Le robot ANYmal démontre une capacité surhumaine à se déplacer sur un terrain accidenté
Les robots, comme les humains, utilisent généralement deux modalités sensorielles différentes pour interagir avec le monde. Il existe la perception extéroceptive (ou extéroception), qui provient de systèmes sensoriels externes tels que le lidar, les caméras et les yeux.
Il existe aussi la perception proprioceptive (ou proprioception), c'est-à-dire la sensation interne qui englobe des choses comme le toucher et le ressenti de la force. En règle générale, nous, les humains, utilisons ces deux modalités sensorielles simultanément pour nous déplacer : l'extéroception nous aide à planifier à l'avance, tandis que la proprioception entre en jeu lorsque les difficultés surviennent.
Vous utilisez la proprioception, par exemple dans le noir, lorsque le mouvement reste tout à fait possible : vous avancez simplement lentement et prudemment, en vous appuyant sur votre équilibre et à tâtons.
Pour les robots, l'extéroception est ce qui leur permet de faire toutes les choses géniales : grâce à une très bonne perception externe, au temps (et aux calculs) nécessaires pour planifier des mouvements impressionnants, les robots peuvent se déplacer de manière dynamique et rapide.
Cependant, les robots à pattes sont beaucoup moins à l'aise dans le noir, ou de manière générale dans toute situation où l'extéroception dont ils ont besoin fait défaut, soit parce que le capteur ne fonctionne pas pour une raison quelconque, soit simplement parce qu'elle est peu performante à cause d'éléments peu favorables aux robots, comme les surfaces réfléchissantes, le sous-bois dense ou autre chose encore. C'est un problème, car le monde réel regorge d'éléments peu favorables aux robots.
Une étude publiée par le Laboratoire des systèmes robotiques de l'ETH Zurich dans la revue Science Robotics présente un système de commande qui permet au robot d'évaluer la fiabilité des informations extéroceptives qu'il reçoit. Lorsque les données sont bonnes, le robot planifie à l'avance et se déplace rapidement.
Mais lorsque l'ensemble de données semble incomplet, bruité ou trompeur, le contrôleur bascule avec souplesse vers une locomotion proprioceptive. Cela signifie que le robot continue d'avancer, peut-être plus lentement et plus prudemment, mais il avance, et finit par atteindre un point où il peut de nouveau s'appuyer sur la perception extéroceptive.
C'est une technique qu'utilisent les humains et les animaux, et les robots peuvent désormais l'employer eux aussi, en associant vitesse et efficacité à sécurité et fiabilité, afin de franchir pratiquement n'importe quel terrain difficile.
Tout le monde a pu avoir un avant-goût passionnant de cette technique lors de la finale du concours DARPA SubT l'automne dernier, lorsque les robots à pattes ANYmal de l'équipe Team Cerberus ont remporté la victoire. Les performances présentées dans la vidéo ci-dessous sont impressionnantes, d'autant plus qu'ANYmal a réussi à terminer l'ascension en quatre minutes de moins que le temps recommandé pour un humain moyen.
Les vidéos montrant le robot ANYmal traverser une végétation dense et une neige profonde illustrent parfaitement le bon fonctionnement du système. Alors que les données extéroceptives signalent partout des obstacles et une hauteur du sol imprécise, le robot connaît la position de ses pattes et s'appuie sur ces données proprioceptives pour avancer en toute sécurité sans tomber.
D'autres robots à pattes utilisent la proprioception pour se déplacer de manière fiable, mais ce qui est unique ici, c'est la combinaison fluide de vitesse et de fiabilité, le contrôleur basculant entre extéroception et proprioception selon le degré de confiance qu'il accorde à ce qu'il voit. Les résultats d'ANYmal lors de cette randonnée, ainsi que pendant la finale SubT, prouvent de manière convaincante l'efficacité de cette approche.
Pour plus de détails, le magazine IEEE Spectrum s'est entretenu avec l'auteur de l'article, Takahiro Miki, doctorant au Laboratoire des systèmes robotiques de l'ETH Zurich.
« Atteindre un niveau de mobilité comparable à celui des animaux est sans doute l'objectif de beaucoup d'entre nous, chercheurs dans ce domaine. Cependant, les robots accusent encore un retard considérable sur la nature, et cet article n'est qu'un minuscule pas dans cette direction. <…> Nous cherchons à envoyer des robots dans des lieux trop dangereux ou inaccessibles pour les humains. Dans ce travail, par « difficiles », nous entendons des endroits pénibles pour nous, et pas seulement pour les robots. Par exemple, des sentiers de randonnée escarpés ou des chemins enneigés difficiles à parcourir. Grâce à notre approche, le robot a franchi des surfaces rocheuses escarpées et humides, une végétation dense ou un terrain accidenté dans des tunnels souterrains et des grottes naturelles couverts de gravier meuble, à la vitesse d'un humain »
Selon lui, l'intuition de l'opérateur humain qui choisit le trajet possible pour le robot a sans aucun doute contribué au succès. Bien que le robot soit robuste, il ne peut pas franchir les obstacles physiquement infranchissables, comme ceux plus grands que lui ou les falaises.
Cependant, dans d'autres scénarios, comme le DARPA SubT Challenge, le robot est piloté par un algorithme d'exploration et de planification de trajectoire de haut niveau. Ce planificateur connaît les capacités du contrôleur de mouvement et utilise des indices géométriques pour piloter le robot en toute sécurité. Y parvenir pour une randonnée autonome en montagne, où une compréhension plus sémantique de l'environnement est nécessaire, constitue un travail futur pour les scientifiques.
L'escalier enneigé a été la toute première expérience en extérieur réalisée par les scientifiques avec le contrôleur actuel, et Miki a été surpris que le robot puisse gravir un escalier enneigé et glissant. Par ailleurs, pendant la randonnée, le terrain était assez raide et complexe. Lorsque le doctorant a examiné le terrain pour la première fois, il a pensé que cela pourrait être trop difficile pour le robot, mais celui-ci a surmonté tous les obstacles.
« Nous pensons que le robot détermine si l'extéroception correspond à la proprioception grâce au contact des pieds ou à leur position. Si la carte est exacte, les pieds touchent le sol là où la carte l'indique. Le contrôleur considère alors que l'extéroception est juste et l'utilise. Dès qu'il constate que le contact des pieds ne coïncide pas avec le sol de la carte, ou que les pieds descendent sous la carte, il considère que l'extéroception n'est pas fiable et s'appuie davantage sur la proprioception. Nous l'avons démontré dans une expérience vidéo complémentaire »
À ce jour, les scientifiques ont piloté le robot manuellement dans la plupart des expériences (à l'exception du DARPA SubT Challenge). L'étape suivante consiste à ajouter davantage de niveaux d'autonomie. Miki souhaite que le robot effectue une randonnée complexe sans intervention humaine.
Par ailleurs, les capacités de déplacement du robot peuvent encore être améliorées. Pour les paysages « plus difficiles », les chercheurs veulent que le robot perçoive le monde en 3D et adopte des comportements plus variés, comme sauter par-dessus des marches ou ramper sous des obstacles en surplomb, ce qui est impossible avec la carte des hauteurs 2,5D actuelle.
