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Système sensoriel et perception du robot Psikharpax

Dossier - Psikharpax, le robot-rat intelligent
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Le Projet Psikharpax s'inclut dans une optique d'utilisation des robots pour nous aider à mieux comprendre le vivant. Ce robot-rat intègre les dernières technologies de la robotique.

  
DossiersPsikharpax, le robot-rat intelligent
 

Le robot Psikharpax est doté de nombreux systèmes sensoriels qui lui permettent de percevoir ce qui l'entoure et de se construire une représentation interne de son environnement : vision binoculaire, audition, vibrisses (ce qu'on appelle communément les moustaches), odométrie (une estimation de ses propres déplacements), système inertiel (qui lui permet de connaître la position de son corps dans l'espace et de savoir lorsqu'il perd l'équilibre).

Ici, l'on voit bien les vibrisses du rat. © Wolfgang Vogt, Pixabay, DP

Psikharpax possède de nombreux systèmes sensoriels pour appréhender son environnement.

Les systèmes sensoriels de Psikharpax. © ISIR/N'Guyen Steve

Certains de ces senseurscomme les vibrisses, sont encore rares chez un robot, et sont donc intéressants à étudier pour en analyser le potentiel complémentaire aux capteurs courants en robotique.

On voit ici comment le robot-rat utilise ses vibrisses pour naviguer. © Mehdi Khamassi/YouTube

Le problème de la fusion d’informations multisensorielles

Par ailleurs, l'utilisation de capteurs relevant de modalités sensorielles différentes (vision, audition, toucher) pose un défi qui est commun à la biologie et à la robotique : le problème de la fusion d'informations multisensorielles. Comment fait-on pour comparer, mettre en commun, combiner des informations mesurées dans des espaces totalement différents ? Comment donner plus d'importance aux unes ou aux autres, par exemple lorsque le toucher donne des informations qui ne correspondent pas à ce qui a été vu ?

Système de vision du robot : détection bio-inspirée de mouvements, de couleurs et de contours. © Steve N’Guyen et al., 2008/Brain Vision Systems

Le principe biomimétique qui suppose une similitude des traitements qui sont effectués par les différents senseurs est novateur. Il a été concrétisé par un mécanisme mis au point par la société Brain Vision systems et fonctionne sur une carte électronique à l'intérieur du robot. Il applique le même type de transformation spatiotemporelle aux informations mesurées par les capteurs visuels (caméras), auditifs, et tactiles (vibrisses). Au fond, dans tous les cas il s'agit de distinguer les objets, de distinguer les sons, de mettre l'accent sur les contrastes entre couleurs, entre surfaces, entre fréquences, et de mesurer la dynamique temporelle des signaux perçus.

Système de vision du robot : détection bio-inspirée de mouvements, de couleurs et de contours. © Steve N’Guyen et al., 2008/CNRS Photothèque/ISIR/Rajau Benoît

L'audition de Psikharpax

La perception auditive du robot est réalisée par deux capteurs (micros) situés dans les « oreilles » du robot, avec chacun un pavillon permettant de réverbérer correctement le son. Le fait d'avoir deux capteurs auditifs, permettant une écoute binaurale comme chez le rat, est d'un grand intérêt puisqu'elle permet au robot de localiser finement d'où provient le son qu'il entend. En effet, la localisation de sources sonores repose principalement sur l'estimation des différences de temps de propagation entre la source et les deux capteurs auditifs placés à des positions différentes sur la tête du robot. Cela permet au robot de mesurer les différences d'intensité (Interaural Intensity Difference, IID) et de phase (Interaural Phase Difference, IPD) captées par ses deux oreilles et ainsi d'en déduire le plus précisément possible d'où provient le son.

Audition : localisation du son, réflexe vestibulo-auditif, phonotaxie. © Mathieu Bernard et al., 2010/ISIR/Bernard Mathieu

Appréhension de l'environnement : les vibrisses

Les vibrisses ou moustaches du robot sont organisées, de chaque côté de la tête, selon une matrice identique à celle du rat. Il y a au total 33 vibrisses de chaque côté, des courtes et des plus longues qui permettent, soit de reconnaître les détails des objets que le robot touche de près, soit de détecter des obstacles latéraux perçus par le robot pendant ses déplacements.

Les vibrisses du robot Psikharpax sont organisées comme celles du rat et permettent la reconnaissance de textures, la reconnaissance de formes, et le suivi de murs. © N’Guyen et al., 2009-2010/ISIR/N'Guyen Steve

Pendant le déplacement, les vibrisses permettent d'appréhender et d'éviter les obstacles, de longer les murs sans se cogner lorsque les couloirs et galeries sont étroits, de reconnaître les textures des murs et des objets, et ainsi de mieux se localiser. Par exemple, comme chez le rat, le robot mémorise que les murs du couloir qui mène à sa « réserve de nourriture » sont rugueux, tandis que les murs du couloir qui mène vers une « zone de danger » sont lisses. Toucher l'un de ces murs avec ses vibrisses peut aider le robot à reconnaître dans quel couloir il se situe, et ainsi adapter son comportement pour retrouver de la nourriture tout en évitant les dangers.

Cependant, en plus de traiter correctement chaque modalité sensorielle, savoir comment intégrer les informations issues de tous ces traitements est, comme on l'a évoqué plus haut, un problème non encore totalement résolu. Là encore, l'inspiration d'une partie du cerveau du rat regroupant ce que l'on appelle le colliculus supérieur et les ganglions de la base a pu contribuer à faire avancer les connaissances dans ce domaine. En effet il est avéré que ces noyaux sous-corticaux, contenant des centaines de milliers de neurones, fusionnent l'information de différentes modalités sensorielles et leur donnent à chacune un ordre de priorité pour déterminer lesquelles vont le plus influencer le comportement. Leur modélisation pourrait donc, par exemple, aider le robot à décider dans quelle direction il doit orienter sa tête pour focaliser son attention, soit vers le son perçu, soit vers l'objet vu, tout en évitant la paroi lisse de la zone de danger.