Préface

C’est une époque passionnante pour s’engager dans la robotique !

Au cours des deux dernières décennies, nous avons eu beaucoup de plaisir à construire et à programmer des robots fascinants et interactifs. La robotique devient omniprésente, et les robots sont de plus en plus en contact avec des humains ordinaires en dehors des laboratoires de recherche et des usines. Cependant, aussi passionnant que cela puisse être, la façon dont la robotique est enseignée dans les universités a peu évolué. Cela devient de plus en plus problématique car les ingénieurs formés traditionnellement sont appelés à développer des robots qui pourraient avoir un impact et des interactions avec la communauté au sens large.
Dans notre propre pratique, nous avons pris conscience de l’évolution de la nature multidisciplinaire de la robotique. Récemment, nous avons tous deux élaboré de nouveaux programmes de premier cycle en robotique. Bien qu’il existe plusieurs manuels exceptionnels qui traitent de diverses facettes de la robotique (les livres de sommités telles que Khatib, Siciliano, Thrun, Corke, Dudek nous viennent à l’esprit), nous n’arrivions pas à trouver un manuel d’introduction complet qui aborde certains éléments critiques de la robotique moderne qui sont généralement omis dans les programmes d’ingénierie traditionnels. Ainsi, l’impulsion initiale est venue presque par nécessité de développer un livre que nous pourrions utiliser dans nos cours et qui serait fidèle à nos formations multidisciplinaires.
Traditionnellement, la robotique est rattachée à l’une des disciplines fondamentales suivantes : le génie mécanique, le génie électrique et le génie informatique (qui ont leurs racines dans la physique). En fonction de l’alignement du département, le cours que vous suivrez aura une saveur qui accentuera l’alignement particulier, au point que parfois, même la terminologie sera différente (par ex. la terminologie sera différente, un robot peut être appelé un système cyber-physique !). Pour compliquer encore les choses, vous découvrirez bientôt que les roboticiens ne s’accordent peut-être pas sur une définition unique de ce qu’est un robot. Tout cela montre que la robotique est encore une discipline jeune et émergente (par rapport à ses racines fondatrices) et que nous devons collectivement développer et contribuer à son corpus de connaissances d’une manière inclusive et attentive afin d’embrasser ses frontières disciplinaires en constante expansion.
Le livre que vous tenez entre les mains est notre contribution à ce domaine. Nous pensons qu’un ouvrage de base en robotique doit être largement multidisciplinaire tout en étant fondé sur les principes fondamentaux essentiels à la compréhension des éléments de base de la robotique.
En développant ce livre, nous avons voulu l’aborder non seulement à partir de la conception d’un robot à partir des premiers principes fermement ancrés dans l’ingénierie, mais aussi du point de vue de l’élément humain, présent pendant le processus de conception et tout au long du parcours du robot après sa fabrication. Nous avons commencé par nous demander à quoi devrait ressembler un manuel de base moderne en robotique, en nous appuyant notamment sur notre expérience de travail dans les domaines de l’art robotique et de la recherche sur l’interaction homme-robot. Nous nous sommes naturellement rendu compte que ce livre nécessitait une collaboration au plus haut niveau avec des collègues de nombreuses disciplines. Ce que vous êtes sur le point de lire est un regard neuf sur la robotique, basé sur nos propres interactions avec des étudiants et des collègues, tempéré par le désir de présenter la robotique sous un jour plus humaniste.
Une deuxième intention a été de rendre le matériel pertinent à la pratique industrielle et accessible. Nous pensons que l’un des aspects uniques de l’ouvrage est constitué par les interviews d’experts du secteur qui parsèment le livre. Ils sont une source d’inspiration et donnent un aperçu de ce qui se passe dans la fabrication de vrais robots pour des applications commerciales réelles. Nous espérons que vous apprécierez les petites histoires personnelles partagées par divers experts du domaine. Nous sommes très reconnaissants d’être associés à Kinova dans ce domaine.
Nous sommes très reconnaissants d’être associés à Kinova dans ce domaine. L’équipe de Kinova a fourni des commentaires utiles tout au long de l’élaboration de l’ouvrage, ce qui a permis de façonner le contenu académique de l’ouvrage. Le lecteur peut être assuré que les concepts fondamentaux présentés ici ne seront pas perdus dans les réalités pratiques du travail dans le monde réel avec de vrais robots. Nous sommes également reconnaissants à Kinova d’avoir financé[1] le projet de publication de cet ouvrage sous forme de livre de en accès libre chez Springer. Compte tenu de l’augmentation constante du coût des manuels scolaires, nous espérons que l’accès gratuit à ce livre permettra à de nombreux aspirants roboticiens d’accéder sans entrave à des informations et à du matériel académique pertinent. La robotique moderne, c’est aussi l’esprit d’entreprise. Nous vous invitons à lire l’histoire inspirante de la fondation de Kinova, racontée par Charles Deguire, président et directeur général de Kinova, dans le premier chapitre. Nous espérons que ce livre fera jaillir en vous une étincelle d’esprit d’entreprise !
Le livre est divisé en trois parties principales.
Nous pensons que la conception de robots doit faire partie d’un écosystème influencé par la culture, la pensée contemporaine et les technologies auxiliaires du moment. Ainsi, la première partie, Conception contextuelle, rassemble une collection d’idées qui poseront la base contextuelle sur laquelle le reste du livre est construit. Cette partie commence par une perspective historique colorée mettant en lumière les débuts mythologiques de la robotique, ses tendances et l’importance de l’artisanat, des arts et de la création dans l’évolution de la robotique moderne.
Nous explorons ensuite l’évolution pédagogique parallèle de la robotique. Le deuxième chapitre met en lumière certains de ses faux pas et les approches que vous pouvez adopter pour apprendre et enseigner la robotique avec succès en tant qu’étudiant ou enseignant. Enfin, le chapitre sur la pensée conceptuelle fournit des indications sur les outils et les modes de pensée utiles pour résoudre les problèmes, qu’ils soient robotiques ou autres. Les trois derniers chapitres de cette partie constituent une introduction aux logiciels, au système ROS (Robot Operating System) et aux mathématiques, aux technologies auxiliaires sur lesquelles repose la robotique moderne.
La deuxième partie développe votre compréhension des domaines techniques fondamentaux : la conception embarquée. Nous commençons par une introduction aux capteurs, aux actionneurs et aux algorithmes, qui constituent les éléments de base d’un robot. Les huitième et neuvième chapitres développent les idées clés relatives aux robots mobiles, c’est-à-dire les robots qui peuvent se déplacer dans le monde (pensez aux voitures autonomes !). Le dixième chapitre est une plongée en profondeur dans les bras des robots qui leur permettent de manipuler l’environnement. Ensuite, nous explorons comment assembler un essaim de robots. Les concepts et les défis liés au déploiement de systèmes multi-robots sont abordés en détail. Enfin, la partie se termine par un chapitre qui tourne autour du prototypage et aborde le processus de conception intégrée. Des sujets tels que l’impression 3D et la conception assistée par ordinateur sont abordés en détail, ce qui vous permettra de comprendre comment combiner les connaissances théoriques avec les implémentations réelles de prototypes qui vous permettront de construire et de tester vos conceptions de robots.
Alors que la plupart des robots industriels sont encore destinés à être confinés dans des usines isolées où l’interaction humaine est minimale, un changement de paradigme se produit actuellement dans la façon dont nous interagissons avec les robots. De plus en plus, les robots sont conçus et déployés pour être interactifs et pour pouvoir travailler avec les humains. La partie consacrée au design d’interaction explore les implications et certains des nouveaux domaines techniques émergents qui sous-tendent cette révolution. Il ne suffit plus de tester vos robots pour leurs capacités techniques. Ils doivent maintenant être évalués pour leur capacité à travailler avec ou à côté des humains.
Le premier chapitre de cette partie vous fait découvrir le domaine émergent des interactions homme-robot d’un point de vue psychologique. Il vous fournit un guide complet sur le développement d’études d’utilisateurs pour tester vos hypothèses sur les robots interagissant avec les humains, à l’aide d’études de cas et d’outils statistiques utiles. La sécurité prend un sens élevé dans ce nouveau monde interactif. Le quatorzième chapitre aborde les normes de sécurité inernationales existantes et émergentes liées à divers types de robots et de déploiements de robots. Il fournit des approches et des outils pratiques pour déployer des robots en toute sécurité dans des environnements interactifs et collaboratifs.
Les robots et les techniques dont nous avons discuté dans la partie II reposent sur des modèles de monde et des contraintes clairement définis qui limitent leur utilisation à des environnements ou des cas d’utilisation relativement simples. Bien que ces techniques nous aient permis de déployer des robots avec succès dans une grande variété de tâches, nous commençons maintenant à voir leurs limites. Comme vous pouvez l’imaginer, le monde humain est
exrêement complexe. Ces modèles simplistes ne sont plus adaptés pour déployer des robots dans des environnements interactifs naturels centrés sur l’homme (pensez encore aux voitures autonomes !). Le chapitre sur l’apprentissage automatique aborde certaines des idées de pointe développées en robotique. Ces idées émergentes permettent aux robots de fonctionner dans des mondes plus complexes et de tenter des tâches compliquées (comme le font les humains) avec succès. Comme les robots commencent à interagir avec nous de manière aussi complexe, ils ne peuvent plus être traités comme de simples outils. D’une part, ils deviennent de plus en plus proches de l’homme et, d’autre part, ils imprègnent et remettent en question notre mode de vie. En tant que concepteur de robots, vous avez désormais la responsabilité fondamentale de réfléchir aux implications plus larges de la conception de votre robot. Le dernier chapitre sur l’éthique des robots est un guide systématique pour vous aider à naviguer dans le processus de conception des robots avec un cadre éthique.
Comme nous l’avons détaillé dans le deuxième chapitre, aucune quantité de travail théorique et d’instructions ne suffit à acquérir correctement les compétences nécessaires pour concevoir et déployer des robots avec succès. Une approche pratique, basée sur des projets, est une composante pédagogique essentielle de la robotique. C’est pourquoi le livre comprend deux projets complets qui reprennent la plupart des éléments théoriques abordés dans le livre. En outre, nous avons inclus le logiciel nécessaire et d’autres ressources nécessaires pour compléter ces projets sur le site Web d’accompagnement. Nous espérons que vous utiliserez ces ressources de manière optimale.
Nous nous sommes efforcés de faire en sorte que chaque chapitre soit relativement autonome, de sorte que si vous recherchez un sujet spécifique, il sera certainement traité dans son intégralité dans un seul chapitre.
Chaque chapitre comporte une section au début qui décrit les principaux objectifs d’apprentissage et un résumé à la fin. Cela devrait vous permettre d’identifier rapidement un sujet particulier que vous recherchez. Les parties et les chapitres sont présentés de manière à ce que vous puissiez également les lire consécutivement, en vous appuyant sur l’un et l’autre.
Quelle que soit la façon dont vous l’utiliserez, nous espérons que vous apprécierez ce livre et que vous serez inspiré par la nature véritablement interdisciplinaire de ce domaine.
Veuillez consulter le site Web d’accompagnement du livre pour les ressources d’enseignement et d’apprentissage, des mises à jour et des errata à l’adresse suivante : https://foundations-of-robotics.org
GitHub du livre : https://github.com/Foundations-of-Robotics

 

Canberra, Australia Damith Herath
Montréal, Canada David St-Onge
Janvier 2022

  1. Bien que Kinova Robotics ait généreusement financé ce projet, elle n'a jamais entravé l'indépendance académique des rédacteurs et des auteurs dans l'élaboration du livre.

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Fondements de la robotique Copyright © 2022 by Damith Herath et David St-Onge. Traduction de l’édition anglaise : Foundations of Robotics – A Multidisciplinary Approach with Python and ROS. Copyright © Dr. Damith Herath, Dr.David St-Onge 2022. is licensed under a License Creative Commons Attribution - Pas d’utilisation commerciale - Partage dans les mêmes conditions 4.0 International, except where otherwise noted.

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