Brevet FR2918304A1 — publié le 20090109

DISPOSITIF ROBOTISE AYANT L'ASPECT D'UN CHIEN La présente invention se rapporte à un dispositif robotisé ayant l'aspect d'un chien et plus généralement d'un quadrupède. Ce type de robot a pour vocation d'être utilisé dans le domaine de la recherche et de l'enseignement afin de développer de nouveaux algorithmes ou comme un jouet de manière à simuler un animal de compagnie. Néanmoins, la protection n'est pas limitée à ces domaines privilégiés. Dans le domaine de la robotique, il existe de nombreux humanoïdes. On connait également un dispositif robotisé ayant l'aspect d'un chien qui a été commercialisé sous le nom commercial Aïbo et simulait un animal de compagnie, ainsi que de nombreux jouets mécaniques ayant aussi l'aspect extérieur d'un chien. Ce dispositif robotisé ayant l'aspect d'un chien comprend un corps , quatre pattes ainsi qu'à l'avant une tête et éventuellement à l'arrière une queue. Des moyens de contrôle-commande et des moyens de stockage de l'énergie sont généralement logés dans le corps, la tête comprenant des capteurs, notamment une caméra. Pour la suite de la description, on entend par plan longitudinal, un plan sensiblement vertical s'étendant d'avant en arrière à la manière de la colonne vertébrale d'un animal. La direction longitudinale, qui sera référencée sur les figures comme l'axe X, est contenue dans le plan longitudinal et correspond à la droite parallèle au sol lorsque le dispositif est dans la posture correspondant à la position debout d'un animal, cette direction étant liée au corps du dispositif et pouvant être plus ou moins inclinée par rapport au sol en fonction de la posture dudit dispositif. Par plan transversal, on entend un plan sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale. La direction transversale, qui sera référencée sur les figures comme l'axe Y, est contenue dans le plan transversal et correspond à la droite parallèle au sol lorsque le dispositif est dans la posture correspondant à la position debout d'un animal. Enfin sur les figures, on a indiqué une troisième direction, référencée comme l'axe Z, qui est sensiblement perpendiculaire aux deux directions X et Y et qui correspond à la direction verticale lorsque le dispositif est dans la posture correspondant à la position debout d'un animal. La présente invention se rapporte plus précisément aux pattes de ce dispositif. Selon l'art antérieur, chaque patte comprend d'une part une première articulation correspondant à la hanche d'un animal intégrant deux liaisons de type pivot correspondant à une première rotation d'axe parallèle à l'axe X et une seconde rotation d'axe parallèle à l'axe Y, et d'autre part, une seconde articulation correspondant au genou de l'animal intégrant une liaison de type pivot correspondant à une troisième rotation d'axe parallèle à l'axe Y. Selon un mode de réalisation, pour chaque mouvement de rotation, on prévoit une motorisation pilotée par les moyens de contrôle-commande. L'extrémité inférieure de la patte comprend un contacteur permettant d'identifier le moment de contact de la patte avec le sol. Ce contacteur de forme sphérique constitue également la surface de contact avec le sol. Cette forme sphérique permet d'obtenir un contact de type ponctuel qui permet de simplifier la liaison avec le sol dans la mesure où l'orientation de la patte et notamment de sa partie inférieure s'étendant depuis le genou jusqu'au sol n'interfère pas avec la qualité du contact. Ce type de contact ponctuel est également suffisant dans la mesure où un quadrupède a quatre pattes lui conférant une stabilité. Ce type de contact est a priori nécessaire car dans le cas contraire on obtiendrait un système hyperstatique ou complexe à gérer pour le rendre sensiblement isostatique. Un capotage peut être prévu au niveau de l'extrémité du pied afin de cacher le contacteur. Toutefois, ce capotage a une fonction essentiellement esthétique et ne participe pas au contact avec le sol. Même si ce dispositif permet d'obtenir des mouvements et des postures proches 5 de ceux d'un animal, il ne donne pas pleinement satisfaction ou ses performances sont dégradées dans certaines conditions. Selon un premier inconvénient, pour certains revêtements de sol, notamment ceux n'offrant pas une grande adhérence, ce dispositif robotisé a du mal à avancer, les extrémités des pattes et plus particulièrement le contacteur 10 sphérique glissant sur le sol et n'adhérant pas au sol. Selon un autre inconvénient, lorsqu'on souhaite utiliser la patte pour d'autres fonctions que la marche, notamment pour donner un coup de patte et frapper un objet tel qu'un ballon, il est nécessaire d'orienter le dispositif robotisé par rapport à l'objet et plus particulièrement à la trajectoire que l'on souhaite 15 donner à l'objet afin d'obtenir ladite trajectoire souhaitée, cette dernière étant étroitement liée au plan dans lequel la patte se balance. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède plus polyvalent que ceux de l'art antérieur. 20 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède comprenant un corps, une tête disposée à l'avant du corps selon la direction longitudinale et quatre pattes comportant des articulations et à l'extrémité inférieure un pied comprenant une zone de support susceptible d'être en contact avec le sol et un capteur permettant d'identifier l'instant du contact 25 du pied avec le sol, caractérisé en ce que le pied comprend une zone de déformation entre la zone de liaison entre le pied et le reste de la patte et la zone de support et en ce que, pour chaque pied, ladite zone de support est dis jointe dudit capteur et comprend une surface d'appui sensiblement plane. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective illustrant un dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède, - la figure 2 est un schéma illustrant la cinématique d'une patte du dispositif robotisé selon l'invention, - la figure 3 est une coupe selon un plan parallèle au plan longitudinal illustrant le pied du dispositif robotisé selon l'invention, - la figure 4 est une vue latérale selon la direction longitudinale du pied de la figure 3, - la figure 5 est une vue en perspective illustrant les différentes parties en cours d'assemblage du pied de la figure 3, - la figure 6 est un schéma illustrant un premier exemple d'une architecture de commande, - la figure 7 est un schéma illustrant l'architecture de commande pour un mode de fonctionnement dit recopie de trajectoire. Sur la figure 1, on a représenté en 10 un dispositif robotisé ayant l'aspect d'un chien. Cependant, la présente invention n'est pas limitée au chien et peut s'appliquer à tous les quadrupèdes. Ce dispositif robotisé 10 comprend un corps 12 dont la morphologie est adaptée à celle de l'animal reproduit. Généralement ce corps 12 permet de loger les moyens de contrôle commande et les moyens de stockage de l'énergie. Ces moyens ne sont pas détaillés car ils sont connus de l'homme du métier. Le dispositif robotisé 10 comprend également une tête 14 disposée à l'avant du corps selon la direction longitudinale ainsi qu'éventuellement une queue 16 à l'arrière du corps. La tête contient avantageusement au moins un capteur, notamment une caméra 18 pour l'acquisition de données, sous forme vidéo, relatives à l'environnement du dispositif permettant de renseigner les moyens de contrôle-commande. On pourrait envisager d'autres capteurs en complément ou en remplacement de la caméra, par exemple un radar, des capteurs à ultrasons, cette liste n'étant pas exhaustive. La tête 14 est reliée au corps par tous moyens appropriés, de préférence lui permettant de l'orienter par rapport au corps 12. La tête, les éléments la constituant ainsi que la liaison entre la tête et le corps ne sont pas plus détaillés car ils sont connus de l'homme du métier. Selon l'invention, la queue 16 peut constituer une antenne ou servir de logement à une antenne. Cette configuration permet d'obtenir une meilleure réception ou émission des signaux, tout en ne nuisant pas à la ressemblance du dispositif avec l'animal reproduit. En variante, la queue 16 peut comprendre des moyens pour modifier son orientation et comprendre au niveau, ou à proximité, de sa jonction avec le corps une articulation autorisant ce mouvement relatif. Cette configuration permet également de renforcer la ressemblance avec l'animal car elle permet de simuler un mouvement de balancier de la queue d'un chien. Le dispositif comprend également quatre jambes ou pattes 20 disposées de manière symétrique par rapport au plan longitudinal, deux à l'avant et deux à l'arrière. La description est maintenant faite pour une patte 20, les pattes avant et arrière pouvant être identiques ou différentes, les pattes disposees de manière symétrique par rapport au plan longitudinal étant de préférence identiques. Sur la figure 2, on a représenté de manière schématique la cinématique d'une patte 20. Une patte 20 comprend d'une part une première articulation 22 correspondant à la hanche d'un animal intégrant deux liaisons de type pivot correspondant à une première rotation 24 d'axe parallèle à l'axe X et une deuxième rotation 26 d'axe parallèle à l'axe Y, et d'autre part, une seconde articulation 28 correspondant au genou de l'animal intégrant une liaison de type pivot correspondant à une troisième rotation 30 d'axe parallèle à l'axe Y. Selon une caractéristique de l'invention, la patte 20 comprend une quatrième rotation 32 d'axe parallèle à l'axe Z afin d'orienter ladite jambe ou une partie de ladite jambe, et plus précisément le plan du mouvement de balancier de ladite jambe ou de ladite partie de jambe. Cette configuration permet d'orienter le mouvement de balancier de la jambe ou de la partie de jambe sans avoir à orienter l'ensemble du dispositif robotisé ce qui était le cas auparavant. Cette solution confère au dispositif une plus grande polyvalence en lui permettant d'orienter la direction de la frappe sur un ob jet. Avantageusement, cette quatrième rotation 32 est disposée au niveau de l'articulation 22 correspondant à la hanche de l'animal, intercalée entre le corps et la deuxième rotation 26 d'axe parallèle à l'axe Y afin d'orienter le plan du mouvement de balancier de la jambe et d'obtenir un mouvement de balancier de grande amplitude afin de pouvoir augmenter potentiellement la quantité de mouvement transmise à l'ob jet impacté. Cette cinématique, à savoir une quatrième rotation d'axe parallèle à l'axe Z, peut être prévue au niveau de toute les pattes, ou seulement sur au moins une, et de préférence sur les pattes 20 disposées à l'avant. Selon un mode de réalisation, pour chaque mouvement de rotation, on prévoit une motorisation pilotée par les moyens de contrôle-commande. Ces motorisations ainsi que la façon de les piloter ne sont pas plus détaillées car elles sont connues de l'homme du métier. Sur les figures 3 à 5, on a représenté en détails l'extrémité de la patte 20, 25 appelée pied et référencée 34. Ce pied 34 comprend une zone 36 de support susceptible d'être en contact avec le sol (référencé 38) et un capteur 40 permettant d'identifier l'instant du contact du pied avec le sol 38. La zone de support permet la reprise des efforts lorsque le pied est en contact avec le sol. Selon une caractéristique importante de l'invention, la zone 36 de support et le capteur 40 sont disjoints. Contrairement à l'art antérieur, le capteur 40 n'assure pas la reprise des efforts générés par l'appui du pied au sol. Ainsi, ce capteur peut être de différentes natures et technologies. La zone 36 de support comprend une surface 42 d'appui sensiblement plane, entourant de préférence le capteur 40. Cette configuration permet d'obtenir une surface de contact importante, de type surfacique et non de type ponctuelle comme pour l'art antérieur, ce qui permet de renforcer l'adhérence du pied avec le sol lors du mouvement de marche, rendant le dispositif compatible avec la majorité des revêtements de sol. De préférence, pour améliorer l'adhérence, on peut prévoir des aspérités ou un revêtement spécifique au niveau de ladite surface de contact. Selon une caractéristique importante de l'invention, le pied 34 comprend une zone de déformation 44 entre la zone de liaison entre le pied et le reste de la patte et la zone 36 de support. Cette zone de déformation 44 confère au pied une certaine souplesse et permet de manière simple de faire reposer la quasi intégralité de la surface de contact 42 même si la patte n'est pas correctement orientée. Par zone de déformation, on entend une articulation qui permet des mouvements de rotation qui ne sont pas motorisés mais qui sont libres. Avantageusement, cette zone de déformation est obtenue grâce à la nature de la matière et/ou aux formes géométriques. Ainsi, selon un mode de réalisation, le pied peut comprendre au niveau de la zone de déformation une partie en matériau élastique susceptible de se déformer, par exemple un plot en caoutchouc ou en mousse. Selon un autre mode de réalisation, le pied peut être réalisé au moins en partie avec un matériau élastique et comprendre au niveau de la zone de déformation 44 des formes géométriques, notamment des épaisseurs plus faibles, par exemple une forme en soufflet, autorisant la matière à se déformer. Selon un autre mode de réalisation, le pied peut être réalisé en deux parties, la zone de jonction entre les deux parties correspondant à la zone de déformation 44, un ressort étant intercalé entre les deux parties et autorisant un mouvement relatif entre les deux parties du pied. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation mais couvre également les équivalents techniques. Selon l'exemple illustré, le pied 34 comprend un corps 46 avec en partie inférieure une première partie 48, de préférence sous forme cubique, et en partie supérieure une seconde partie 50, les deux parties 48 et 50 étant reliées par une zone de déformation 44 sous forme de soufflets. En variante, un ressort peut être intégré au niveau des soufflets. La seconde partie 50 peut comprendre au niveau de sa face supérieure des moyens de liaison avec le reste de la patte. En variante, comme illustré sur les figures 3 à 5, un élément de liaison 52 en forme de U peut être intercalé entre le corps 46 et le reste de la patte de manière à, par exemple, obtenir un mouvement de rotation selon l'axe Y aux niveaux des extrémités supérieures des branches du U. La surface inférieure de la première partie 48 orientée vers le sol peut constituer la surface d'appui. En variante ,comme illustré sur les figures 3 à 5, le pied 34 comprend une jupe 54 solidaire de la première partie 48, de forme évasée vers le sol, et dont la surface inférieure constitue la surface d'appui du pied. Cette configuration permet d'augmenter la périphérie de la surface d'appui, ce qui confère une meilleure stabilité et une meilleure adhérence au sol. Avantageusement, la surface inférieure de la jupe 54 orientée vers le sol a une forme allongée selon la direction longitudinale. La première partie 48 comprend également un logement 56 débouchant au niveau de la surface orientée vers le sol dans lequel peut être disposé le capteur 40. Selon le mode de réalisation illustré par les figures 3 à 5, le capteur 40 se présente sous la forme d'un contacteur à poussoir et comprend une partie fixe 58 creuse et solidaire de la première parie 48 et une partie mobile 59 susceptible de se translater, par rapport à la partie fixe 58, selon une direction parallèle à l'axe Z, vers le haut à l'encontre de moyens de rappels. Ainsi, lorsque le pied n'est pas en contact avec le sol, la partie mobile 59 est dans une position de repos et vient partiellement en saillie par rapport à la surface de contact du pied. Lorsque le pied repose au sol, la partie mobile 59 se translate par rapport à la partie fixe 58. Des moyens de détection, par exemple des contacts électriques, sont prévus pour permettre de détecter ce mouvement relatif entre la partie mobile et la partie fixe, et plus particulièrement de détecter lorsque ledit mouvement dépasse un certain seuil prédéterminé. Ces moyens de détection renseignent par tous moyens appropriés notamment grâce à des fils électriques les moyens de contrôle-commande. L'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation, notamment en ce qui 20 concerne les moyens de détection ainsi que le capteur 40. Concernant la partie programmation, le robot comprend un protocole de programmation particulier. Le fondement de la programmation est une architecture orientée services, chaque fonction étant encapsulée dans un service (ou sous-programme) autonome 25 fonctionnellement. Les services communiquent entre eux par transmission de messages de différents types. Chaque service comprend un contrat définissant les types de message qu'il peut recevoir, le format des données d'entrée et le format des données de sortie qui sont le résultat du traitement des données d'entrée par la fonction ou l'algorithme implémenté dans le service. La programmation du dispositif robotisé revient ainsi à définir une architecture de commande dont un exemple est illustré en figure 6, qui définit les services qui doivent être exécutés ainsi que les contrats et messages qui définissent les relations entre les services. Selon une caractéristique de l'invention, les services 60 sont divisés en deux catégories appelées par la suite couches, comme illustré sur la figure 6 une première couche 62 correspondant aux services relatifs à l'interfaçage avec les périphériques matériels, tels que les capteurs et les actionneurs, et une seconde couche 64 correspondant aux services de traitement algorithmiques et de robotique. Certains services de la seconde couche 64 ont une fonction spécifique visant à assurer la sécurité de l'application robotique et/ou la gestion dynamique de l'architecture en permettant entre autre de surveiller le bon fonctionnement des services en temps-réel et de permettre d'éventuelles modifications dynamiques de l'architecture de commande. Cette architecture orientée services permet de constituer une bibliothèque de services génériques qui peuvent être utilisés sur plusieurs robots et pour plusieurs applications. Cette configuration permet de rendre la programmation générique, réutilisable et simple. Cette bibliothèque comprend une première famille de services correspondant à l'interfaçage avec le matériel, notamment avec les capteurs ou les actionneurs, une seconde famille de services de traitements d'algorithmes déterminant le comportement du dispositif robotisé ainsi que la définition de contrats génériques permettant de standardiser les échanges entre les services de même type : tous les services rendant une fonction identique doivent publier le même contrat générique. L'utilisation de contrats génériques permet d'interchanger très facilement soit les services matériels et donc de remplacer aisément un capteur par un autre, soit les services algorithmiques pour s'adapter aux besoins des applications découlant des tâches affectées au dispositif robotisé. Un autre avantage découlant de l'invention réside dans la capacité d'exécuter l'architecture de commande indifféremment sur un robot réel ou de manière virtuelle lors d'une simulation dynamique et graphique qui reproduit fidèlement le comportement du robot réel. Selon l'invention, l'architecture de commande comprend un ensemble de matériels (notamment les capteurs et les actionneurs) et d'algorithmes assurant des fonctions identifiées et qui communiquent entre eux via des contrats génériques. Ainsi, même si les caractéristiques techniques et les technologies d'un type de matériel ou d'algorithmes sont différentes, les contrats génériques permettant de les faire communiquer sont identiques. Selon une caractéristique de l'invention, l'architecture de commande comprend un service appelé beviceManager qui permet de lancer l'application en deux phases. Ainsi, ce service lance les services de la première couche 62, notamment en vérifiant leur état de fonctionnement, puis les services de la seconde couche 64. En entrée, ce service reçoit un contrat générique qui comprend la liste des services qui doivent être utilisés et l'ordre de lancement. Concernant la gestion des déplacements, le dispositif robotisé dispose de cinq modes de fonctionnement - le mode télé-opéré selon lequel il est possible de le piloter à distance à partir des données transmises par les capteurs, - le mode recopie de trajectoires pré-enregistrées selon lequel il est possible d'apprendre au dispositif robotisé les déplacements pour qu'il les répète par la suite, - le mode supervisé selon lequel on coordonne les déplacements d'une flotte de dispositifs robotisés en temps réel, - le mode explorateur selon lequel le dispositif robotisé génère automatiquement des mouvements afin d'explorer son environnement, d'en créer une carte, ou de se rendre à une destination quelconque, et - le mode programmé selon lequel l'utilisateur télécharge des nouveaux services et/ou une nouvelle architecture de commande pour donner au dispositif robotisé un comportement spécifique. Pour mieux préciser l'invention, l'architecture de commande d'une fonctionnalité 10 de marche commune aux modes précédents est détaillée au regard de la figure 7. La seconde couche comprend trois types de services - un service RobudogHMl d'interface graphique qui récupère les informations des capteurs, les affiche et permet d'envoyer des ordres de déplacement au contrat générique DifferentialDrive du service 15 RobubOG, - un service RobubOG qui publie un contrat générique bifferentialbrive . Ce contrat déclenche le mouvement de marche adapté, chaque mouvement comprenant des séquences de déplacement des pattes. Chaque séquence est elle-même transmise au moment adapté au service RobuLegMouvement 20 de la patte correspondante, chaque patte disposant d'un service RobuLegMouvement propre, - des services RobuLegMouvement qui spécifient les positions des axes des pattes permettant de réaliser lesdites séquences. La première couche comprend quatre types de services : 25 - pour chaque patte, un service RobubogLeg qui publie le contrat générique SerialManipulator recevant du service RobuLegMouvement les consignes de position des axes et transmettant des ordres d'exécution au service bynamixel, - un service bynamixel qui collecte tous les ordres d'exécution provenant des différentes pattes, les synchronise et les transmet sur le bus de commande des servomoteurs, - un service RobubOGSensors qui publie un contrat générique robubOGSensors contenant les données des capteurs notamment des contacteurs des pattes, de l'inclinomètre et des capteurs infrarouges, - un service CMUCAM3 qui fournit des données prétraitées relatives à l'image captée par la caméra et publie éventuellement un contrat webcam contenant l'image. REVENDICATIONS 1. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède comprenant un corps (12), une tête (14) disposée à l'avant du corps (12) selon la direction longitudinale et quatre pattes (20) comportant chacune des articulations (22, 28) et à l'extrémité inférieure un pied (34), ledit pied comprenant une zone (36) de support susceptible d'être en contact avec le sol (38) et un capteur (40) permettant d'identifier l'instant du contact du pied avec le sol (38), caractérisé en ce que le pied (34) comprend une zone de déformation (44) entre la zone de liaison entre le pied (34) et le reste de la patte (20) et la zone (36) de support et en ce que, pour chaque pied, ladite zone (36) de support est disjointe dudit capteur (40) et comprend une surface (42) d'appui sensiblement plane. 2. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pied (34) comprend un corps (46) avec en partie inférieure une première partie (48) et en partie supérieure une seconde partie (50), les deux parties (48, 50) étant reliées par une zone de déformation (44) avec des formes géométriques, notamment des épaisseurs plus faibles en soufflet, autorisant la matière à se déformer. 3. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pied (34) comprend une jupe (54) solidaire de la première partie (48), de forme évasée vers le sol, et dont la surface inférieure constitue la surface d'appui du pied. 4. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le pied (34) comprend un capteur (40) sous la forme d'un contacteur à poussoir disposé dans un logement (56) prévu au niveau de la première partie (48) et débouchant au niveau de la face de ladite première partie (48) orientée vers le sol, ledit contacteur comprenant une partie (60)susceptible de venir en saillie par rapport à la surface (42) d'appui du pied, ladite partie (60) se déplaçant lorsque le pied vient en contact avec le sol. 5. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède selon l'une quelconque des revendications précédentes, au moins une patte (20) dudit dispositif comprenant d'une part une première articulation (22) correspondant à la hanche d'un animal intégrant deux liaisons de type pivot correspondant à une première rotation (24) d'axe parallèle une première direction (X) et une deuxième rotation (26) d'axe parallèle à une deuxième direction (Y), et d'autre part, une seconde articulation (28) correspondant au genou de l'animal intégrant une liaison de type pivot correspondant à une troisième rotation (30) d'axe parallèle à la deuxième direction (Y), caractérisé en ce qu'au moins une patte comprend une quatrième rotation (32) d'axe parallèle à une troisième direction (Z). 6. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède selon la revendication 5, caractérisé en ce que la quatrième rotation (32) est disposée au niveau de l'articulation (22) correspondant à la hanche de l'animal, intercalée entre le corps et la deuxième rotation (26) d'axe parallèle à la deuxième direction (Y). 7. Dispositif robotisé ayant l'aspect d'un quadrupède selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une queue (16) constituant une antenne ou servant de logement à une antenne.