phologies pour des robots modulaires réalistes
6.2.1
Description
Les robots sont conçus pour pouvoir accomplir différentes tâches, plus ou moins complexes, tels que la manipulation d’objets, l’évitement d’obstacles et la poursuite. Cependant, dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la locomotion. Cette dernière est l’une des tâches fondamentales de la robotique modulaire. Elle permet à un robot de se déplacer d’un point à un autre, peu importe sa morphologie ou
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
son environnement. En théorie, la locomotion est la base de toutes missions se déroulant dans des environnements isolés loin des ingénieurs spécialistes. Par ailleurs, les travaux de référence présentés dans la partie état de l’art, peu importe leurs objectifs, avaient tous généré des créatures et des robots qui pouvaient se déplacer. Nous pouvons citer à titre d’exemple, les travaux de Karl Sims [Sims, 1994b] et ceux de Nicolas Lassabe [Lassabe et al., 2007], qui ont récompensé les créatures qui parcourrait les plus grandes distances. Par conséquent, elles développaient des moyens créatifs de locomotion, entre autres, la nage, le saut et le rampement.
Les robots doivent se déplacer de manière réaliste dans les environnements de simulation. Nous distinguons deux aspects de réalisme ; l’aspect du comportement et l’aspect de la simulation. Premièrement, au niveau comportemental, les robots doivent effectuer des mouvements et des locomotions efficaces tels ceux des animaux. Par exemple, pouvoir soulever un membre articulé afin de réaliser un grand pas, ainsi faire de longues distances en un minimum de temps. Dans ce cas, la modularité est très importante, car elle permet une coopération et une synergie entre les différents modules. En outre, la représentation génétique des robots joue également un rôle crucial pour permettre de tels comportements. Le deuxième aspect concerne le réalisme des simulations et du rendu visuel. Les robots doivent répondre parfaitement aux lois de la physique newtonienne. En fait, cela a un lien direct avec la plate-forme de simulation utilisée. De plus, la conception de ces robots doit être proche de celle des robots physiques.
Cependant, la plupart des créatures proposées dans l’état de l’art ne sont pas autant réalistes que ça. Nous pouvons facilement distinguer des interpénétrations entre les modules lors des simulations. En outre, les simulateurs utilisés, par rapport à Gazebo, manquent de crédibilité. Cela engendre des différences comportementales entre la simulation et la réalité. Dans ce cas, les créatures ou les robots virtuels ne sont pas constructibles. Néanmoins, il convient de mentionner que l’objectif principal de ces travaux est l’étude de génération automatique de robots complexes et variés. Ils obtenaient alors des comportements intéressants au détriment du réalisme des simulations et de la conception mécanique.
Nous aspirons dans ce travail à améliorer les deux aspects du réalisme des robots. Pour cela, nous privilégions de suivre les travaux faits dans ce domaine et adopter les évolutions conjointes des morphologies et des comportements. Nous rappelons que la morphologie est le facteur majeur qui décide la qualité du robot. Elle ouvre la voie à des comportements efficaces dans les situations les plus complexes. Ainsi, nous pourrons générer des morphologies réalistes, qui vont s’associer avec des contrôleurs permettant de longues distances, en réalisant des suites de mouvements efficaces.
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
6.2.2
Objectifs
Dans le cadre de cette étude, le but est de simuler des robots modulaires réalistes capables de parcourir de longues distances. Dans ce sens, il est nécessaire d’impliquer la morphologie, car c’est elle qui déterminera les comportements permis et donc l’entreprise de locomotions efficaces. L’évolution va favoriser et faire émerger les robots qui agissent bien et qui répondent à la fonction objectif. Nous allons étudier l’influence de la taille du robot par rapport à sa capacité de se mouvoir. Par taille, nous désignons le nombre de modules et d’articulations d’un robot et non sa grandeur.
6.2.3
La fonction d’évaluation
Le système d’évolution va récompenser les créatures qui semblent répondre le mieux à la fonction objectif. Si la sélection des robots est basée sur cette dernière, il est nécessaire de bien la définir pour obtenir les résultats que nous souhaitons. Nous choisissons donc de calculer la distance euclidienne parcourue par le robot afin de déterminer sa capacité à effectuer un déplacement. Les deux positions initiale et finale sont les positions isobarycentres du robot. Les robots sont évalués dans l’environnement pendant 30 s de temps de simulation. Le point initial est pris après la stabilisation du robot, qui est de 3 s.
Définir un temps de stabilisation est important. S’il est mal défini (trop petit ou nul), la fonction objectif risque de prendre un robot comme efficace, dont le déplacement effectué est assez important, alors qu’il n’a fait aucun pas ou avancement réel. En d’autres termes, au début de la simulation on sauvegarde la position initiale. Juste après, le robot tombe dans un endroit loin de sa position initiale. Cela peut être causé par exemple par sa morphologie longue tenue verticalement. Ensuite, il reste immobile sur place. On voit ici qu’il y a clairement une grande différence entre le point initial et final. Cependant, le robot est inefficace. En concurrence avec les autres robots, qui eux font des vrais déplacements, le robot inefficace peut éventuellement être classé meilleur.
6.2.4
Paramètres de l’étude
Afin de tester et évaluer l’efficacité de notre système, nous avons mené une série d’expériences. Nous présentons tous les paramètres utilisés pour l’évolution dans le tableau suivant :
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
Tableau 6.1 – Les paramètres définis pour le système d’évolution
Paramètre Valeur Taille de la population 50 Nombre de génération 100 Taux de croisement 35% Taux de mutation 75% Élitisme 10
Méthode de sélection Sélection par tournoi avec 7 concurrents
6.2.5
Résultats expérimentaux
Expérience 1
Dans la première série d’expériences, nous avons choisi de fixer un nombre maximal de modules à ne pas dépasser. Nous avons pris 3 cas. Des robots avec un nombre maximal de 5, 10 et 15 modules. Nous comparerons ainsi les distances parcourues pour chacun des cas. L’expérience est répétée 20 fois pour chaque taille. Donc nous aurons 60 expériences en tout.
Le graphe de la figure 6.1 montre qu’avec notre système, les robots ayant un plus grand nombre de modules parcourent plus de distance. Les petits robots à 5 modules au maximum parcourent en moyenne 0.55 m, tandis que ceux avec 10 et 15 modules au maximum peuvent parcourir respectivement 1.7 m et 2.18 m en 30 s.
Toutefois, nous avons remarqué que le nombre de modules des robots émergés pour chaque expérience est égal au nombre de modules maximum autorisé. C’est- à-dire qu’on a obtenu uniquement des robots à 5, 10 et 15 modules, durant ces 60 expériences. Cela est dû au fait que les grands robots parcourent toujours les grandes distances, d’où leurs émergences. En effet, se sont les paramètres utilisés pour déterminer la morphologie et ses capacités à réaliser des mouvements qui ont permis cela. Nous parlons de la fréquence d’application de la récursivité lors de la génération du génotype, et de la valeur du couple permise pour être appliquée.
Une récursivité qui peut aller jusqu’à 10 applications, sans doute, engendre des robots de forme serpent. Cette forme allant en longueur, pouvant atteindre plusieurs dizaines de centimètres, permet de réaliser des rampements et des sauts, et donc parcourir plus de distance par rapport aux autres morphologies. En conséquence, les petits robots ne vont pas survivre malgré le fait qu’ils fonctionnent bien et parcourent des distances considérables.
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
Figure 6.1 – L’influence de la taille du robot sur la distance parcourue. Avec ces paramètres d’évolution définis (un couple maximal autorisé de 1.75 N m et une récursivité appliquée jusqu’à 10 fois), les grands robots fonctionnent mieux. Les boîtes à moustaches montrent la médiane, l’écart interquartile et les valeurs min et
max.
Il faut noter que le couple que nous avons défini à 1.75 N m était suffisamment élevé pour faire bouger ces grands robots. Toutes fois, théoriquement, les grands robots ne sont pas nécessairement les plus adaptés aux déplacements longues distances. Les petits robots légers peuvent aller vite et ainsi parcourir plus de distance. Mais on remarque que ce n’est pas le cas avec cette expérience : les plus petits des robots ont parcouru moins de distance en les comparant aux plus grands, même si le couple requis était suffisant. Ils étaient soient lourds ou de simples morphologies, et d’une certaine manière, ça ne permettait pas la réalisation de mouvements efficaces. Expérience 2
Dans cette expérience, nous avons voulu donner l’occasion aux petits robots d’évoluer de manière à ce que les grands le puissent aussi. Nous avons empêché alors l’apparition des formes semblables aux robots serpents. Premièrement, nous avons réduit la fréquence d’applications de la récursivité à 2 fois. De cette façon, les morphologies des grands robots seront plus variées (pas nécessairement des serpents). Deuxièmement, nous avons limité l’effort appliqué au niveau des articulations. Le couple maximum était alors de 0.17 N m. Le nombre maximum de modules autorisés
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
dans un robot était de 15. Nous avons répété l’expérience 80 fois. Avec chaque expérience, le nombre de modules du robot émergé est entre 1 et 15. Dans le tableau ci-dessous, nous montrons le nombre de robots évolués pour chaque taille de robot.
Tableau 6.2 – La taille des robots évolués
Taille du robot 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Nombre de robots évolués 1 4 7 5 13 8 2 8 15 2 5 10
Nous remarquons à travers le graphe de la figure 6.2, que les robots qui ont un nombre de modules allant de 6 à 10 sont généralement meilleurs pour les déplacements de longs trajets. Les robots à 10 modules et plus étaient en moyenne moins efficaces. Cela peut être causé par la limitation du couple (0.17 N m). Les moteurs n’étaient pas assez puissants pour faire bouger les articulations. Cependant, malgré la limitation du couple, certaines morphologies permettaient des mouvements efficaces. Les robots parcourraient alors plus de distance. Par exemple, un robot à 12 modules avait parcouru plus de 3 m. En ce qui concerne les petits robots à 4 et 5 modules, ils montraient des performances acceptables.
Figure 6.2 – Influence de la taille du robot sur la distance parcourue. Les paramètres d’évolution sont (le couple maximum autorisé est de 0.17 N m, jusqu’à 2
applications de récursivité). Les boîtes à moustaches montrent la médiane, l’écart interquartile et les valeurs min et max.
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
6.2.6
Discussion
Les résultats expérimentaux montrent qu’en effet les tailles des robots impactent leurs capacités à parcourir de longues distances. Plus il y a de modules et d’articu- lations, plus des morphologies variées et intéressantes peuvent être générées. Avec ces dernières, on a de meilleures possibilités d’obtenir des comportements efficaces permettant des locomotions sur grandes distances. Les mouvements vont avoir des amplitudes plus élevées, ce qui leur permet de faire de grands pas vers l’avant en un seul mouvement. En fait, nous croyons que les grands robots, ayant plus de DOF, sont plus appropriés pour cet effet. Il suffit de fournir le couple nécessaire pour chaque jointure.
Les images de la figure ci-dessous illustrent quelques robots modulaires générés par notre système. Ils ont la particularité de se mouvoir de façon réaliste1. En effet,
les jointures sont contrôlées de manière à exploiter la structure morphologique afin d’en tirer avantage dans la réalisation de la tâche. Nous avons donc obtenu des structures variées avec des comportements créatifs. Les robots peuvent par exemple serpenter, ramper, sauter ou même rouler autour d’eux même. Les figures 6.3,6.4
et6.6 montrent des captures d’écrans prises en plusieurs laps de temps de quelques mouvements réalisés par nos robots. En fait, la locomotion qui se répète dans la majorité des expériences est le rampement. Les deux membres d’un robot vont aller pousser tout le corps vers l’avant en s’appuyant au sol. Par ailleurs, nous avons observé l’émergence de quelques robots possédant des structures symétriques. Cependant, elles n’étaient pas favorables pour les déplacements de longues distances.
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
Figure 6.3 – Un robot qui exécute un mouvement de chenille
Figure 6.4 – Un robot qui se déplace par roulement
Figure 6.5 – Un robot à quatre pattes en marche (de droite à gauche)
Figure 6.6 – Un robot réalisant un saut (de droite à gauche)
6.2. Évolution jointe des contrôleurs et des morphologies pour des robots réalistes
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)