Section 07 Sciences de l'information : traitements, systèmes intégrés matériel-logiciel, robots, commandes, images, contenus, interactions, signaux et langues

VI. Robotique

A. Les grandes avancées actuelles et les thèmes émergents

L'activité de recherche de la robotique se structure autour du mouvement et de l'autonomie des robots. On peut citer la modélisation, la conception de mécanismes, le contrôle, la perception du mouvement, la planification, la navigation autonome de véhicules (aériens, terrestres, marins ou sous-marins), l'apprentissage du mouvement et l'interaction du robot avec son environnement. Les récentes avancées technologiques permettent de créer des plates-formes robotisées ayant des performances et des capacités de mouvement suffisantes pour devenir des outils performants dans les secteurs tels que production, transport, logistique, technologies de la santé et des services à la personne, environnement et exploration. Parmi les défis scientifiques figure l'étude des propriétés géométriques, cinématiques et dynamiques des nouveaux mécanismes à structures parallèles, séries ou arborescentes, conduisant à de nouvelles approches multidisciplinaires de conception multi-objectifs. L'amélioration des performances des robots passe par la recherche de nouvelles architectures cinématiques pour les mécanismes à composants déformables, les structures hyper-redondantes, les robots compliants, les micro- et nano-robots.

Un autre grand défi concerne la commande avec asservissement visuel et vision active, en plein renouvellement grâce aux nouvelles modalités de perception : effort, toucher (haptique), mesures inertielles, afin d'atteindre les performances recherchées dans de nombreuses applications allant du médical à l'exploration en passant par le domaine industriel. Un autre problème de commande difficile concerne la compréhension du mouvement anthropomorphe et le développement de méthodes globales et optimales de commande des robots humanoïdes en situation de mouvement libre ou contraint. La modélisation d'interactions complexes entre le robot et son environnement, brique constitutive des systèmes de commande, doit encore progresser pour les interactions instruments/organes, les contacts rigides multiples et les tissus mous. Il en est de même pour l'intégration de ces modèles dans les algorithmes de contrôle.

L'autonomie des véhicules, autre défi important, a vu son développement s'accélérer récemment grâce aux avancées en localisation et cartographie simultanée (SLAM) et à l'apparition de voitures autonomes (Google Car), de drones, de véhicules sous-marins télé-opérés ou semi-autonomes. Néanmoins, des efforts importants sont à réaliser pour la conception de nouvelles méthodes de localisation, planification, re-planification temps réel, coordination de flottille de véhicules hétérogènes, supervision et communication multi-robots. Les architectures de contrôle, importantes pour l'autonomie, contribuent plus généralement au développement des systèmes embarqués. Le défi principal est la modélisation des fonctionnalités et du comportement dynamique de tous les éléments (capteurs, actionneurs, noyau de contrôle, etc.) pour concevoir et implanter une architecture et un système robotique par composition fine et explicite de ces modèles.

La manipulation dextre d'objets fait également partie des défis à relever dans les prochaines années. En effet, de nombreuses applications nécessitent de la manipulation d'objets. Cependant, le succès de manipulateurs peut dépendre fortement des caractéristiques de l'objet manipulé, en particulier ses dimensions : les effets volumiques et inertiels sont prépondérants à l'échelle macroscopique, les effets surfaciques prédominent pour des dimensions submillimétriques. Le principal défi aux échelles microscopique et nanoscopique est de porter autonomie et complexité fonctionnelle aux mêmes niveaux qu'à l'échelle macroscopique, ouvrant ainsi un nouveau champ d'applications biomédicales où la dextérité des micro-outils intracorporels est un enjeu majeur. À plus long terme, la conception de nano-robots autonomes peut ouvrir un nouveau champ de recherche sur l'exploration à l'échelle nanoscopique, pour le diagnostic médical par exemple.

B. Interactions avec d'autres disciplines

La robotique entretient historiquement de fortes interactions avec la mécanique, l'informatique, l'automatique, le traitement du signal et des images et les mathématiques appliquées. On peut également souligner une interaction avec les neurosciences pour identifier les processus neurobiologiques permettant aux animaux et à l'homme de construire une représentation unifiée de l'environnement à partir des données multisensorielles afin de planifier et exécuter des actions de manière autonome et adaptative. Pour l'aide à la personne, la robotique d'assistance et la rééducation motrice, des interactions existent aussi avec la biomécanique et les neurosciences, pour la compréhension de l'apprentissage moteur et les manières de le favoriser par une interaction physique. L'interaction homme-robot joue un rôle croissant qui dépasse largement ces domaines et adresse des problématiques nouvelles : interprétation, fusion et prédiction de signaux de communication (verbale et non verbale, intention, émotion), synthèse de ces signaux pour les robots, interfaces homme-robot (interfaces cerveau-machine ou haptiques). La coopération et la coordination entre l'humain et le robot pour les autres domaines d'application (robots en milieu industriel, robots portables de type exosquelettes, véhicules autonomes pour le transport des personnes) nécessitent de prendre aussi en compte les questions de confort et de sécurité. Ces travaux impliquent des coopérations avec des spécialistes des sciences cognitives, à l'instar de ceux de la réalité virtuelle et augmentée.

C. Place de la France dans le contexte mondial

La France fait partie des grandes nations de recherche en robotique, elle possède une compétence et une reconnaissance internationale dans l'ensemble des grands domaines de cette discipline. Ses chercheurs sont présents dans les comités éditoriaux des grands journaux internationaux, les comités de programmes et d'organisation des grandes conférences, les comités techniques et le comité exécutif de l'IEEE Robotics and Automation Society (RAS). La France est également présente dans les consortiums des grands projets et défis robotique européens (H2020, Factory of the Future).

D. Points forts/points faibles de la recherche en France

La France est une destination attractive pour de nombreux chercheurs internationaux, visiteurs, doctorants ou post-doctorants. La robotique française possède des points forts dans les grands domaines de la robotique, et bénéficie d'un soutien institutionnel (GDR Robotique). Les interactions avec la médecine et les secteurs industriels (aéronautique, automobile, PME, startups) sont fortes bien qu'il existe trop peu de relais entre la recherche académique et le monde des entreprises. Un grand défi est à relever pour l'aide au transfert et à l'innovation de la robotique vers les entreprises, et le soutien des laboratoires pour accompagner ces transferts dans cette période charnière de développement de la robotique dans l'industrie.

E. Retombées sociales, économiques (valorisation), culturelles

La robotique a un impact économique et social important, actuellement en pleine croissance. Une grande mutation dans le secteur industriel est en cours, avec l'objectif pour 2020 d'avoir des robots ayant un certain degré d'autonomie, possédant les capacités de travailler à proximité de personnes en toute sécurité dans des modes de coopération ou de collaboration, et ce avec des efforts d'installation et de programmation minimum. D'autres attentes sont affichées dans le domaine médical avec des systèmes chirurgicaux dédiés au contact du patient : robots porte-aiguilles, robots guides pour la chirurgie orthopédique, robots pour la chirurgie transluminale ou à trocart unique, robots autonomes de type capsules ingérables. Enfin, les véhicules autonomes routiers ouvrent de nombreuses perspectives pour améliorer la sécurité routière et la mobilité des personnes.