CHAPITRE IV. LES ARTEFACTS ROBOTIQUES
1. Étude fonctionnelle de nouveaux artefacts robotiques
Dans ce paragraphe, nous procédons, à l’aide de la grille présentée au paragraphe « Grille de lec- ture des fonctions des robots de sol » du CHAPITRE III, à une lecture comparative des fonctions de quelques nouveaux robots de sol, effectuons une étude des apports de ces nouveaux robots et enfin envisageons les concepts pouvant être visés par des activités mettant en jeu ces robots de sol.
1.1. Les robots pédagogiques de sol : un buissonnement
Il existe parmi l’ensemble des robots commercialisés deux grandes familles de robot. Celle dont le déplacement est commandé ou télécommandé et celle dont le déplacement est programmé ; la première catégorie de robot est souvent désignée sous le vocable de robot jouet. Dans le cas d’un déplacement commandé ou télécommandé, la commande est saisie, adressée puis exécutée im- médiatement par le robot. Dans le cas d’un déplacement programmé, la ou les commandes de déplacement sont saisies pour constituer une séquence de pas désignée sous le nom de pro- gramme qui est alors chargé puis exécuté par le robot. Cette seconde catégorie est souvent dési- gnée sous le vocable de robot programmable, de robot éducatif ou encore de robot pédagogique. Doté d’une certaine autonomie, il prend en compte des paramètres de son environnement pour agir sur celui-ci. Un robot de cette catégorie est donc une machine dotée de capteurs lui permet- tant de percevoir son environnement, d’actionneurs lui permettant de se déplacer et d’agir sur cet environnement, et d’un programme contrôlant ce qu’il effectue en fonction de ce qu’il perçoit (Calmet et al., 2016). Une caractéristique fondamentale de ce type de robot est donc la rétroaction permanente entre la détection via ses capteurs et l’action via ses actionneurs.
Cette recherche s’attache à étudier cette dernière catégorie de robot qui met en jeu des questions de programmation. Nous avons sélectionné, dans cette catégorie, quelques nouveaux robots pé- dagogiques de sol, parmi lesquels Bee-Bot, Blue-Bot, Thymio, ProBot, OzoBot, Sphero et mBot. Cette sélection est elle-même issue d’une sélection proposée par l’INRIA et présentée sur le site Pixees69. Les fonctionnalités de ces robots sont étudiées et comparées. Les prix qui sont indiqués
ont été relevés en décembre 2016.
69 Page consultée à l’adresse https://pixees.fr/ces-mini-robots-qui-aident-a-comprendre-le-numerique/
Détection (capteurs)
Action (actionneurs Programme
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1.2. Présentation de nouveaux robots pédagogiques de sol
a) Bee-Bot
Bee-Bot est un robot de sol distribué par la société TTS70. Assez bon marché, il est proposé à un
prix un peu inférieur à 100 €.
Plusieurs accessoires complémentaires sont commercialisés, tels des coques permettant de per- sonnaliser Bee-Bot, des surfaces souples permettant de faire évoluer le robot, des stations de re- charge électrique pouvant accueillir jusqu’à six robots simultanément.
• Aspect extérieur : forme, taille, matière, couleur
Le robot Bee-Bot se présente comme un objet de construction assez robuste. Sa coque de forme demi-sphérique en plastique jaune est recouverte de trois bandes noires qui lui donne l’aspect d’une abeille. Deux grands yeux proéminents placés sur l’avant de ce robot définissent son orien- tation.
Ses dimensions sont de treize centimètres en longueur, dix en largeur et sept en hauteur. Il pèse environ 300 grammes. Ses caractéristiques physiques permettent à ce robot d’être adapté à une manipulation par de jeunes enfants. Il est présenté par ses concepteurs comme un robot destiné à l’apprentissage de l’algorithmie, du repérage spatial et de la résolution de problèmes.
• Rapport au monde : alimentation, lumière, son, capteurs, roue, pupitre de commande, trace
Deux micros interrupteurs placés sous le châssis permettent pour l’un de mettre en ou hors ten- sion le robot Bee-Bot, pour l’autre d’activer ou de désactiver le son du robot. Bee-Bot possède une batterie rechargeable intégrée de 500mAH qui, d’après la notice, assure un fonctionnement de huit heures. La prise USB de recharge de la batterie se trouve sous le châssis.
Il est doté de deux moteurs pouvant agir indépendamment l’un de l’autre. Lors d’un déplacement, avant ou arrière (une translation), les deux roues tournent dans le même sens. Lors d’une com- mande de pivotement, vers la gauche ou la droite, les roues tournent en sens opposé l’une par rapport à l’autre et provoque le pivotement de Bee-Bot pivote sur lui-même selon un axe placé à équidistance de ses deux roues (Grugier & Villemonteix, 2017).
La translation se fait selon un pas de quinze centimètres, le pivotement selon un angle de 90°. La vitesse de déplacement est de l’ordre de 65 millimètres par seconde, elle est fonction du niveau de charge de la batterie.
Le pupitre de commande est doté de sept touches de différentes couleurs. Quatre touches de couleur orange agissent sur le déplacement (EN AVANT ↑ , EN ARRIÈRE ↓) ou sur le changement de direction (TOURNE À GAUCHE 90° ← , TOURNE À DROITE 90° →). Dans la notice anglaise71, ces
70Présentation de Bee-Bot à l’adresse : http://www.tts-group.co.uk/bee-bot-rechargeable-floor-robot/1001794.html
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deux dernières flèches sont nommées : « 90° Left turn » et « 90° Right turn ». Dans la version fran- çaise du guide72, elles sont nommées : « Virage à gauche de 90° » et « Virage à droite de 90° ».
Trous autres touches compètent le pupitre (touche verte GO, touche bleue X , touche bleue ‖ ). Sur le modèle de la génération précédente de Bee-Bot, ces deux dernières touches portaient la sérigraphie clear et pause. La disparition de ces libellés laisse supposer que le public de ce robot se rapprocherait de celui de jeunes enfants en âge de découverte de la lecture. La notice précise que ce robot est idéal pour les enfants âgés de 4 à 9 ans.
Bee-Bot est doté de LEDs et d’un buzzer lui permettant d’émettre des signaux lumineux ou so- nores.
• Programmation du déplacement : clavier, syntaxe, programmation par ordinateur, con- trôle syntaxique, rétroaction
Les touches présentes sur le dessus du robot s’organisent en trois catégories de touches ayant une action sur la mémoire (écrire, exécuter, effacer), mais qui ne sont pas catégorisées de cette façon par la couleur de leurs touches.
La première catégorie est constituée des touches permettant d’écrire un pas dans le programme. Il s’agit des touches de translation ( ↑ , ↓ ), de pivotement ( ← , → ) et de pause ‖ . Cette dernière touche permet d’insérer une suspension du déplacement d’une durée d’une seconde en- viron entre deux instructions. D’un point de vue informatique l’appui sur cette touche correspond à l’insertion d’un pas de programme sans instruction, de type NOP (No OPeration). Ces cinq touches correspondent à une commande d’écriture en mémoire d’un pas de programme caracté- risant le déplacement (↑ , ↓ , ← , → ‖ ).
L’écriture de ces pas de programme s’effectue séquentiellement, c’est-à-dire que, tant que la mé- moire n’est pas effacée, tout nouveau pas vient s’écrire à la suite des pas du programme déjà présent en mémoire. Chaque commande saisie étant indépendante de la précédente, la saisie ne bénéficie d’aucun contrôle syntaxique. Quarante pas de programme au total peuvent être stockés dans la mémoire de ce robot.
La seconde catégorie est constituée de la touche GO qui permet d’exécuter le programme présent en mémoire. Bee-Bot exécute le programme selon l’ordre de la saisie des pas, du premier jusqu’au dernier. L’exécution de chaque pas de programme tout comme l’exécution du programme dans son ensemble est confirmée par le clignotement de LED et l’émission d’une tonalité particulière. La dernière catégorie est constituée de la touche X qui permet d’effacer le programme dans son intégralité.
Il n’existe donc pas de touche permettant de consulter ou modifier le contenu de la mémoire. Bee- Bot ne peut fournir de réponse aux éventuelles questions comme, « ai-je bien appuyé sur la touche ↑ ? Où en suis-je dans la saisie du programme ? ».
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L’appui sur chaque touche est confirmé par un bref clignotement de LED et par l’émission d’une tonalité.
• Activités et objectifs visées tels que présentés sur les sites commerciaux
Les sites marchands qui commercialisent ce robot désignent le public (maternelle et primaire) et les domaines d’apprentissage visés (mathématiques, géographie, orthographe, vocabulaire). Ces domaines sont induits par la nature du support utilisé pour guider le déplacement. Bee-Bot per- mettrait aux élèves de « développer leur capacité à se repérer dans l'espace » et « d'imaginer le meilleur trajet pour Bee-Bot ». Bee-Bot impose aussi aux élèves « d’apprendre à ordonner l’infor- mation qu’ils doivent lui transmettre ». Elle serait « bornée » et ainsi exigerait « des instructions précises pour se mouvoir selon leur volonté ».
b) Blue-Bot
Blue-Bot se présente comme une évolution au Bee-Bot dont il reprend les principales caractéris- tiques. Son prix est supérieur d’une trentaine d’euros à celui de Bee-Bot.
• Aspect extérieur : forme, taille matière, couleur
Il se distingue de Bee-Bot par sa coque non pas jaune, mais transparente. Les composants internes de ce robot (circuit imprimé, batterie, buzzer, etc.) deviennent ainsi visibles.
• Rapport au monde : alimentation, lumière, son, capteurs, roue, pupitre de commande, trace
Il se distingue aussi de Bee-Bot par la présence d’un port de communication radio, Bluetooth, qui lui permet de recevoir des instructions par radio. Il peut ainsi être commandé à distance et être téléchargé d’un programme qui aura été au préalable compilé.
• Programmation du déplacement : clavier, syntaxe, programmation par ordinateur, con- trôle syntaxique, rétroaction
Sa capacité mémoire est un peu plus importante que celle de Bee-Bot puisqu’elle peut stocker jusqu’à 200 pas de programme.
Une application pour équipement mobile, basée sur les systèmes IOS et Android, est disponible et permet de simuler un programme de déplacement puis de le télécharger vers Blue-Bot. Le pivote- ment à 45° est possible grâce à cette application.
Deux modes sont disponibles, le mode « explorer » et le mode « challenge »
En mode « explorer », quatre options de programmation différente sont possibles :
- Pas à pas : Selon cette option, le robot virtuel exécute les instructions au fur et à mesure de leur saisie. Le programme entièrement saisi est compilé pour être exécuté par Blue-Bot. Son contenu ne peut pas être modifié.
- Programmation de base : Selon cette option, le robot virtuel exécute le programme une fois toutes les instructions saisies. Chacune des instructions du programme peut être modifié ou supprimé.
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- Répétition : Cette option permet de réitérer l’exécution d’une instruction en programma- tion de base.
- Pivotement de 45° : Cette option se fonde sur l’option « Répétition » et permet de faire pivoter Blue-Bot au choix d’un angle de 90° ou 45°.
En mode « challenge », il est possible de proposer des défis comme, programmer le déplacement de la Blue-Bot d’un point à un autre en prenant ou non en compte la présence d’obstacles sur la carte de déplacement qui s’affiche, programmer le déplacement de la Blue-Bot à l’aide d’un nombre réduit de commandes de déplacement, ou encore prédire le point d’arrivée à la seule lecture du code du programme.
• Activités et objectifs visées tels que présentés sur les sites commerciaux
Les sites marchands qui commercialisent ce robot précisent que Blue-bot peut, à la différence de Bee-Bot, effectuer « des virages à 45 ° ». Il est possible d'intégrer des répétions dans l'algorithme de programmation. Sa coque est transparente, pour que les enfants puissent découvrir les circuits de Blue-Bot et ses différents éléments électroniques.
c) PROBOT
Probot est souvent présenté comme « le grand-frère » de Bee-Bot. Il fonctionne sur le même prin- cipe que le Bee-Bot tout en disposant de fonctions supplémentaires et est distribué par la même société TTS73. Il est proposé à un prix proche de 140€.
Plusieurs accessoires complémentaires sont commercialisés, tels des tapis de sol quadrillés, une station de recharge électrique pouvant accueillir jusqu’à six robots simultanément.
• Aspect extérieur : forme, taille, matière, couleur
Il se présente comme un objet de construction robuste, en plastique jaune sérigraphié et adoptant la silhouette d’une petite voiture de course. Ses dimensions sont de deux-cent-soixante milli- mètres en longueur et cent-soixante-dix millimètres en largeur. Il pèse un peu moins de 600 grammes.
• Rapport au monde : alimentation, lumière, son, capteurs, roue, système de commande, trace
ProBot possède une batterie rechargeable amovible constituée de trois piles de type AA. Cette batterie peut être rechargée par câble USB ou remplacée.
Ce robot est doté de deux moteurs à vitesse variable. Lors d’un déplacement, en avant ou en ar- rière, ces deux moteurs font tourner les deux roues dans le même sens. Lors d’un pivotement, les roues tournent en sens opposé.
Son pupitre de commande se compose de deux parties. La première partie est constituée de sept touches identiques aux touches du Bee-Bot. La seconde partie, complète la première avec seize touches supplémentaires : début de répétition [ fin de répétition ] , touches numériques 0 à 9
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, procédure proc , accès aux fonctions du système par la touche menu, touches de défilement du menu ↑ ↓.
Son écran comporte seize lignes d’affichage.
Il dispose également de quatre capteurs programmables (contact avant, contact arrière, son, lu- mière) et d’un buzzer.
Il est équipé d’un support central qui permet d’accueillir un crayon pouvant laisser une trace du déplacement. Une attache arrière lui permet aussi de tracter une remorque.
• Programmation du déplacement : clavier, syntaxe, programmation par ordinateur, con- trôle syntaxique, rétroaction
Le déplacement du robot se programme à l’aide des touches de clavier semblable à celles du cla- vier de type Bee-Bot, sous la forme d’un nombre de pas de vingt-cinq centimètres ou avec les touches complémentaires en définissant une longueur de pas en centimètres.
La fonction de rétroaction de saisie du programme est assurée par l’émission d’un signal sonore. Le pivotement se programme à l’aide de ces mêmes touches, sous la forme d’une rotation corres- pondant à un quart de tour, ou avec les touches complémentaires en définissant une valeur d’angle en degré.
La partie numérique du clavier permet une programmation en Logo. Un nombre de pas peut être saisi et la répétition de séquence et de procédure est possible. Les procédures se distinguent les unes aux autres par leur numéro compris entre 0 et 40. La procédure ayant pour numéro 0 corres- pond au programme principal, les procédures 1 à 32 sont disponibles pour la programmation, les procédures 33 à 40 sont prédéfinies.
Quinze des seize lignes de l’écran permettent l’affichage des instructions du programme. Ces ins- tructions peuvent être modifiées par le clavier.
La capacité mémoire du robot est de 128 pas de programme.
En fin d’exécution du programme, une tonalité particulière est émise, assurant la rétroaction de l’exécution.
• Activités et objectifs visées tels que présentés sur les sites commerciaux
Les sites marchands qui commercialisent ce robot mettent en avant un vaste domaine d’appren- tissage scolaire (mesure de longueur, mesure d’angle, construction géométrique et repérage spa- tiale) pouvant être travaillé dans le cadre d’activités s’appuyant sur Probot. Probot est, en effet, présenté comme un outil permettant aux élèves d’effectuer des mesures, de réaliser diverses formes géométriques, d’atteindre diverses coordonnées de diverses unités. Les notions de pro- grammation sont souvent éclipsées au profit des apprentissages plus scolaires.
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d) Thymio II
Thymio II, que nous nommerons Thymio dans la suite de cette recherche, est un robot éducatif de sol et qui a été développé74 en collaboration par l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
et l'École Cantonale d'Art de Lausanne (ECAL). Il constitue une évolution d’une version prototy- pique de Thymio présentée à l’occasion du Festival de Robotique 2008 organisé dans les locaux de l’EPFL75. Il est commercialisé à un prix proche des 100€.
• Aspect extérieur : forme, taille, matière, couleur
Ce robot se présente comme un objet de construction robuste, en plastique blanc translucide. Ses dimensions sont de onze centimètres en longueur, onze centimètres en largeur et cinq centimètres en hauteur. Il pèse environ 260 grammes. L’autonomie annoncée est de deux heures.
Il possède une face avant arrondie et une face arrière plane, permettant de définir une orientation. • Rapport au monde : alimentation, lumière, son, capteurs, roue, pupitre de commande,
trace
Thymio possède une batterie rechargeable intégrée de 1 500 mAh qui, d’après la notice, garantit trois à cinq heures de fonctionnement. La prise USB de recharge de la batterie se trouve sous le Thymio. Il est aussi doté d’un lecteur de carte dans lequel peut être insérée une carte mémoire. Il est doté de deux moteurs à vitesse variable. Lors d’un déplacement, en avant ou en arrière, ces deux moteurs font tourner les deux roues dans le même sens. Lors d’un pivotement, les roues tournent en sens opposé. La vitesse maximale de déplacement est de 14 centimètres/seconde. Thymio possède de nombreux capteurs (un microphone, un récepteur de télécommande infra- rouge, un capteur de température, cinq capteurs de proximité placés à l’avant, deux capteurs de proximité placés à l’arrière, deux capteurs de proximité placés sous le châssis, un accéléromètre trois axes).
Les différents capteurs de proximité lui permettent de détecter la présence d’obstacles proches ; les capteurs dirigés vers le sol permettent, par exemple, la détection d’un bord de table ou d’une ligne matérialisant un trajet à suivre ; les accéléromètres permettent de mesurer l’inclinaison du robot et de détecter l’intensité des chocs éventuels ; le microphone permet de mesurer le niveau des sons qui peuvent par ailleurs être enregistrés sur carte mémoire ; un capteur de température permet, enfin, de relever la température.
Son pupitre de commande est composé de cinq touches capacitives dont quatre touches, de forme triangulaire, organisées autour d’une touche en forme de disque central.
Son support central lui permet d’accueillir un crayon et un crochet à l’arrière pour tracter une remorque. Les fixations mécaniques présentes sur la carrosserie sont compatibles avec les briques de type Lego.
74 Présentation du projet Mobsya à cette page : http://www.mobsya.org/fr/mobsya
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Il possède aussi un haut-parleur et trente-neuf LEDs dont deux LEDs RGB qui lui permettent de signaler des informations.
• Programmation du déplacement : clavier, syntaxe, programmation par ordinateur, con- trôle syntaxique, rétroaction
Thymio peut être étudié selon deux modalités, une première qui est dite modalité de comporte- ment et une seconde qui est dite modalité de programmation.
En modalité de comportement, Thymio est préprogrammé pour réagir de manière particulière et prédéfinie à la survenue de différents évènements, prédestinant ce robot à être considéré comme une plateforme d’étude du fonctionnement d’un système constitué d’un robot associé à un logi- ciel.
Le choix du comportement, parmi les six possibles, s’opère par appui sur les touches capacitives du robot. La rétroaction de saisie et d’exécution est assurée par l’émission d’une courte tonalité ou par l’allumage d’une rangée de LEDs. Des signaux visuels confirment que les capteurs ont été sollicités.
Le guide utilisateur parle de « palette de comportements » qui sont fonction de la situation dans laquelle le robot se trouve. Ces différents comportements, aussi dénommés modes sont identifiés