Acroban l’humanoide

Acroban résulte de la collaboration entre l’INRIA et l’Université de Bordeaux I/Labri.

News: Une description d’Acroban est maintenant disponible dans les deux articles suivants:

Ly, O., Lapeyre, M., Oudeyer, P-Y. (2011) Bio-inspired vertebral column, compliance and semi-passive dynamics in a lightweight robot, in Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2011), San Francisco, US.

Oudeyer, P-Y., Ly, O., Rouanet, P. (2011) Exploring robust, intuitive and emergent physical human-robot interaction with the humanoid Acroban, to appear in the Proceedings of IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Bled, Slovenia.

 

Acroban est un robot léger et souple capable de se déplacer dynamiquement (marche semi-passive), de mouvements mimant le vivant, et offre de nouvelles possibilités d’interactions physiques et ludiques entre un homme et un robot. Nous avons développé cette plateforme pour explorer le rôle de la morphologie dans l’acquisition de savoir-faire moteurs complexes, ainsi que pour explorer de nouveaux types d’interactions homme-robots.

Toutes les vidéos sur ce site web sont aussi disponibles sur notre chaîne Youtube Inria FLOWERS.

Bio-inspiré

Bio-inspiré, ses propriétés reposent de manière importante sur l’utilisation d’une morphologie et de matériaux adequats. L’utilisation d’une colonne vertébrale multi-articulée et de la souplesse de sa structure (à la fois grâce à ses moteurs souples dont on peut contrôler la résistance et à l’utilisation d’élastiques et de ressorts), s’inspire directement de la morphologie des animaux, bipèdes en particulier. Avec l’utilisation de primitives motrices modulaires, cela permet une robustesse naturelle aux perturbations, mêmes imprévues. Cela permet aussi d’économiser l’énergie dépensée en convertissant l’énergie potentielle en énergie cinétique de manière semi-passive.

Le calcul morphologique (morphological Computation)

La marche dynamique, et la stabilisation de perturbations inconnues, tout comme les interactions homme-robot décrites ci-dessous, sont toutes basées sur l’utilisation de primitives motrices/boucles de contrôle qui ne reposent pas sur un modèle mathématique de la dynamique physique de l’ensemble du système. En effet, le contrôle de haut-niveau est facilité en se reposant directement sur les propriétés auto-organisatrices des lois de la physique: le système dynamique induit par l’interaction de la gravité, de l’inertie et de la structure morphologique du robot génère spontanément des mouvements organisés. C’est ce qui est parfois appelé “calcul morphologique” (morphological computation). Le contrôle central de haut-niveau consiste donc seulementà régler quelques paramètres de ces systèmes dynamiques de bas niveau avec des boucles de contrôles de basse fréquence (comme dans le système de contrôle moteur humain où la boucle entre les effecteurs/senseurs comme la main ou les pieds et le système nerveux central est typiquement au dessus de 100 ms).

Le calcul morphologique simplifie considérablement l’apprentissage de savoir-faire moteurs

Ces systèmes dynamiques peuvent être contrôlés en rêglant uniquement un faible nombre de paramètres, ce qui est particulièrement intéressant. Par exemple, il est possible de contrôler la direction et la vitesse d’Acroban quand il marche avec seulement deux paramètres réglant un oscillateur central (CPG sur les deux jambes). Cela contraste fortement avec le fait qu’Acroban a 30 degrés de libertés, chacun caractérisé par plusieurs dimensions (position, vitesse, accélération, rigidité, …): l’espace sensorimoteur dans lequel Acroban produit ses mouvements contient en effet plusieurs centaines de dimensions. Cette réduction drastique de dimensionalité, permise par l’utilisation de primitives motrices adequates, et par les propriétés d’auto-organisation de couplage de ces primitives avec la physique du robot, transforme le problème apparemment très difficile de l’apprentissage de la locomotion en un problème bien plus simple. Ainsi, les contraintes morphologique (le calcul morphologique) peut faciliter énormément l’acquisitionde savoir-faire moteurs complexes sur un robot humanoïde. C’est l’une des questions centrales que nous explorons dans l’équipe FLOWERS.

Low cost

Les moteurs (Robotis RX-28 et RX-64), les matériaux (aluminium, élastiques et ressorts standards) et l’électronique (processeur ARM embarqué) d’Acroban sont tous low-cost. Cela permet de montrer qu’il est possible de construire un tel robot humanoide à la fois complexe, souple, et capable de mouvements aussi naturels et sophistiqués avec des composants à bas coût adequatement choisis et combinés.

Un nouveau type d’interface: les interactions physiques homme-robot

Avec Acroban, les articulations deviennent des interfaces tangibles. L’interaction physique est rendue possible par la possibilité qu’a l’humain de modifier l’état du robot (position des articulations) en le manipulant directement grâce à sa souplesse. De cette manière, les articulations deviennent des interfaces entre le robot et l’humain: ils rendent possible l’échange d’informations analogiques. Avec les propriétés morphologiques, cela permet en outre de diriger Acroban en le prenant par la main, comme un petit enfant, et de manière totalement naturelle et transparente, comme on peut le voir dans les vidéos ci-dessous.

L’effet Luxo Jr.

Acroban provoque des réactions spontanées émotionnellement très positives, en particulier chez les enfants. Cependant, par contraste avec beaucoup d’autres robots, sa morphologie n’est ni “ronde” ni “mignonne”. Il n’a pas de grands yeux. Il est juste fait de métal et il le montre. A première vue, son apparence visuelle crée de faibles attentes en termes d’intelligence et de comportement. Mais dès qu’il se met à bouger et qu’on peut le toucher, sa dynamique naturelle, beaucoup plus “vivante” que la plupart des autres robots, déclenche un fort contraste et une surprise positive. La vié émerge soudainement d’un objet métallique apparemment neutre, comme pour la lampe animée Luxo Jr. de Pixar. C’est pourquoi nous appelons cet effet le Luxro Jr. Effect.

Equipe

Olivier Ly – concepteur principal – et Pierre-Yves Oudeyer (chercheurs), Matthieu Lapeyre (thésard), Jérome Béchu and Blaise Solé-Blanco (ingénieurs), et de nombreuses contributions des membres du groupe Rho-Ban project.

Acroban résulte de la collaboration entre l’INRIA et l’Université de Bordeaux I/Labri.

Contact: ly at_ labri.fr et pierre-yves dot oudeyer at_ inria.fr

References

Ly, O., Lapeyre, M., Oudeyer, P-Y. (2011) Bio-inspired vertebral column, compliance and semi-passive dynamics in a lightweight robot, in Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2011), San Francisco, US.

Oudeyer, P-Y., Ly, O., Rouanet, P. (2011) Exploring robust, intuitive and emergent physical human-robot interaction with the humanoid Acroban, to appear in the Proceedings of IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Bled, Slovenia.

Ly, O., Lapeyre, M., Oudeyer, P-Y. (2010) The Humanoid Robot Acroban: Leveraging Semi-Passive Dynamics in the Vertebral Column, INRIA Technical Report. (soon online)

Ly, O., Oudeyer, P-Y. (2010) Acroban the Humanoid: Playful and Compliant Physical Child-Robot Interaction, in ACM SIGGRAPH’2010 Emerging Technologies.

Vidéos

Vidéo 1: Structure mécanique

Cettevidéo montre les 30 degrés de liberté de la structure mécanique d’Acroban, en particulier sa colonne vertébrale multi-articuléeet les ressorts et les élastiques.

Vidéo 2: Souplesse contrôlée dynamiquement

Cette vidéo montre le contrôle dynamique de la souplesse (“compliance”) dans le torse, dans les bras et dans les chevilles d’Acroban, illustrant comment les moteurs peuvent être réglés dynamiquement pour simuler des ressorts virtuels ou même des articulations complètement libres qui peuvent être manipulées aisément par un humain. La méchatronique d’Acroban permet l’ajustement en temps-réel du torque maximal appliqué par les moteurs, ce qui est très proche d’un contrôle en force. Cela permet en particulier de rendre les joints dynamiquement souples en réglant leur degré de résistance aux perturbations extérieures. La structure mécanique elle-même est souple: elle inclut des ressorts et des élastiques (comme accumulateurs d’énergie), qui, avec le jeu des servomoteurs, la rende flexible et souple.

 

Vidéo 3: Souplesse structurelle intrinsèque

Cette vidéo montre la souplesse structurelle intrinsèque d’Acroban, dûe à la combinaison du jeu, des ressorts et des élastiques. Nous voyons que même quand tous les moteurs sont réglés pour être maximalement rigides, in déformation importante du corps apparaît si on lui applique une perturbation.

 

Vidéo 4: Robustesse aux perturbations extérieures inconnues

Cette vidéo illustre la capacité d’Acroban à garder son équilibre quand il reçoit des perturbations variées et importantes, en utilisant une seule primitive motrice avec les même paramètres dans tous les cas. Cette robustesse repose en grande partie sur l’utilisation de la semi-passivité/souplesse de l’ensemble du corps, dans la colonne vertébrale en particulier.

 

Vidéo 5: Illustration de la marche dynamique passive

Cette vidéo montre qu’une famille particulière de perturbations extérieures, c’est-à-dire des perturbations latérales périodiques ici générées par un humain, provoquent spontanément une marche dynamique passive. Alors que le robot utilise la même primitive motrice que sur la vidéo 4, cette perturbation externe, amplifiée et à la fois stabilisée par le triple pendule actif du torse multi-articulé, le fait réaliser des pas dynamiques en avant comme conséquence de l’élasticité intrinsèque des pieds et des jambes.

 

Vidéo 6: La marche dynamique semi-passive

Cette vidéo montre qu’Acroban peu marcher dynamiquement de manière semi-passive par lui même en générant une auto-perturbation sous la forme d’oscillateurs internes (CPGs, “central pattern generators”), tout en continuant à maintenir son équilibre avec la même primitive motrice que sur la vidéo 4. Les commandes motrices de l’oscillateur et de la primitive d’équilibrage s’ajoutent simplement directement sur les moteurs et interagissent uniquement par le biais de la physique du robot, ce qui illustre la modularité du système). Le torse multi-articulé permet à la fois une stabilisation naturelle et l’accumulation/restitution d’énergie potentielle/cinétique grâce au triple pendule inversé: la colonne vertébrale (un pendule inversé) et les deux bras (deux pendules). Cette vidéo montre aussi que le robot est robuste à des perturbations potentiellement assez importantes même pendant qu’il marche dynamiquement.

 

 

Vidéo 7: Guidage d’Acroban avec un joystick par contrôle analogique

L’oscillateur (CPG) auto-perturbant le robot dans la vidéo 6 constitue un système dynamique complexe dans lequel il est néanmoins possible d’extraire seulement deux paramètres de contrôle caractérisant des splines définissant le mouvement des pieds (voir le rapport technique), et qui permettent de diriger le robot en avant, en arrière, à gauche et à droite de manière continue. La vidéo montre cela par le contrôle de ces paramètres de manière analogique avec un joystick.

 

Vidéo 8: Guider Acroban par la main: Interaction homme-robot physiques et intuitives

Cette vidéo montre qu’Acroban se laisse guider naturellement et intuitivement grâce à une interface basée sur les principes de calcul morphologique (morphological computation). Quand un humain prend les bras du robot, contrôlé avec exactement les mêmes primitives motrices que celles décrites pour les vidéos 6 et 7, réglées de telle manière à ce que le robot n’avance pas par lui-même, alors les forces appliquées au robot (mêmes faibles) par l’humain le font spontanément suivre le guidage de cet humain. Il n’y a pas une seule ligne de code dans le système qui dit au robot de suivre l’humain si on le prend par la main. C’est une conséquence spontanée de l’interaction entre la gravité, l’inertie et les propriétés morphologiques de la structure du robot, un exemple de ce qu’on appelle le calcul morphologique (morphological computation).

 

Vidéo 9: Interactions physiques ludiques entre l’homme et le robot: l’effet Luxo Jr.

Cette vidéo montre qu’Acroban permet des interactions physiques homme-robot originales, dans lesquelles les articulations deviennent des interfaces et la souplesse fournit sécurité et intuitivité. Acroban provoque des réactions spontanées émotionnellement très positives, en particulier chez les enfants. Cependant, par contraste avec beaucoup d’autres robots, sa morphologie n’est ni “ronde” ni “mignonne”. Il n’a pas de grands yeux. Il est juste fait de métal et il le montre. A première vue, son apparence visuelle crée de faibles attentes en termes d’intelligence et de comportement. Mais dès qu’il se met à bouger et qu’on peut le toucher, sa dynamique naturelle, beaucoup plus “vivante” que la plupart des autres robots, déclenche un fort contraste et une surprise positive. La vié émerge soudainement d’un objet métallique apparemment neutre, comme pour la lampe animée Luxo Jr. de Pixar. C’est pourquoi nous appelons cet effet le Luxro Jr. Effect.

 

Photos

 

 

 

 

Presse

 

Web

Presentation of Siggraph 2010 Emerging Technologies featuring Acroban:

Preston Smith is the SIGGRAPH 2010 emerging technologies chair from the Laureate for Brain Research.
“This does look like a robot we have seen in the past, in that it is a typical structure of a robot, except that this one is actually utilizing true human body type movements with a spine and hip joint movement. It’s actually able to correct itself instead of toppling over as the past robots have done. This one actually has true movements almost like a developing child.”

SIGGRAPH 2010 Emerging Technologies Range from Robotics to Human Taste Simulations

Acroban in Siggraph Emerging Technologies trailer

Engadget: “We see a lot of robots around here. But few can evoke emotion without resorting to a doe-eyed visage or plush, Dough-Boy bodice. That’s what makes Acroban so interesting. Dispensing with the cheap parlor tricks, Acroban still comes across as child-like, playful, seemingly dependent upon your care and guidance.”

Plastic Pals: “Acroban is an exciting example of what is possible using commonly available parts and a lot of ingenuity […] Uncommon among most humanoid robots, its spine has 5 joints alone, as well as springs and elastics, which help to dampen the effects of unexpected external bumps and knocks […] It successfully shrugs off bumps from a ball thrown at its upper body that would turf most of the RoboCup Humanoid league.“

Trossen Robotics blog: Acroban Humanoid Robot Project: “The video demonstrates […] very well, bringing a rather mechanical and utilitarian looking robot to life. Inria Flowers calls this the ‘Luxo Jr. Effect’ named after the pint size companion of Pixar’s lovable Desk Lamp mascot. It really is true though; something about the way this robot moves reaches out to our primal emotional response, making our brain think it’s something actually alive. In doing this, the robot effectively leaps over Uncanny Valley by coming across as very human-like without the increasingly creepy aesthetics that many humanoids fall victim to”.

Wired Gadget Lab: “The Acroban robot is no Marvin, the Paranoid Android. Instead, Acroban promises a sunny personality that’s just right for kids. […]. The most interesting part of the robot is how well it reacts to situations that would seem almost normal in a human context. For instance, when the robot is walking, a person can hold the robot arm and drive it in any direction easily. It’s like steering children who are just learning to walk, says the researchers. All of this is done without providing the robot with any sort of verbal command.“

Acroban on Euronews (English: Meet the robots) (Spanish: Nuevos avances en robotica) (Italian: Le ultime inventioni della robotica) (German: Neues aus der Roboterforschung) (Français: Des robots de plus en plus humanoïdes)

Robotic eyes that can see and interact

Los Angeles Conference Showcases Star Robots

Techfemina.com: Acroban robot wants a childlike affection

Emerging from SIGGRAPH’s Emerging Technology

Associated Press: “The SIGGRAPH Conference and Exhibition in Los Angeles is currently showcasing … Acroban the tiny robot made to move and interact with children.

Acroban live demo at Siggraph

Acroban on Echelon-us

Acroban: El mono porfiado 2.0

Acroban: El ligero robot humanoide

Acroban a la moda: Vea el robot con chullo

Acroban: El pequeño humanoide que mantiene el equilibrio como humanos

Proyecto Acroban para un humanoide bio-inspirado

Acroban Robot Will Win Your Heart

Acroban, un humanoide que demuestra lo que es el equilibrio

Robots interactivos: “parece que Acroban Humanoid es por ahora el androide mejor diseñado para interaccionar y jugar con niños y mantener en todo momento el equilibrio sobre sus dos pies -y no caerse a pesar de tropiezos, obstáculo o empujones-.”

Robot Acroban umanoide, studio per l’iterazione uomo-robot