manipulation, préhension, perception visuelle et acoustique active),

‐ La coordination motrice dans la réalisation d’activités complexes avec ou sans interactions physiques avec l’environnement et leur adaptation,

‐ La commande pour la locomotion dynamique bipodale robuste, ‐ La perception active oculaire et sonore binaurale pour la perception de l’espace et la localisation, ‐ La commande par retour d’efforts et les interactions sécurisées, ‐ la planification et le contrôle de tâches de manipulation d’objets, ‐ La stimulation cognitive et physique, ‐ La simulation réaliste d’humanoïdes, ‐ L’apprentissage du comportement sensori-moteur et son adaptation, ‐ Le développement cognitif en robotique.

Parmi les laboratoires dans lesquels des recherches de cette nature sont développées nous relevons en particulier : le LAAS, le LIRMM, l’ISIR, le JRL, le LISV, l’IRCyN, l’ETIS, l’E2I-ENSTA, le LIMSI, le LMS, le LNRS et le LORIA. Au-delà des laboratoires CNRS, un certain nombre d’autres équipes sont également potentiellement concernées par la mise à disposition de tels moyens parmi lesquelles on compte des équipes de l’INRIA, du CEA/LIST, de l’INSERM. Moyens regroupés Les moyens rendus accessibles dans le cadre de cette plate-forme sont destinés en particulier à mener des expériences dans le cadre de la commande de mouvements (posture-tâches avec interactions physiques, préhension), l’analyse et l’apprentissage du mouvement et des expressions gestuelles et faciales, de la perception active pour l’exploration de l’espace, la localisation/reconnaissance et le suivi, l’apprentissage sensori-moteur et des fonctions cognitives. Plusieurs plates-formes de robotique humanoïdes peuvent être mises en œuvre en fonction de la nature des recherches visées. Parmi les plus complètes HRP2 (LAAS), 2 ICUB (ISIR & PFN), et HOAP (LIRMM). A

noter également les plateformes TIDOM (en cours de développement au LMS), RABBIT (Gipsa-lab), HYDROID (LISV). Par ailleurs, un certain nombre de salles de stimulation physique et visuelle et de capture du mouvement (CODAMOTION, VICON, MOTION ANALYSIS) équipées pour certaines de dispositifs de posturographie dynamique (IMMERSAT) seraient également rendues accessibles (LAAS, ISIR, LMS) ainsi qu’une salle de monitoring et de reconstruction des activités interactives. S’ajoutent à ces supports expérimentaux plusieurs équipements spécifiques pour la perception active comme une tête de perception binaurale, des têtes de robot expressives pour l’étude des capacités d’interaction et de perceptions des émotions (ETIS) et des plates-formes de robotique interactive comme JIDO au LAAS (voir annexe) et DOMEO à l’ISIR, des systèmes de préhension articulée (plusieurs mains opérationnelles au LMS). Des moyens logiciels associés à ces plates-formes matérielles seront également mis à disposition de la communauté (OPENHRP, Genom, Arboris). En outre, certaines expériences pourront être menées à l’aide de ces équipements dans des cadres médicaux encadrés par le biais du CENRAH (www.cenrah.org). Mise en œuvre des plates-formes. La gouvernance de ces ressources expérimentales sera confiée à un comité désigné par le CNRS-INSIS et constitué de membres des laboratoires concernés dans la mise à disposition des équipements. Elle utilisera notamment des appels à projets du type de ceux qui ont géré la plateforme HRP2 au JRL-France de 2005 à 2008 mais elle cherchera également à répondre à toute demande lui parvenant en dehors de ces appels. L’accès aux différentes plates-formes est assisté par des personnels des différents sites. L’accueil des chercheurs (bureaux, accès aux ressources collectives) sera également organisé par les sites concernés. Collaborations Internationales : L’une des fonctions de cette plate-forme sera d’intensifier les recherches partenariales au niveau international dans le domaine de la robotique humanoïde. L’une des voies privilégiées sera l’accueil de chercheurs étrangers sur des postes de professeurs, le développement de doctorats en cotutelle et les recherches développées dans le cadre des écoles doctorales internationales voire pour un certain nombre de masters internationaux. Une collaboration déjà très importante existe avec l’AIST sur la base du robot HRP2 et de l’UMI JRL à Tsukuba. D’autres, sur la base du robot ICUB commencent à s’intensifier. Plusieurs autres voies pour le développement de collaborations structurées sont en cours d’exploration comme avec l’ATRI (Japon), TUM et Cotesys (Allemagne). Services proposés et actions structurées envisagées Les activités développées dans le cadre de cette plate-forme sont de plusieurs natures :

(a) Formation et suivi : ‐ Accès encadré aux différentes ressources expérimentales ‐ Aide à la méthodologie expérimentale ‐ Mise à disposition de moyens (essentiellement logiciels) de traitement des résultats (b) Actions structurées :

Plusieurs grands projets seront engagés sur la base des ressources regroupées par la plate-forme. Des projets d’intégration et des projets d’exploration sur des thématiques à fort enjeu. Le choix et l’organisation de ces projets seront discutés par les instances de gouvernance de la plate-forme. Parmi les thèmes que nous pouvons avancer, citons : (1) la simulation physique et biologique des systèmes humanoïdes et humains, (2) la conception et l’intégration d’une plate-forme humanoïde de recherche, (3) une plate-forme de développement de contenus pour les interactions naturelles multimodales, etc.

(c) Conseil aux porteurs de projets : ‐ Orientation vers des experts ‐ Aide à la recherche de partenaires (d) Veille technologique et scientifique: ‐ Base de données des technologies existantes ‐ Accès aux bibliothèques numériques

Animation scientifique nationale L’animation scientifique autour des projets exploitant la plate-forme sera organisée dans le cadre du GDR Robotique. La valorisation des travaux se fera au niveau national notamment par le biais des « Journées Nationales de la Robotique Humanoïde ».

Formations associées Certains éléments de la plate-forme serviront de support à des UE d’enseignement de Master et d’Ecoles d’Ingénieurs (incluant les stages). C’est notamment le cas pour le simulateur physique Arboris. Il s’agira d’étendre cette pratique d’enseignement expérimental en exploitant les ressources de la plate-forme. Nous proposerons d’organiser les formations au niveau international à la plate-forme ouverte ICUB (formations qui se tiennent usuellement en Italie) en France. Relations industrielles et autres soutiens au développement de la plate-forme Un certain nombre de développements de recherches partenariales pourront s’appuyer en partie sur cette plate-forme. Les projets FUI ROMEO (Robotique Humanoïde) et PROMAD (Robotique personnelle) en sont des exemples mais on peut imaginer que des projets ANR comme ABILIS, ROBADOM, IMMEMO, R2A2, PHEMA, SHERPA, INTERACT, LOCANTHROPE, etc. puissent exploiter les ressources expérimentales mises à disposition. Ces projets impliquent des industriels français (Aldebaran, Gostai, Robosoft, Sagem-Communication, Systag, Beelight, Thales, BIA, BVS, etc.) qui pourraient donc devenir des utilisateurs de ces ressources. Des soutiens particuliers peuvent être envisagés par le pôle de compétitivité Cap-Digital Ile de France qui a inscrit la robotique personnelle dans le cadre de ses axes stratégiques. Un financement spécifique serait possible pour des activités de recherche collaboratives avec le Japon notamment. A noter le récent déploiement des robots humanoïdes Nao d’Aldebarran Robotics dans le milieu académique : 36 parmi les 450 déployés dans le monde équipent aujourd’hui 31 écoles d’ingénieurs ou laboratoires de recherche. Cette plateforme est utilisée à des fins d’enseignement et de recherche. Son déploiement et le réseau d’utilisateurs créé autour est un indice de la dynamique croissante des recherches en robotique humanoïde qu’il est intéressant de prendre en compte.

II. Robotique mobile (terrestre, aérienne et marine)

Rédacteurs : Ph. Bonnifait (Heudyasic) et S. Lacroix (LAAS)

Document de travail - Janvier 2010 Ce type de robotique recouvre ici l’ensemble des systèmes d’exploration, d’intervention, de surveillance ou de transport évoluant en milieux extérieurs, naturels ou non. Un découpage est généralement fait en fonction des milieux d’évolution :

– La robotique terrestre recouvre aussi bien le domaine des véhicules à roues évoluant sur des surfaces régulières (routes et parkings par exemple) que celui de la « field robotics » qui porte sur les véhicules évoluant en tout-terrain ou terrains cultivés,

– La robotique aérienne regroupe l’ensemble des véhicules volants (principalement drones à voilure fixe et tournantes), aussi bien à basses altitudes qu’à hautes altitudes1, et ce au dessus de tout type d’environnement,

– Enfin, la robotique marine regroupe les sous-marins et bateaux autonomes.

Pour focaliser notre discours, nous retiendrons les deux termes suivants : « field robotics », étendu à l’ensemble des milieux2, et « véhicules intelligents » qui traite de la mobilité des personnes et des biens sur surfaces régulières.

Le spectre des défis scientifiques est très large : autonomie du mouvement, autonomie décisionnelle, « systèmes de systèmes ». Le cas échéant, ces systèmes robotiques peuvent inclure des passagers humains ou bien collaborer avec eux dans les tâches de navigation de façon déportée ou embarquée à bord des véhicules.

Outre la mobilité, ce qui caractérise ces robots est naturellement la taille et la nature des environnements considérés. Une conséquence immédiate est que leur mise en œuvre, indispensable à l’évaluation et la validation des développements scientifiques, nécessite des moyens assez lourds (robots eux-mêmes, lieu d’expérimentation, éventuelles infrastructures telles que poste de commande), et donc un savoir-faire conséquent. Les expérimentations sont complexes, parfois dangereuses, et ne peuvent être menées correctement que grâce à un bon niveau de professionnalisme – il ne s’agit pas de systèmes avec lesquels un étudiant peut mener seul des expérimentations.

1. Notion de plateforme dans ce contexte

Une plateforme constitue un support expérimental aux activités scientifiques.

La variété des milieux, des types de robots et des contextes applicatifs font que différentes acceptions du terme « plateforme » peuvent s’appliquer ici.

Ainsi, une plateforme peut consister en :

– Un (ou plusieurs) robot et les moyens logistiques associés (transport, poste de commande)

– Un site d’expérimentation, avec une infrastructure associée

– Un ensemble logiciel permettant la mise en œuvre d’expérimentations, le prototypage rapide ou encore la réalisation de simulations dans des environnements réalistes.

Quelque soit sa nature, une plateforme doit offrir un support technique à toute personne ayant besoin de l’exploiter, afin qu’elle n’ait pas à s’approprier la totalité du système pour l’exploiter. Cela suppose notamment du personnel pour assurer la maintenance, le développement, la formation et la mise en œuvre.

Mais plutôt que de restreindre la notion de plateforme à des moyens techniques et humains, nous pensons qu’il est aussi souhaitable de lui associer un réseau de compétences, constitué des ingénieurs, chercheurs et techniciens impliqués dans les développements expérimentaux.

Une telle plateforme est alors aussi un ensemble de savoir-faire, pas nécessairement localisé géographiquement, associé à des robots, des sites ou des logiciels. Ce savoir-faire fédère des moyens expérimentaux complémentaires, et doit permettre de réaliser de grandes expérimentations difficilement

1 Les drones à voilure tournante évoluant à l’intérieur des bâtiments sont aussi de plus en plus étudiés.

2 Il s’agit du spectre couvert par le « Journal of Field Robotics »

réalisables à l’échelle d’une seule unité. Il doit aussi permettre la définition et la création de nouveaux systèmes (robot, logiciel ou expérimental) : il ne s’agit, bien entendu, pas seulement de maintenir des systèmes existants.

2. Références internationales

La liste des laboratoires impliqués dans des recherches sur ce type de robots est longue, sans compter que de nombreux organismes définis par un contexte applicatif, le plus souvent associé à un milieu d’évolution des véhicules, mènent aussi des recherches dans le domaine. Les principales références internationales sont les suivantes :

– Aux Ètats-Unis, l’ensemble des grands laboratoires de robotique sont impliqués dans ce type de robotique : CMU, MIT, GaTech, CalTech, USC, UPenn, Berkeley…

– En Asie, mis à part le domaine des véhicules intelligents très actif depuis quelques années (Japon : universités de Keyo, Tokyo, Kumamoto, Meijo ; Chine : PKU Pékin, SJTU Shanghai ; Corée : ISRC-SKKU), peu de laboratoires mènent des travaux d’ampleur en « field robotics » – signalons cependant une activité fédératrice portant sur la robotique d’intervention (« rescue robotics ») supporté par le MEXT au Japon.

– En Australie, les recherches dans le domaine sont dominées par l’ACFR, centre où tous les types de robots sont considérés, hormis les véhicules intelligents. Le CSIRO est aussi un acteur actif dans le domaine.

– Le paysage est plus dispersé en Europe. Le pays dans lequel on trouve incontestablement le plus d’acteurs est l’Allemagne : de nombreux laboratoires y mènent des recherches – sans qu’un acteur dominant ne puisse être distingué (universités de Berlin, Munich, Karlsruhe, Brème, Hanovre, Kaiserslautern, Braunschweig…). D’autres laboratoires sont identifiés en Angleterre, en Italie, en Suède, en Finlande, en Hollande, en Suisse, en Espagne et au Portugal. Par ailleurs, des actions de mise en réseau existent au niveau de l’europe (ainsi le recensement des laboratoires européens potentiellement intéressés par la robotique dans le secteur agricole mené dans le contexte du projet ERANET ICT-AGRI (voir http://ict-agri.eu/).

3. Liste des plateformes existantes dans les laboratoires CNRS

Nous recensons ici les différentes « plateformes » existantes au sein des laboratoires CNRS, le terme étant ici compris au sens large que nous lui avons donné précédemment. Par soucis de clarté, nous avons choisi de présenter ces plateformes en les classant par types de robots – mais notons bien que cette classification n’est pas nécessairement à retenir pour la définition d’une plateforme au niveau national : d’une part, certains laboratoires disposent de plusieurs types de robots, et d’autre part des nombreux éléments de savoir-faire sont transversaux.

– Véhicules intelligents : véhicules routiers, (Heudiasyc, PACPUS, LASMEA-VELAC), cybercars, (LASMEA, site expérimental PAVIN-VU)

– Véhicules tout-terrain : ISIR, Laas, LASMEA (fédération TIMS associant le Cemagref, site expérimental PAVIN-VMN)

– Véhicules aériens : Heudiasyc, I3S, Laas, MIS, ISIR, Institut des Sciences du Mouvement, Gypsa

– Véhicules marins et sous-marins : Lirmm, I3S, IRCCyN, CPPM3

4. Relations industrielles et relations avec d’autres organismes

Nous établissons ici une liste des organismes et entreprises nationaux avec lesquels des collaborations avec le CNRS existent ou sont à potentialiser – nous adoptons à nouveau une classification basée sur le type de véhicule considéré par soucis de clarté.

– Véhicules intelligents :

3 Notons que très peu de laboratoires de robotique du CNRS considèrent ce type de robots, alors que la situation nationale (capacité de l’IFREMER dans le domaine, tissus de PME internationalement reconnues) est particulièrement favorable.

o Organismes publics : INRETS, LCPC, INRIA, ENSMP

o Grandes entreprises : grands constructeurs automobiles, équipementiers

o PME : Robosoft, petits constructeurs et start-up (Induct, Intempora, Probayes, Apojee…), consortium VIPA

– Véhicules tout-terrain :

o Organismes publics : DGA4, CNES, Cemagref (qui est notamment en train de définir de nouvelles infrastructures sur le site d’essais PAVIN-VMN à Montoldre, dans l’Allier, en collaboration avec FR TIMS)

o Grandes entreprises : principalement les industries liées au secteur de l’armement : Thales, Nexter, et dans une moindre mesure Safran

o PME : Robosoft, Magellium (essentiellement activités avec le CNES), ECA

o Différentes startups sont aussi impliquées : Robopec, Effidence, M-TECK,NavOntime

– Véhicules aériens :

o Organismes publics : ONERA, DGA

o Grandes entreprises : Thales, Safran, Dassault Aviation, Eurcopter (EADS)

o PME : Bertin-Technologies, Infotran (notons par ailleurs un grand dynamisme dans le domaine des micro-drones, dans lequel s’inscrivent différentes start-ups : Novadem).

– Véhicules marins et sous-marins :

o Organismes publics : IFREMER, DGA, SHOM, GESMA

o Grandes entreprises : Thales

o PME : ECA, ACSA, Ixsea, Cybernetix

Les pôles de compétitivité suivants promeuvent des activités relatives aux robots terrestres, aériens et maritimes :

– ViaMéca – Marché cible : Véhicules spéciaux en interaction principale avec son Axe thématique scientifique : Systèmes Intelligents et Robotique

– PEGASE

– AESE

5. Actions concrètes utiles que pourrait offrir ce réseau et qui justifient une mise en commun de moyens (financiers ou humains)

La présence d’un réseau de compétence lié à la mise en œuvre de robots terrestres, aériens et marins permettrait de renforcer le potentiel de recherche des laboratoires, en fédérant et en mutualisant les moyens techniques et savoir-faire existants.

Différentes actions peuvent être envisagées :

– Rencontre entre les différents ingénieurs et techniciens impliqués (par exemple, à l’occasion des JNRR). De telles rencontres permettraient d’échanger de l’expérience acquise sur des solutions techniques développées (matérielles et logicielles), sur des protocoles expérimentaux.

– Partage de savoir-faire logiciels : drivers de matériel, logiciels et méthodes d’étalonnage, middlewares.

– Partage de bases de données expérimentales, prêt de matériels.

– Formation : des sessions de formation destinées aux ingénieurs et techniciens, mais aussi aux doctorants et aux chercheurs, peuvent être mises en place.

– Mise à disposition de savoir faire et de moyens de test pour les équipes ne pouvant se doter de moyens en interne

– Démonstrations en grandeur nature à l’occasion d'événements scientifiques internationaux pour promouvoir les réalisations de la robotique française.

4 Bien que principalement donneur d’ordre, la DGA possède aussi un savoir-faire, et des capacités d’expertise et d’essais.

6. Autres points divers

Une action d’envergure nationale est sans doute envisageable dans le cadre du grand emprunt notamment en ce qui concerne les véhicules du futur et la mobilité durable.

« L’Emprunt national va permettre de financer des projets de démonstrateurs et de plateformes expérimentales dans tous les domaines de la mobilité durable et des véhicules du futur (automobiles, camions, navires,...). Chaque investissement ainsi financé devra donner lieu à la constitution d’un actif public, soit sous forme d’avance remboursable, soit sous forme de propriété intellectuelle valorisable. » (page 19 du dossier de presse des priorités financées par l’emprunt national)

Cela nous évoque une autre notion de plateforme, que nous n’avons pas présentée dans la première section : il s’agit d’un robot défini par et pour les chercheurs, réalisé à plusieurs exemplaires et diffusé au sein des laboratoires. Nous connaissons trois actions exemplaires de ce type :

Au Japon, Le projet « Humanoid Robot Project » est une action qui portait sur la conception et la réalisation d’un robot humanoïde. 13 modèles du robot HRP2 ont été réalisés et sont actuellement présents dans les laboratoires et universités Japonais. Le 14ème robot est celui qui a été acquis par le CNRS dans le contexte du JRL.

Au Etats-Unis, la DARPA a spécifié un robot dédié aux recherches sur les techniques d’apprentissage pour les robots terrestres (LAGR, « Learning Applied to Ground Robots »). Ce robot a été réalisé en plusieurs exemplaires, et tous les laboratoires et universités qui ont participé au programme de recherches ont exploité le même robot.

Plus récemment, la compagnie Willow Garage a spécifié et réalisé le robot de service PR2. Une dizaine de ces robots sont actuellement proposés gratuitement aux laboratoires et universités qui en font la demande, selon une procédure basée sur un appel à proposition5.

Il s’agit là d’une notion de plateforme de recherches qui nous paraît avoir de nombreuses qualités, et qu’il nous semble intéressant de considérer au niveau du département INSIS dans sa politique de plateforme.

Par ailleurs, notons qu’en France, un des robots qui a eu beaucoup de succès auprès des laboratoires est le CyCab de Robosoft. Les différents laboratoires qui exploitent ou ont exploité ce robot ont tous du faire face aux mêmes problèmes, et un réseau informel de compétence s’est naturellement développé entre ces laboratoires.

5 Voir http://www.willowgarage.com/pages/pr2-beta-program/cfp 

 

III. ROBOTIQUE MEDICALE  

Rédacteurs : J. Troccaz (TIMC) + M. de Mathelin (LSIIT), Ph. Poignet (LIRMM), et G. Morel (ISIR)

Version de travail – janvier 2010

 La robotique médico-chirurgicale a deux facettes. L’une concerne l’assistance à un opérateur clinicien dans la réalisation d’une activité diagnostique ou thérapeutique. La robotique d’aide au clinicien s’intègre dans le domaine plus vaste des « Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur » (GMCAO); cette discipline est née au tout début des années 1980 et les laboratoires français ont été pionniers dans le domaine. Ces laboratoires ont permis la réalisation de « premières mondiales » et une activité industrielle française est née de cette activité de recherche. L’autre facette de la robotique médico-chirurgicale a pour but de fournir une assistance ou des substituts d’organes (ou de membres) à des personnes handicapées ou des personnes âgées ayant des troubles physiques ou cognitifs pour améliorer leur qualité de vie et leur autonomie et favoriser leur maintien à domicile. Elle propose aussi des dispositifs pour la rééducation fonctionnelle et l’entraînement du sportif. Entre les 4 labos principaux, il s’agit de mutualiser des moyens (par exemple, organiser des séances d’expérimentation animale communes, faire des benchmarks, échanger des équipements, faire des sessions de sensibilisation au monde médical ou au monde industriel en commun, etc.)

Vis-à-vis des nombreux labos qui ont une activité embryonnaire dans le domaine, proposer des plateaux techniques de support expérimental.

Pour être totalement pertinente et aller au bout de sa confrontation expérimentale, cette recherche nécessite des partenariats et collaborations avec des équipes cliniques et la connaissance de la réglementation liée à la recherche médicale et à la mise en service de dispositifs médicaux. Elle requiert également des partenariats industriels ; ceci est totalement indispensable pour des expérimentations impliquant des patients notamment lorsque les dispositifs sont invasifs. Dans ce contexte, la notion de plateforme inclut donc à la fois des dispositifs matériels et des logiciels mais également l’adossement à des équipes cliniques et la connaissance de ce domaine applicatif dans toutes ses dimensions y compris réglementaires. La confrontation avec la clinique apporte également au chercheur, au-delà de la connaissance de terrain qu’il acquiert, l’inspiration de nouvelles thématiques de recherche plus amont. Si dans les années 80 assez peu d’équipes étaient actives dans le domaine, la concurrence internationale est désormais assez rude. Les principaux centres dans le domaine sont en Amérique du Nord (Etats-Unis et Canada), en Europe et en Asie (Japon principalement - le workshop franco-japonais de robotique médicale organisé à Tokyo en Mai 2009 a montré la dynamique des acteurs japonais en la matière). Les centres les plus visibles sont sans conteste ceux qui réunissent une masse critique en termes académiques (recherche et formation), un fort partenariat clinique et une activité de transfert industriel. On citera pour mémoire les efforts structurants du NSF Excellence Research Center « CISST »6 (Computer-Integrated Surgical Systems and Technology) animée par Russ Taylor ; les partenaires académiques sont des binômes associant une université à un centre clinique (Johns Hopkins University and Hospitals à Baltimore, MIT et Brigham and Women’s Hospital à Boston, le CMU et Shadyside Hospital à Pittsburgh). Plus près de nous, la Suisse a fait un réel effort de structuration de sa recherche dans le domaine des GMCAO à travers son National Center of Competence in Research « CO-ME »7 (Computer-aided and Image-guided Medical Interventions) qui débute sa troisième phase (après deux phases de 4 ans chacune). Pour que la communauté française soit visible et compétitive au niveau international, un effort de structuration sous forme de réseau de plateforme est indispensable. Dans le domaine de l’assistance à la personne, les efforts sont certainement moins concentrés mais les japonais et les américains sont très présents avec une activité forte dans le domaine du développement de prothèses de nouvelle génération « commandées » par EMG (Otto Bock HealthCare, Inc., USA, Motion Control, Inc., USA, Victhom Human Bionics, Québec), les orthèses / exosquelettes (Univ. Berkeley, Kanagawa Institute of Technology, Japan, Argo Medical Tech., Technion, Israël) ou la

6 http://www.cisst.org/

7 http://co-me.ch/index.en.html

robotique de rééducation. En Europe, l’ETH (Lokomat, Hocoma AG) et l’EPFL en Suisse ou la SSSA à Pise ont une forte dynamique. Nous pouvons également mentionner ici des domaines à la frontière tels que l’électro-stimulation fonctionnelle ou bien encore les neuroprothèses qui sont des thèmes pouvant partager ou s’appuyer sur des outils issus de la robotique et qui sont aujourd’hui en pleine expansion en Europe. Certaines équipes (SSSA, ETH, EPFL, SMI Aalborg, LIRMM) sont très bien positionnées dans ces domaines de recherche. L’EPFL vient d’annoncer la création d’un grand centre de recherche dédié aux neuroprothèses (BCI, stimulation implanté, …). A noter une forte concentration d’industriels suisses dans ce domaine. Signalons enfin que le domaine des déambulateurs « intelligents » est en plein essor (Robosoft, Univ. Karlsruhe, VA Pittsburg Healthcare System, Haptica, Dublin) Les unités CNRS concernées par ce projet de réseau de plateforme en robotique médicale sont les suivantes. Pour ce qui concerne les GMCAO, les laboratoires TIMC-IMAG et l’équipe de robotique du LSIIT sont localisés au sein de structures cliniques (respectivement CHU de Grenoble et IRCAD/Hôpitaux de Strasbourg) et sont actifs dans le domaine des GMCAO depuis de nombreuses années. TIMC-IMAG travaille exclusivement dans le domaine des applications à la Santé. Les laboratoires LIRMM et ISIR sont également très actifs dans le domaine avec des partenariats privilégiés avec le CHU de Montpellier pour le LIRMM et l’Hôpital de La Pitié-Salpétrière et l’école de chirurgie de l’APHP pour ISIR. Enfin, plusieurs laboratoires ont une activité dans le domaine de la robotique médicale mais depuis une période plus récente ou de façon plus sporadique par rapport à leur spectre d’activités. C’est le cas par exemple du TIMS de Clermont-Ferrand ou de l’IRCCYN de Nantes8. Dans le domaine d’assistance à la personne, les unités CNRS les plus impliquées sont l’ISIR et le LIRMM (principalement sur le volet « neuroprothèses »). L’IBISC et le LASC affichent également des activités dans le domaine de l’assistance robotisée depuis de nombreuses années. De par leurs spécificités, chacun de ces laboratoires a une offre ou une demande différente en ce qui concerne les plateformes. Au-delà des robots (produits existants dans les laboratoires ou dans les blocs opératoires ou prototypes), dispositifs d’imagerie (conventionnelle ou médicale légère), autres matériels plus spécifiques (stations de navigation par exemple, localisateurs, systèmes haptiques, fantômes anatomiques) et logiciels du domaine, certains partenaires peuvent donner accès à des environnements d’expérimentation (animalerie, laboratoire d’anatomie) et à surtout à un savoir-faire en matière d’expérimentation clinique. Un accès à des données d’imagerie est également possible dans des conditions à spécifier (en particulier pour respecter la réglementation relative aux données des patients). Trois types de partenaires sont visés par l’existence de ce réseau de plateformes :

- Les laboratoires de recherche : il est clair qu’un certain nombre de matériels nécessaires aux applications en Santé ne sont pas présents dans certains laboratoires intéressés par le domaine et qu’un investissement ne se justifie pas toujours, spécialement si les applications médicales ne sont qu’une facette des activités de ces laboratoires. De même, l’absence de certaines librairies logicielles de base peut s’avérer un obstacle au développement de certains projets de par l’effort humain qu’il faudrait y consacrer. L’accueil de chercheurs pour des périodes de quelques semaines à quelques mois serait évidemment un très bon moyen de diffuser l’expérience des équipes les plus aguerries aux nouveaux venus dans le domaine mais également de faciliter les échanges et les collaborations entre tous types d’équipes.

- Les équipes cliniques : depuis plusieurs années, on voit se manifester un intérêt croissant des équipes cliniques vers ces nouveaux dispositifs. La connaissance des cliniciens en la matière est cependant malheureusement souvent limitée et biaisée. Le plus souvent, ce sont les médias ou des effets « de mode » qui portent en avant tel ou tel dispositif et les enthousiasmes ou critiques formulés ne sont que très peu argumentées par des analyses sérieuses des dispositifs, de leurs capacités et de leurs limites. Les plateformes peuvent offrir un lieu de formation voire de pratique expérimentale à destination des équipes cliniques. Elles peuvent enfin permettre la mise en œuvre d’études visant l’évaluation rigoureuse des dispositifs.

- Les industriels (PME ou plus grosses sociétés): par la présence d’équipes de recherche compétentes et expérimentées, adossées à des équipes cliniques à la pointe, les plateformes peuvent offrir un lieu de démonstration aux industriels et/ou raccourcir le temps de cycle qui va de l’idée du dispositif à sa démonstration clinique. Ainsi un « gros » industriel du domaine peut trouver intéressant de mettre à disposition de la plateforme un matériel « fini ». De telles

8 Cette liste n’est pas exhaustive et ne se veut nullement exclusive.  

plateformes peuvent également être des lieux de facilitation du transfert industriel voire d’émergence de nouvelles entreprises. Il est à noter, qu’outre l’expérience significative d’essaimage de quelques équipes concernées, la présence de pôles de compétitivité dans l’environnement immédiat des équipes est propre à faciliter encore une activité de transfert.

Les objectifs visés sont donc :

1. L’accueil d’équipes médicales, scientifiques et industrielles souhaitant accéder à des moyens nécessaires à leurs activités dans le domaine de la robotique médicale ;

2. le soutien à la recherche et à l’industrialisation de solutions en robotique médicale ; 3. la formation de scientifiques (doctorants ou autres) au domaine et des équipes médicales à

l’utilisation des solutions de robotique médicale ; 4. l’amélioration de l’attractivité et la visibilité des travaux des laboratoires français en robotique

médicale. Le GDR robotique dont un des groupes de travail (GT1) est dédié à la robotique médicale pourrait avoir un effet structurant de portail du réseau de plateforme vers les utilisateurs potentiels du monde académique voire industriel (via le club des utilisateurs). Le GDR STIC-Santé peut faciliter l’accès vers les cliniciens. L’offre de formation est à préciser en fonction de l’existant sur chacun des sites et relativement à d’autres efforts (par exemple Ecole d’Eté de Robotique Médicale organisée tous les deux ans à Montpellier). Les besoins demandés par les équipes concernées sont d’abord humains (ingénieurs de recherche notamment, éventuellement contractuels). Nombre des plateformes pré-listées fonctionnent au gré des ressources humaines disponibles (quelques mois d’un ingénieur recruté sur un projet de recherche, la bonne volonté de quelques chercheurs permanents ou pas) ; cependant, aucune des plateformes actuelles ne peut offrir un service digne de ce nom en son sein (pour l’intégration de nouveaux chercheurs et leur formation à l’existant, pour la pérennisation des résultats au départ des personnels non permanents) et à destination de l’extérieur (autres laboratoires, cliniciens, industriels). L’institut INSIS par la mise en place de personnels dédiés à ces plateformes peut permettre d’accélérer et de rendre beaucoup efficace la production d’innovations dans le domaine et sa diffusion à l’échelle nationale et internationale. Afin de permettre la circulation des équipes sur le réseau des plateformes, des moyens sont également nécessaires pour des séjours d’une durée à définir. NB/ Il faudra évidemment envisager un cadre réglementaire pour faire fonctionner le réseau (en particulier en lieu avec les partenariats industriels et la propriété intellectuelle).

IV. MICRO-NANO ROBOTIQUE  

Rédacteurs : Michaël Gauthier (FEMTO-ST), Stéphane Régnier (ISIR)

Document de travail - Janvier 2010

Enjeux scientifiques et stratégiques.

Ce projet de plate-forme Micro-Nanorobotique vise à organiser efficacement la répartition des équipements semi-lourds complémentaires et disponibles dans les unités CNRS (FEMTO-ST et ISIR) travaillant sur cette thématique. Cette plate-forme est composée d’un ensemble de stations robotiques localisées uniquement sur deux lieux géographiques et liées à l’étude de la micro-nanomanipulation, du microassemblage et la caractérisation des objets aux échelles microscopiques et nanoscopiques pour la manipulation et la mobilité. Les travaux du CNRS en micro-nanorobotique ont donné lieu à un grand nombre de démonstrateurs de manipulation ou de caractérisation des micro-nano-objets nécessaires à la validation des travaux scientifiques associés à l’étude des composants microrobotiques (ex : micro-actionneurs, micropréhenseurs). La plate-forme répond à un besoin de la communauté scientifique de capitaliser de manière pérenne ses compétences, savoir-faire techniques et technologies associées. L’enjeu est ici de disposer d’équipements de haute technologie fiables et maintenus, qui pourront être utilisés pour la validation expérimentale des travaux scientifiques sur des systèmes micro-nanorobotiques (ex. station de caractérisation d’objets biologiques) intégrant plusieurs composants micro-nanorobotiques. Les équipements seront également exploités dans des cycles de formation universitaires ou des écoles d’été, renforçant l’attractivité de cette thématique scientifique. Enfin, cette plateforme accentuera la visibilité des équipements du CNRS et facilitera donc les contacts industriels via des recherches collaboratives public-privé ainsi que l’attractivité internationale, en étant ouverte aux interactions internationales. Les communautés scientifiques visées sont de nature pluridisciplinaire incluant les communautés micro-nanorobotiques, microsystèmes, biologiques, physiques, sciences des matériaux, nanotechnologies ou tribologies. Par la diversité de ces équipements cette plate-forme constituera un outil de premier rang international. Composition de la plate-forme de micro-nanorobotique. La plate-forme est composée de 4 types de stations très complémentaires, localisées dans les deux UMR ISIR (Paris) et FEMTO-ST (Besançon) couvrant des moyens technologiques nécessaires en micro-nanorobotique (voir figure ci-contre) : - station de télé nano-opération à haute fidélité couplant un système robotisé à deux miro-effecteurs, une interface haptique et une salle d'immersion permettant de réaliser des tâches téléopérées dans le nanomonde ; - stations de micromanipulation et de micro-assemblage programmable permettant la préhension et le positionnement de micro-objets de manière automatique ;

Station d'étude des propriétés

physiques d'objets biologiques

Station robotique de

télé nano-opération

Stations robotiques de

micromanipulation et micro-assemblage

Station d’étude des forces d’interaction entre micro-objets

- station de mesure des efforts d’interaction et d’adhésion entre des micro-objets, pouvant caractériser les effets physiques prédominants rencontrés lors de micromanipulations ; - station d'étude et d'analyse des propriétés physiques d'objets biologiques de l'échelle de la cellule à l'échelle de la molécule. Il est également à noter que les chercheurs du domaine membres des deux UMR CNRS concernées représentent ensemble l’une des plus grandes équipes au monde sur ce domaine.

Descriptif du projet

Le projet de plate-forme nationale Micro-Nanorobotique a pour objectif de structurer, sous un même outil, différents équipements semi-lourds liés à l’activité scientifique du CNRS en micro-nanorobotique. Le terme de plate-forme s’entend comme une structure regroupant un ensemble complémentaire de stations robotiques accessibles à la communauté scientifique et au monde économique. Les équipements constitutifs de la plate-forme sont détaillés en section 5. Les objectifs de la plate-forme sont : - la capitalisation, dans des équipements pérennes, des compétences scientifiques et techniques sur des composants micro-nanorobotiques (ex : micropince piezoélectrique) et - la construction de terrains d’expérimentations pour l’étude de problématiques scientifiques portant sur des systèmes complexes micro-nanorobotiques intégrant plusieurs composants : mesure fine des efforts d’interaction entre objets (pour leur manipulation comme pour leur mobilité) et ressenti de ces efforts, tests de faisabilité de micromanipulation téléopérée et automatique, micro-assemblage, Les missions de la plate-forme seront d’assurer un accès aux utilisateurs par l’entretien et la mise à jour des équipements mais également de pérenniser les capacités d’expérimentations et les résultats scientifiques futurs par l’intégration de nouvelles technologies et de nouvelles stations micro-nanorobotiques développées en son sein. 1. Contexte Les travaux en micro-nanorobotique ont débuté en France il y a une quinzaine d’années par l’étude de composants élémentaires tels que des micro-actionneurs à matériaux actifs, des systèmes de préhension exploitant l’adhésion, ou des moyens de mesure des forces existantes à ces échelles. Ces travaux ont, depuis le départ, nécessité une avancée conjointe de recherches scientifiques et de développements technologiques. La particularité du domaine de recherche visé est que tout ou partie des systèmes micro-nanorobotiques a été développé par les équipes de recherche, de tels systèmes n’existant pas directement sur étagère. Les nouveaux développements peuvent donc, lorsqu’ils ont atteint un degré de maturité suffisant, avoir vocation à enrichir les plateformes pour être mis au service d’un ensemble d’utilisateurs dépassant les équipes de FEMTO-ST et de l’ISIR : autres équipes, nationales et internationales, industriels, formations. Les travaux scientifiques associés portent sur : - l’étude de systèmes microrobotiques complets intégrant plusieurs composants afin de conduire à la réalisation de tâche de caractérisation, de manipulation ou d’assemblage ; - une poursuite de la miniaturisation des composants étudiés qui conduit à un renforcement de l’étude des échelles nanoscopiques ouvrant vers la réalisation de micro-nanomachines ; - la construction d’un corpus scientifique propre à cette discipline jeune. Dans ces trois axes, l’expérimentation des méthodes sur des équipements de haute technicité est nécessaire. L’accès à des stations robotiques fiables et leur mutualisation en France est donc un élément nécessaire à la poursuite des travaux scientifiques en micro-nanorobotique du CNRS auquel cette plate-forme nationale répond. Il est à noter que ce projet se différencie du réseau national de grandes centrales de technologie pour la Recherche Technologique de Base (RTB), dont les équipements sont focalisés sur des moyens de fabrication aux échelles micro- et nanoscopiques. Enfin sur le plan international, la communauté française possède un savoir-faire sur un spectre particulièrement large allant de la caractérisation des interactions entre les micro-nano-objets à la téléopération ou l’automatisation de tâches de micro- et nano-assemblage. Les principaux laboratoires internationaux du domaine possèdent des équipements généralement dédiés à une problématique ciblée et ne peuvent accéder à une plate-forme générale d’expérimentation en micro-nano-robotique. La création d’une plate-forme nationale de cette nature est donc une opportunité pour le CNRS de créer une structure originale sur le plan international. De plus, les deux unités FEMTO-ST et ISIR du CNRS qui travaillent en étroite collaboration depuis de nombreuses années forment ensemble la plus grande équipe mondiale travaillant dans le domaine de la micro-nano-robotique. Elles ont développé et/ou utilisent des outils et systèmes de manière concertée et peuvent ainsi offrir ensemble, entre les deux sites bisontin et parisien une plate-forme très complémentaire. 2. Intérêt de la mise en réseau La mise en réseau au sein d’une unique plate-forme micro-nanorobotique des équipements scientifiques d’UMR CNRS est une action structurante pour la communauté scientifique du domaine. Elle permettra d’accroître la visibilité nationale et internationale tant du savoir-faire lié aux équipements que des travaux scientifiques sous-jacents. Ce projet de plate-forme originale représentera un atout sensible pour les instituts CNRS dans le montage de collaborations internationales. Une des retombées attendues portent donc sur un accroissement des

collaborations internationales dans les instituts CNRS porteurs de cette plate-forme et impliqués dans les thématiques scientifiques micro-nanorobotiques. A ce titre, le projet de plate-forme ANR NANOROL (appel PSIROB) dont le démonstrateur est une des stations de cette plate-forme nationale a été soutenu par 11 universités internationales et nationales. L’avènement de cette plate-forme améliora également la visibilité de ses équipements scientifiques vers le monde économique comme vers des milieux scientifiques connexes ou plus éloignés où la micromanipulation (ex : biologie, physique, science des matériaux, nanotechnologie, tribologie) peut lever des verrous technologiques. Quelques essais de micromanipulation d’objets industriels ou d’échantillons scientifiques ont déjà été effectués pour des sociétés privées ou des laboratoires sur les équipements concernés. Enfin, à l’échelle des deux unités CNRS (FEMTO-ST et ISIR) partenaires de cette plate-forme, celle-ci sera l’occasion de capitaliser les compétences développées au cours des différents travaux de recherche. Elle consistera également en un moyen d’expérimentation privilégié de nouvelles méthodes issues des travaux scientifiques (en manipulation par exemple). La plate-forme répartie sur uniquement deux lieux géographiques (Paris et Besançon) à moins de 3 heures en TGV, rend le déplacement entre les deux sites de la station relativement aisé. Les objectifs ambitieux de cette plate-forme nécessaire au maintien du CNRS dans une compétition scientifique internationale en micro-nanorobotique nécessiteront un renforcement des moyens humains gérant les stations. La viabilité au cours du temps passe par des moyens humains pérennes capables d’assurer le suivi, la maintenance, l’évolution des équipements au-delà de la durée de vie réduite des projets scientifiques, ainsi que le conseil aux utilisateurs extérieurs. De plus, la plate-forme devra être en permanente évolution afin de rester compétitive sur le plan international. Dans ce cadre, les deux enjeux actuels de la future plate-forme porte sur l’acquisition et l’équipement interne d’un microscope électronique à balayage performant pour la nanomanipulation et sur la construction d’une salle à environnement contrôlé pour l’étude des interactions entre micro-nano-objets. 3. Formation et animation scientifique nationale La fiabilisation d’équipements scientifiques va également trouver un intérêt pour la formation des ingénieurs et doctorants sur ces techniques de pointe ou plus largement lors d’écoles d’été scientifiques : Deux des stations qui composent la plate-forme ont déjà été utilisés pour des travaux pratiques lors de 4 écoles d’été internationales ‘Highlight in Microtechnology’. Ainsi, la construction d’équipements dont l’ergonomie a été étudiée pour être accessible à des utilisateurs extérieurs servira de base expérimentale à des travaux pratiques en micro-nanorobotique renforçant l’attractivité de ce thème scientifique auprès des étudiants. La réalisation d’actions communes de formation sur les équipements de la plate-forme participe à l’élaboration d’un corpus scientifique construit et partagé par les deux équipes de recherche. Cette activité a déjà été initiée par l’écriture de trois livres co-signés par des chercheurs des deux instituts (‘La microrobotique, application à la micromanipulation’ - Hermes et ‘Robotic Microassembly’ – Wiley). Le coût des équipements microrobotiques et surtout le savoir-faire à développer étant très importants, il est très difficile à une nouvelle unité ou équipe du CNRS de démarrer une activité dans ce domaine. La fiabilisation d’équipements d’expérimentation accessibles facilement aux chercheurs du CNRS lèvera ce frein structurel et pourra engendrer un effet d’entrainement à l’échelle nationale sur cette thématique. 4. Relations industrielles – pôles de compétitivité La construction et l’entretien d’équipements fiables est évidemment d’un intérêt premier dans le cadre de travaux de recherche collaboratives avec des industriels. La plate-forme assurera premièrement une visibilité nationale et internationale susceptible de faciliter le nombre de contacts industriels. La possibilité de démontrer rapidement et de manière synthétique le savoir-faire capitalisé sur les équipements de la plate-forme et les ressources qu’elle constitue est un atout sensible pour l’attractivité vis-à-vis du monde industriel. Cette plate-forme micro-nanorobotique est en lien direct avec le pôle de compétitivité ‘des Microtechniques’. L’un des équipements, lié au projet plate-forme ANR NANOROL en cours (programme PSIROB) est labellisé par ce pôle. De plus, la viabilité économique de produits issus des recherches en micro-nano-robotique n’est acquise que dans le cas de produits intégrants plusieurs composants robotiques dans un système complet. Les développements effectués sur les équipements de la plate-forme pourront donc également être des bases

fertiles à du transfert industriel. La future société Percipio-Robotics issue de l’unité FEMTO-ST, en cours d’incubation dans l’incubateur de Franche-Comté est positionnée sur ce modèle d’affaire de fourniture d’équipements microrobotiques. La plate-forme lui permettra donc d’effectuer rapidement des expérimentations et Percipio-Robotics pourra également être à même de valoriser les technologies présentes dans la plate-forme. 5. Description des stations robotiques composant la plate-forme La plate-forme est composée de plusieurs équipements appelés ‘stations’. Ces stations situées sur les deux sites géographiques des unités FEMTO-ST et ISIR sont de 4 types décrits en annexe.

V. Robotique de production

Centres d’appui pour la recherche expérimentale en robotique de production

Rédacteurs : François Pierrot (LIRMM), avec relecture par Philippe Wenger (IRCCYN)

Document de travail - Janvier 2010

Motivations

Les motivations qui sous tendent la création d’un réseau de centres d’appui à la recherche en robotique de production (par opposition à la robotique de service) sont ancrées à la fois dans un contexte industriel et économique et dans un contexte scientifique et technologique. Le contexte industriel et économique peut être décrit de manière assez simple9 en quelques points clés : - Les concepts à la base des robots de production disponibles sur le marché sont très stables depuis 20 ans, et reposent sur des architectures mécaniques éprouvées et des méthodes de commande très classiques. - Dans la sphère industrielle, les efforts de R&D sont restés cantonnés à une amélioration lente et continue de techniques connues, la fiabilisation des composants et des systèmes, et une optimisation des coûts de production. - Ces efforts ont aujourd’hui amené l’industrie à une maturité faussement rassurante qui s’avère en fait une source de grand danger : tous les acteurs proposent peu ou prou les mêmes solutions, avec les mêmes performances, et au même prix… L’arrivée imminente de nouveaux concurrents asiatiques (Chine en tête) plaide en faveur d’une politique d’innovation agressive. - Sous l’effet de la même pression internationale, le besoin d’accroître la productivité des moyens de production ne cesse de s’exprimer dans l’industrie européenne et nord-américaine ; de plus, des secteurs nouveaux réclament une automatisation de tâches aujourd’hui manuelles. Donc, que ce soit au niveau de l’industrie de production de robots elle-même, ou au niveau des industries utilisatrices de robots, le besoin d’innovation est à la mesure du risque actuel de désindustrialisation massif de l’Union Européenne. En 2008, un journaliste a ainsi forgé le terme « robocalisation10 » : relocalisation grâce à la robotique. Le contexte scientifique semble également très favorable ; il s’agit de faire progresser de manière synergique plusieurs disciplines, dont la théorie des mécanismes, la conception mécatronique et l’automatique, en les confrontant ensemble à des problèmes difficiles : concevoir de concert les mécanismes et les commandes à même d’atteindre des temps de cycle extrêmement réduits, de garantir des hauts niveaux de précision statique et dynamique, d’obtenir un haut niveau de flexibilité et de réactivité qu’il s’agisse d’assurer la préhension et/ou la manipulation de composants manufacturés ou non, de formes et de textures variables, de réaliser des tâches de transferts, d’assemblage ou d’usinage complexe en référence à des capteurs évolués, sur des composants ou systèmes de tailles variables et dans des environnements variés. Souvent, les recherches sur de nouveaux mécanismes conçus pour servir de base à des robots se concentrent sur la recherche de solutions de principe, et au mieux donnent naissance à des prototypes de laboratoire qui sont testés et validés en ayant recours à des techniques d’automatique plus ou moins courantes (automatique linéaire de base, commande dynamique, etc) mais sans pousser suffisamment le raisonnement au fond de grandes questions comme : quelle commande et quel mécanisme sont optimaux pour ce genre de machine ? Quelle influence une méthode de commande peut-elle avoir sur la conception même de la machine ? De même les progrès récents de l’automatique sont souvent très impressionnants sur le plan théorique et permettent de fonder de grands espoirs et d’avoir des ambitions fortes de robustesse même dans des cas difficiles. Mais confronter ces approches à un cas très proche de l’application finale où rien ne peut être négligé a priori, ni variations de charges, ni frottements, ni vibrations à haute fréquences (par exemple : en provenance des process), le tout sous la pression de performances clairement hors de portée aujourd’hui est un très beau défi. Enfin, les travaux de conception_et_commande ne sont qu’exceptionnellement liés aux process et procédés auxquels le robot de production sera confronté : manipulation, usinage, métrologie, contrôle, … Tenter de

9 Si le lecteur accepte les raccourcis schématiques qu’impose la compacité du discours … 

10 http://www.lefigaro.fr/societes-etrangeres/2008/03/28/04011-20080328ARTFIG00342-les-relocalisations-ont-le-vent-en-poupe-

.php  

répondre à des défis venant du monde de la production industrielle impose de se rapprocher de scientifiques et d’ingénieurs de ces domaines. L’approche préconisée est donc pluridisciplinaire, et peut combiner théorie des mécanismes, méthodologie de conception, modélisation, automatique, métrologie avancée, sciences des matériaux, modélisation et pilotage de procédés industriels…, pour s’intéresser à des dispositifs mécatroniques réalistes qui ont vocation, à terme, à servir de base aux développements de nouveaux moyens de production capables de faire évoluer de manière radicale la productivité, la flexibilité et la réactivité d’installations industrielles. Il s’agit ici d’inventer, étudier, tester et/ou mettre en œuvre les robots de production demain, innovants ou de nouvelle génération, avec comme objectifs :

‐ Améliorer de manière radicale les performances pour développer un leadership européen ; ‐ Proposer des solutions « propres » à faible consommation énergétiques ; ‐ Améliorer l’autonomie décisionnelle dans les tâches complexes ; ‐ Accéder à des secteurs industriels, ou des applications, aujourd’hui inaccessibles (assemblage

aéronautique, chantiers navals, agroalimentaire produits frais et non calibrés, bio-engineering, etc) ;

‐ Proposer des solutions pour la co-manipulation Homme / Robot ou Robot / Robot en milieu industriel ;

‐ Augmenter la sécurité et la sûreté des robots ; ‐ < liste non exhaustive, à compléter >

Benchmarking international

Quels sont les centres voisins / concurrents ? ‐ Gros laboratoires « conception/commande de manipulateurs » : EPFL, Suisse (R. Clavel) ;

Université Laval, Canada (C. Gosselin) ; LTH, Lund, Suède ; DLR, Allemagne, Braunschweig ?? < liste non exhaustive, à compléter >

Moyens existants aujourd’hui dans des laboratoires du CNRS

Le premier cercle de laboratoires, en se restreignant aux laboratoires du CNRS11 directement impliqués en robotique de production, pourrait être composé de :

‐ LIRMM, Montpellier (conception-commande) ‐ IRCCyN, Nantes (conception-commande) ‐ LASMEA, Clermont-Ferrand (commande) ‐ LMS, Poitiers (conception-commande)

… Complété par des laboratoires CNRS qui ne s’affichent pas sur le thème « robotique », mais pourraient trouver un intérêt dans des collaborations avec des roboticiens proches de la robotique de production, et/ou amener une meilleure compréhension des comportements et/ou des process :

‐ LaMCOS, INSA Lyon (dynamique des structures) ‐ PIMM, ENSAM Arts et Métiers ParisTech (usinage) ‐ …

Ces laboratoires disposent déjà d’un nombre assez important de robots industriels, de prototypes, de moyens numériques de conception. Toutefois, même (relativement) bien équipés, ces laboratoires auraient du mal aujourd’hui à créer, puis mettre en œuvre des systèmes robotiques innovants dans des conditions répondant aux défis industriels. Puis, on peut étendre à l’INRIA Sophia (synthèse, optimisation) et Rennes (commande référencée vision), ainsi qu’au LaMI (Clermont-Ferrand). Des laboratoires de sciences des matériaux (composites, matériaux intelligents), de génie électrique (motorisation, électronique de puissance) et de technologies de production (usinage, assemblage, CND, etc) pourraient être associés. On aboutirait alors à une vraie « approche système ».

11 Ce choix est du ressort de l’Institut INSIS, pour de simples raisons de facilité de mise en œuvre ; l’ouverture aux laboratoires non‐CNRS sera naturelle dès que INSIS aura une vue globale de l’ensemble des projets. 

Ressources à mettre en œuvre

Pour le moment, c’est un peu une liste « à la Prévert », mais il faut bien démarrer quelque part :

‐ Moyens technologiques o Robots industriels pour actions à poste fixe, mais également pour usage en manipulation

mobile, avec équipements simples de péri-robotique (préhenseurs, convoyeurs, etc) ; les moyens doivent couvrir l’essentiel des cas classiques (manipulation mono-bras à poste fixe), mais aussi et surtout des cas « modernes », avec par exemple, les solutions parallèles, multi-bras, manipulation-mobile …

Kuka Fanuc Adept Motoman

o Prototypes de robots « académiques » (robots à câbles, nouvelles technologies d’actionnement, nouvelles cinématiques, etc…)

o Systèmes de capteurs pour commande avancée (vision, force, voix, toucher) o Outils de CAO et moyens de calculs o Moyens de mesure et de métrologie (LASER Tracker, analyse vibratoire, etc…)

‐ Compétences académiques/IT nécessaires

o Théories des mécanismes o Conception mécatronique o Automatique o Vision et commande référencée vision o Informatique industrielle o Planification de tâches o Procédés & process liés à la production industrielle (usinage – assemblage – mesure –

contrôle – etc)

Actions

‐ Soutien au prototypage (marché global passé avec un usineur/monteur) dans un rôle proche du CMP de Grenoble pour la microélectronique ; en gros : une enveloppe budgétaire pour « acheter de la sous-traitance de manière centralisée », plus une aide-conseil (ITA niveau IE) pour les mises en plan ;

‐ Choix et/ou réalisation d’un système de commande de laboratoire mis en commun par les différents points d’appui ; si réalisation : soutien ITA niveau IE ; dans tous les cas, actions de formation sur les moyens de commande, à prévoir ;

‐ Définition de défis à réaliser sur du matériel mis à disposition ; par exemple : o Battre des records de vitesse ; o Battre des records de production ; o Maîtriser les coûts de fabrication et d’exploitation (basse consommation énergétique) o Meilleur étalonnage géométrique ou dynamique ; o …

‐ Définition de plateformes pédagogiques ‐ Réponses communes à des défis industriels directs portant sur des enjeux réclamant un saut

technologique majeur, par création d’équipes mixtes Académique/Industriel sur des sujets difficiles

Relations avec l’industrie

Prendre contact avec : ‐ CETIM ‐ SyMAP ‐ EUROP ‐ Airbus, STX, Bouygues ( secteurs industriels peu robotisés à ce jour) ‐ Renault, PSA ( applications nouvelles dans secteurs historiques) ‐ Adept, Fanuc, Staübli, Kuka, ABB ( sponsoring, co-développements)

Relations avec la formation

Prendre contact avec : ‐ Les départements GMP des INSA, des IUT ‐ ENSAM, IFMA ‐ Filières professionnalisantes des Universités