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Cubli, le cube-robot qui ne tombe jamais

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Une équipe de chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Zurich a mis au point un cube robotisé tout à fait étonnant. Grâce à des roues de réaction, des capteurs et des algorithmes, il est capable de se mettre en mouvement sans intervention extérieure, mais aussi de tenir en équilibre sur l'un de ses coins.

Ce dessin CAD dévoile l’architecture du Cubli. En jaune, les trois roues de réaction disposées selon des axes perpendiculaires. En vert, les trois moteur brushless qui les font tourner. En bleu, les microcontrôleurs qui commandent les moteurs régulant la vitesse des roues. En rouge, les six centrales inertielles composées d’un accéléromètre et d’une boussole, qui servent à déterminer la vitesse angulaire et l’inclinaison du cube. © École polytechnique fédérale de Zurich, Institute for Dynamic Systems and Control

Les robots n'ont pas besoin d'être complexes pour réaliser des prouesses. Un simple cube robotisé peut réalisédes choses très impressionnantes. C'est le cas du Cubli mis au point par une équipe de l'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ). Il est équipé de trois roues de réaction animées par des minimoteurs sans balais, ou brushless, disposées sur des axes perpendiculaires, ce qui permet au cube de se déplacer dans n'importe quel sens.

Les roues de réaction sont couramment utilisées dans l'industrie aérospatiale pour les satellites, les sondes ou les télescopes. Cela leur permet de se stabiliser sans brûler de carburant. C'est sur ce principe que repose le Cubli, mais il a aussi deux spécificités inédites. Tout d'abord, sa taille réduite, avec seulement 15 cm de côté. Ensuite, lorsqu'il est au repos sur l'une de ses faces, le Cubli est capable de générer une impulsion pour se dresser sur une arête, puis sur l'un de ses coins, et cela sans aucune intervention extérieure.

Le fonctionnement du Cubli repose sur le contrôle de trois roues de réaction. En jouant sur leurs vitesses, le cube génère une impulsion pour se mouvoir. Le Cubli peut se maintenir en équilibre sur une arête ou sur un coin et maintenir sa position même si l’inclinaison du support sur lequel il est posé vient à changer. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur « YouTube » de manière à ouvrir la vidéo dans une nouvelle fenêtre du navigateur. Cliquez ensuite sur le rectangle blanc avec deux traits horizontaux en bas à droite de l'image, puis activez les sous-titres. Cliquez ensuite sur « anglais », puis sur « traduire les sous-titres», ce qui fait apparaître le menu du choix de la langue. Choisissez « français » puis « ok ». © École polytechnique fédérale de Zurich, Institute for Dynamic Systems and Control

Outre sa partie électromécanique, l'engin embarque de l'électronique avec des microcontrôleurs sur chaque moteur, six minicentrales inertielles comportant chacune un accéléromètre et une boussole, un processeur central ARM Cortex M4 et une batterie pour alimenter le tout. Les données des centrales inertielles sont fusionnées pour obtenir une estimation de la vitesse angulaire et de l'inclinaison du cube, ainsi que la vitesse angulaire de la roue de réaction. À partir de ces résultats, un contrôleur non linéaire met le Cubli en équilibre sur l'une de ses arêtes, puis sur l'un de ses coins, et le maintient en équilibre en conservant la vitesse angulaire des roues de réaction proche de zéro.

Le Cubli et les cubes modulables du MIT

Comment le système parvient-il à réaliser ces manœuvres de façon totalement autonome ? En jouant sur l'énergie cinétique. Le moteur électrique fait tourner la roue de réaction à très grande vitesse, puis freine d'un coup. Ce changement de vitesse fait tourner le cube dans le sens inverse de la rotation du moteur en conservant le mouvement cinétique. C'est en créant des ruptures de vitesse soudaines que le Cubli parvient à se déplacer. Les algorithmes élaborés par les chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Zurich jouent ici un rôle crucial. Ils permettent à leur cube de maintenir sa position en équilibre sans être affecté par des perturbations comme un changement d'inclinaison du support sur lequel il évolue. Encore plus impressionnant, le Cubli peut aussi tourner sur lui-même tout en se maintenant en équilibre sur un coin, ou se stabiliser sur l'une de ses tranches. Il est aussi en mesure de se déplacer en se retournant sur lui-même. Là encore, c'est l'énergie cinétique qui est exploitée pour produire le mouvement.

Ces travaux font penser à ceux d'une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui a présenté en octobre dernier un concept de cubes robotisés nommé M-Blocks. Ils sont capables de s'assembler (sans aucune pièce mobile externe) pour créer toute sorte de combinaisons de formes. À l'intérieur de chaque cube se trouve un volant d'inertie qui fonctionne à 20.000 tours par minute. Comme pour le Cubli, c'est en freinant brutalement le volant que le moment cinétique est transmis. Les faces des M-blocks sont équipées d'aimants grâce auxquels ils peuvent se coller les uns aux autres.

Cette avancée ouvre à la voie à des systèmes robotisés qui seront capables de se reconfigurer pour s'adapter à des conditions de terrain changeantes ou pour franchir certains obstacles. Les chercheurs du MIT imaginent que leurs cubes mobiles pourraient temporairement réparer des ponts ou des bâtiments en cas d'urgence, ou encore reconfigurer des échafaudages pour des projets de construction. Ils expérimentent actuellement un projet où 100 cubes devront s'identifier et s'assembler pour créer à la demande une chaise, une échelle ou une table. Alors que le MIT n'est pas à court d'idées, les chercheurs de l'EPFZ n'évoquent curieusement aucune piste quant aux usages dérivés du Cubli. « Pour nous, c'est juste un petit cube cool qui peut bondir, se balancer et se déplacer », disent-ils en conclusion de leur vidéo de présentation. Ils n'ont pas non plus répondu aux questions de Futura-Sciences quant au devenir de leur innovation.