Comment un robot contrôle-t-il ses mouvements ?

01Un moteur ne sait pas où il doit aller

Le moteur transforme de l’énergie électrique en mouvement. Il peut faire tourner une articulation, comme un coude robotisé. Mais il ignore tout du résultat : le bras porte peut-être une charge plus lourde que prévu, frotte un peu, ou a été bousculé.

Il faut donc distinguer l’action et l’information. Le moteur agit. Un capteur mesure une grandeur, par exemple l’angle de l’articulation ; dans beaucoup de robots, c’est un codeur fixé sur l’axe du moteur qui compte sa rotation. Un contrôleur, programme exécuté par un circuit électronique, utilise cette mesure pour calculer la commande suivante.

02Donner un objectif mesurable

Supposons que l’articulation se trouve à 20 degrés et que l’on souhaite atteindre 60 degrés. La valeur visée, 60 degrés, est la consigne. Le capteur indique la position mesurée, 20 degrés. La différence, 40 degrés, est l’erreur : le mot désigne ici un simple écart, pas une panne.

Le contrôleur demande un mouvement dans le sens qui réduit cet écart. Après un petit déplacement, il reçoit une nouvelle mesure, compare de nouveau et ajuste. Cette succession forme une boucle de rétroaction.

L’idée a précédé l’électronique. James Watt équipait déjà ses machines à vapeur d’un régulateur à boules : quand la machine s’emballe, les boules en rotation s’écartent et le mécanisme réduit l’arrivée de vapeur. Un thermostat de chauffage fait la même chose avec la température. Dans tous les cas, on vérifie l’effet d’une commande avant de décider de la suivante.

03Pourquoi recommencer est utile

Si le bras avance moins que prévu parce qu’il porte un objet, la mesure le révèle aussitôt et la commande est corrigée. Sans retour de mesure, le même ordre serait appliqué en supposant que tout se déroule comme prévu : c’est une commande en boucle ouverte.

Dans un bras robotisé typique, la commande envoyée aux moteurs est recalculée environ mille fois par seconde, et l’électronique qui alimente chaque moteur peut faire tourner sa propre petite boucle dix fois plus vite encore. Une règle de calcul simple suffit souvent : la capacité à se corriger vient de la mesure et de la répétition, pas d’une forme d’intelligence.

04S’approcher doucement de la cible

Une stratégie simple consiste à corriger fort quand l’écart est grand et doucement quand il diminue. On parle de commande proportionnelle. Pensez à l’approche d’une place de stationnement : on ralentit à mesure que le trottoir approche.

Le monde réel complique l’affaire. Un bras possède une inertie : il ne s’arrête pas instantanément. Les capteurs sont imprécis et les calculs prennent du temps. Une correction trop brutale fait dépasser la cible, la suivante repart dans l’autre sens et dépasse à son tour : le mouvement devient hésitant, puis oscillant.

James Clerk Maxwell a mis ce piège en équations en 1868, dans un article intitulé « On Governors ». Il y distingue les régulateurs dont la correction suit l’écart de vitesse de ceux qui tiennent compte de l’écart accumulé, et décrit comment une régulation renforcée peut tourner en oscillation de plus en plus violente. Le mathématicien Norbert Wiener verra plus tard en Maxwell le père de l’automatique moderne, et baptisera en 1948 « cybernétique » la science de ces boucles, d’après le mot grec qui désigne le timonier : celui qui corrige sans cesse le cap du navire. Un bon réglage cherche toujours un compromis entre rapidité, précision et stabilité, propre à la machine commandée.

05Atteindre une tasse n’est pas encore la saisir

Il faut aussi choisir le chemin du bras, éviter les obstacles, orienter les doigts et doser la force. Connaître l’angle du coude ne dit rien sur la tasse qui glisse ou qu’on serre trop. D’autres capteurs, de force ou de contact, entrent alors en jeu, avec leurs propres boucles. Chaque articulation supplémentaire ajoute une mesure à surveiller et une correction à régler.

La dextérité dépend donc de ce que le robot perçoit, de la façon dont ses pièces bougent et de la qualité de ses corrections, bien plus que de la puissance d’un moteur. Un geste qui nous paraît d’un seul tenant se décompose pour lui en milliers de petites vérifications par seconde.