S'initier à la robotique

Pour savoir ce qu’il y a sous le capot, je vais procéder à une opération simple : soulever le capot. 😀 Mon Thymio, comme le vôtre, se présente comme ceci : 

Je le retourne pour le mettre sur le dos et j’enlève les 4 vis : 

En tenant bien mon Thymio en sandwich pour ne pas qu’il s’ouvre, je le remets à l’endroit, puis je soulève délicatement le capot :

Vous voyez sur la photo ci-dessus la carte électronique programmable du Thymio, sur laquelle sont contenues toutes les données, et notamment les comportements pré-programmés du Thymio que vous avez largement explorés dans le chapitre précédent.

Coincé sur le capot, c’est le haut-parleur ! Vous pouvez également voir, directement soudés sur la carte, les différents composants, dont notamment les 5 capteurs de proximité à l’avant, et les 2 à l’arrière. Le grand disque blanc, ce sont les 5 boutons tactiles du Thymio. 

Peut-être pouvez-vous aussi identifier la position des LEDs (les diodes qui permettent au Thymio de s’éclairer de toutes les couleurs) ? Sinon, voici une photo qui devrait vous aider :

Remarquez que même si le Thymio est démonté, les boutons tactiles fonctionnent parfaitement et m'ont permis d’allumer le robot. 

Mais à propos, si j’allume le robot, c’est qu’il est alimenté… Et si je soulève la carte électronique, je découvre en effet la batterie au milieu et les deux moteurs sur les côtés qui entraînent les roues :

Et si vous regardez attentivement la photo, vous verrez même deux capteurs de luminosité et deux LEDs, soudés la tête en bas sur la carte électronique.

De manière plus exhaustive, on peut trouver tous les composants suivant dans le Thymio : 

Capteurs

• 9 capteurs infrarouge de portée environ 12 cm pour détecter des obstacles

• 5 boutons tactiles

• 1 accéléromètre trois axes, pour détecter des chocs et des inclinaisons

• 1 thermomètre

• 1 microphone

• 1 capteur infrarouge comme récepteur de télécommande

Actionneurs

• 39 LEDs pour colorer le robot selon deux parties, haute et basse

• 2 moteurs de roue, fournissant une vitesse maximale de 14 cm/s

• 1 haut-parleur

Et quelques fonctionnalités complémentaires

• Dispose d’un trou pour y placer un crayon et ainsi pouvoir tracer en se déplaçant

• Dispose d’un crochet à l’arrière pour y accrocher ce qu’on souhaite (remorque, …)

• Est rechargeable par chargeur USB-microUSB tel que celui d’un téléphone, ou directement sans chargeur en le branchant à un ordinateur

• Dispose d’un lecteur de carte microSD permettant d’y placer des sons et des programmes pour le robot

• Est conçu pour être très résistant aux chocs 

Au final, vous vous êtes déjà rendu compte qu'on peut classer les composants en plusieurs catégories :

1. ceux qui reçoivent des informations de l’environnement extérieur (“il y a un obstacle”, “la température a augmenté”, “il y a un bruit”, etc.) : on les appelle des capteurs.
   Dans le chapitre précédent, vous avez notamment utilisé le capteur de proximité central du Thymio pour détecter quelque chose devant le Thymio.

2. ceux qui font des actions (“tourner”, “allumer”, “émettre un son”, etc.) : on les appelle des actionneurs.
   Dans le chapitre précédent, l’action de votre Thymio était d’avancer ou de reculer, et cela est permis par les moteurs entraînant les roues du Thymio : ces moteurs, ce sont des actionneurs.

3. ceux qui permettent de stocker les informations et de les traiter, dont le processeur, regroupés dans la carte électronique programmable.

Ces différents composants fonctionnent ensemble afin de permettre au robot d'interagir avec son environnement, en percevant avec ses capteurs et en agissant avec ses actionneurs. Cette boucle perception/action s'appelle une boucle sensori-motrice et elle est gérée par le programme informatique définissant le comportement du robot… un peu comme dans le premier module de Class’Code, lorsque vous utilisiez les blocs de la catégorie Événements. 

Dans l'exemple ci-dessus, le programme contient en fait une boucle infinie qui attend et capte à chaque instant si le lutin est cliqué ou non. Si c’est le cas, alors le lutin effectue une action.

Pour les robots, qu’il s’agisse de Thymio ou de n’importe quel autre robot, c’est la même chose : selon les capteurs que l’on a programmés, ou activés, eh bien il attend un événement extérieur à capter (détection d’un obstacle, d’un bruit, etc.). S’il le détecte, alors il effectue une action, que l’on a, là encore, programmée.

Cette “attention” continue vis-à-vis d’événements extérieurs à détecter, on peut l’appeler la boucle sensori-motrice : c’est une boucle fermée qui contrôle le système en prenant en compte les réactions de celui-ci. 

Pour mieux comprendre, prenons l’analogie avec l’être humain : nos sens nous permettent de capter des informations du monde extérieur via nos organes sensoriels (peau, nez, bouche, yeux, oreilles…) qui envoient constamment ces informations à notre cerveau. En fonction de ces perceptions, nous agissons d’une manière ou d’une autre, c’est à dire que notre cerveau envoie alors des instructions à nos organes moteurs (nos muscles).

Si par exemple vous plongez votre main dans l’eau, et que votre sens du toucher vous indique que celle-ci est brûlante, votre action naturelle sera probablement d’enlever votre main aussitôt…  😖 En un rien de temps, votre corps a d’abord détecté l’information, et votre cerveau y a réagi en actionnant vos muscles de la façon la plus appropriée.

Eh bien je vous propose ici de rester sur cette analogie, et de faire un petit jeu, que vous pouvez facilement mettre en place avec des enfants.

Vous vous souvenez du jeu du robot, avec Marie, dans le module 1 de Class’Code ? L’activité consistait à faire jouer un robot par un enfant : ce “robot” ne comprenait que quelques instructions de base (avance d’un pas, tourne à gauche, tourne à droite). 

Mais si l’on considère qu’un robot est constitué de capteurs, d’actionneurs, et d’un programme informatique qui permet au robot d’interagir avec son environnement, alors ce premier robot n’en était pas vraiment un, au sens strict du terme… Eh oui : il ne disposait que d’actionneurs (pour effectuer des actions) et d’un programme informatique (pour lui donner des instructions).

Et si nous ajoutions à présent des capteurs à notre robot pour en faire un vrai robot et le programmer à partir d'événements ? Voici un exemple de ce que cela peut donner sur le terrain, avec des enfants :

Maintenant que vous êtes au point avec tous les composants essentiels d’un robot, savez-vous d’où viennent les robots et ce qu’il a fallu pour en arriver là ? En bref, vous êtes vous déjà demandé quel fut le tout premier robot ? Par qui et quand a-t-il été inventé ? Pourquoi faire ? Pour le savoir, remontons un peu dans le temps…

En parlant du premier robot, saviez-vous que la première apparition du mot “robot” a eu lieu un peu plus tard, en 1920, dans une pièce de théâtre de science-fiction de Karel Čapek ? Ce mot vient en effet du tchèque “robota” qui signifie “travail, besogne, corvée”. Car finalement, qu’est-ce qu’un robot sinon une machine supposée remplacer l’être humain dans des travaux pénibles, répétitifs et/ou dangereux ?

D’ailleurs, si vous repensez à la liste que vous avez faite, au premier chapitre, de tous les robots, y avait-il dans cette liste des robots dont la fonction était justement de faire des travaux répétitifs à notre place ? 

Et maintenant qu'on en sait un peu plus sur ce qu'est un robot, voyez-vous comment compléter la première définition que vous aviez alors formulée ?

Quelle que soit votre réponse, je vous propose, dans le prochain chapitre, de construire vous-même votre petit robot avec Arduino : il ne vous rendra pas de grands services tout de suite, mais qui sait, en l’améliorant plus tard, peut-être qu’il pourra transporter de petites choses pour vous !

• Le Thymio, comme tous les robots, est constitué de capteurs, d’actionneurs et d’un processeur qui fait l’interface entre les capteurs et les actionneurs.

• Un robot, grâce à ses capteurs, peut recueillir des données de son environnement extérieur. Selon son programme, il pourra ainsi mettre en marche ses actionneurs en fonction des données captées.

• Une boucle sensori-motrice, c’est une boucle de perception/action qui guide le comportement d’une entité autonome dans son environnement (robot, humain, agent virtuel). Dans le cas d'un robot, les évènements détectés par ses capteurs entraînent des actions effectuées par ses actionneurs.

• Le jeu du robot est une activité sans ordinateur et sans robot qu’on peut réaliser avec les enfants pour comprendre les notions de capteurs, actionneurs et programme informatique.

• Les ancêtres des robots sont les automates, et ce qui les différencie des robots, c’est qu’ils exécutent des mouvements préprogrammés, sans prendre en compte ce qui se passe autour d'eux, alors que les robots interagissent avec leur environnement et ce qui s'y passe.

• L’un des premiers robots est le robot Electric Dog, conçu en 1912 par les ingénieurs américains Hammond et Miessner, qui se sont inspirés des travaux du biologiste Jacques Loeb sur les papillons de nuit : tout comme ces insectes, Electric Dog était capable de capter des sources lumineuses, de s’orienter vers elles et de les suivre.