Interaction Homme Robot

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Contexte

Emmanuelle Grangier, professeur à l’école supérieure d'art de Cambrai a pour projet la réalisation d’un spectacle de danse sur le thème de la relation homme-robot nommé Link Human Robot. Lors de ce spectacle, un danseur professionnel aura comme partenaire un robot NAO[1] avec lequel il interagira.

Objectif du projet

Le sujet qui nous est proposé consiste à réaliser un environnement permettant la communication entre un danseur professionnel et un robot NAO. Le but étant que le robot soit capable de reproduire les mouvements du danseur en temps réel.

Description du projet

Afin que notre robot soit en mesure de suivre les mouvements du danseur il est nécessaire de récupérer les informations venant des capteurs, de les traiter à l'aide d'un algorithme puis ensuite d'envoyer les commandes adéquates au robot NAO afin qu'il agisse en conséquence. Les contraintes à prendre en compte sont :

• Les contraintes mécaniques du NAO : limites des articulations, la vitesse du mouvement et l'équilibre du NAO.
• Le temps de réponse qui ne doit pas être trop long malgré la communication wifi avec le NAO.
• La précision des mouvements du NAO.
• Et la vitesse de calcul résultant de l’environnement NAO, celle-ci étant contournée en utilisant des langages de programmation de plus faible niveau (C, C++, Java).

Choix techniques : matériel et logiciel

Partie matérielle

Nous disposons d’un robot NAO V4 dont nous utiliserons:

• la centrale inertielle située dans le torse du robot et composée de 2 gyromètres et d’un accéléromètre.
• les capteurs de position, des roues codeuses, situés dans chaque articulations.
• les 26 moteurs du NAO.

Nous avons aussi à disposition un routeur pour nous permettre de nous connecter au NAO bien que la communication soit aussi possible en Ethernet, cette dernière étant cependant plus contraignante.

Les capteurs utilisés seront dans un premier temps constitués de plusieurs centrales inertielles. Puis il est envisagé par la suite d’utiliser un exosquelette si il est possible d’en obtenir un. Ce qui permettrait une plus grande précision lors de la reconnaissance des mouvements.

Partie software

Afin d'interagir avec le NAO, nous utiliserons les différents logiciels disponibles sur le site d’Aldebaran:

• Chorégraphe, le logiciel permettant de programmer le NAO à l’aide de différentes fonctions se présentant sous forme de blocs.

• C++ NAOqi SDK ou Python NAOqi SDK, les kits de développement qui permettent de compiler un code de niveau inférieur (python ou C++) qui communiquera directement avec l’OS du NAO.

Le langage choisi sera donc soit le Python, soit le C++. Ce choix sera déterminé en fonction de la facilité de mise en oeuvre de ces deux langages et de leur efficacité dans notre application. Nous envisageons le C++ dans un premier temps du fait de sa plus grande similitude avec le langage C et de son meilleur temps de réponse en utilisation temps réel.

Etapes du projet

• Étude de la documentation et familiarisation avec le NAO.
• Premiers tests en C++ afin de faire bouger le NAO et analyse du temps de réponse et de la précision.
• Modification du programme précédent afin de fonctionner à l’aide des centrales inertielles.
• Implémentation d’un client-serveur sur le NAO, éventuellement en UDP.
• Si obtention d’un exosquelette il sera nécessaire d’adapter le programme afin de gérer ce type de capteur.
• Si il reste du temps il sera possible de commencer la généralisation des étapes précedentes à toutes les articulations du NAO.

Avancement du Projet

Semaine 1

Lors de la semaine 1 nous avons voulu nous familiariser avec le NAO nous avons donc commencé par utiliser le logiciel Chorégraphe qui permet de programmer le NAO à l’aide de bloc préprogrammés. A l’aide de ce logiciel nous avons testé quelques programmes simples afin de voir les possibilités du NAO. Cette première approche nous à permis d’entrevoir un peu les limites mécaniques du NAO.

Après s'être familiarisé avec le NAO nous avons commencé à étudier la documentation fournie par Aldebaran dans le but de définir le langage de programmation que nous allions utiliser ainsi que se procurer les logiciels nécessaires à la programmation du NAO. Nous avons aussi commencé à étudier les différentes fonctions permettant de contrôler les moteurs du NAO. Pour bouger le NAO il est possible de contrôle les moteurs de deux manières différentes:

• un déplacement relatif effectué par rapport à la position actuelle du moteur.
• ou bien un déplacement absolu permettant de placer le moteur dans une position angulaire bien définie.

Semaine 2

Au cours de la deuxième semaine, nous nous sommes intéressés au kit de développement C++ NAOqi SDK qui permet de programmer le NAO via un langage bas niveau, à savoir le C++. Cette semaine s’est ainsi principalement orientée sur l’étude de la documentation d’Aldebaran Community. Nous avons donc suivi les procédures d’installation du kit et des différents outils nécessaires à son bon fonctionnement. Le système d’exploitation le plus efficace pour programmer le NAO en C++ étant Linux car c’est le seul permettant de créer des modules distants qui s'exécutent directement sur le NAO. Nous nous sommes donc servis de Linux pour la suite de ce projet car nous pensions au départ avoir besoin de réaliser un client serveur sur le NAO pour permettre la communication avec notre PC. Il s’avère qu'un client TCP soit déjà présent sur le NAO donc nous n'avons pour le moment pas besoin de créer de modules distants.

Nous avons ainsi installé qiBuild afin de créer des projets multi-plate-formes (linux et NAOqi OS) et CMake afin de générer les makefiles et les répertoires de travail pour chacune des plate-formes afin de compiler ces projets sur celles-ci. Suite à l’installation des logiciels nécessaire à la programmation du NAO nous avons commencé à étudier des exemples de codes que nous avons trouvé dans la documentation. Dans un second temps, nous avons commencé l’apprentissage du C++ afin de pouvoir être en mesure de créer nos propres programmes à compiler sur le NAO.

Semaine 3

Lors de la semaine 3 nous avons commencé à tester différents codes obtenus via la documentation d’Aldebaran mais nous avons rencontré différents problèmes. Le premier fut un problème d’inclusion des librairies fournies par naoqi-sdk, nous avons donc dû chercher sur le web car nous n’étions pas familier avec qibuild ou Cmake. Nous avons appris que lors de la création d’un nouveau projet qibuild nous créait un Makefile au sein de projet afin de simplifier la compilation, à partir de là nous avons modifié ce Makefile afin d’inclure les librairies donc nous avions besoin lors de la compilation.

Ensuite nous nous sommes heurtés à un problème de connexion avec le NAO. Lors de la recherche afin de résoudre ce problème nous nous sommes rendus compte que la version 1.14 de ces différents logiciels était bien plus documenté et plus facile d’utilisation (beaucoup de modifications concernant la syntaxe pour l'utilisation de l'API) que la version 2.1 que nous utilisions. C’est pourquoi après de nombreux essais afin de résoudre notre problème sans succès nous avons voulu tester de contourner le problème en utilisant cette version 1.14 quitte à revenir à la version 2.1 si nécessaire. Cette version qui fut difficile à se procurer car les archives d’Aldebaran ne furent pas facile à trouver.

Suite à cela nous avons installé ces logiciels afin de pouvoir les tester lors de la semaine 4.

Semaine 4

La version 1.14 s’est révélé être réellement plus facile d’utilisation et nous avons réussi à faire nos premiers test de commande à distance du NAO via le serveur TCP préexistant. Nous avons donc commencé à modifier ces exemples et à créer de nouveau programmes pour tester les différentes fonctions dont nous allions nous servir présentes dans l’API.

Au cours de cette semaine nous avons réussi à faire dire n’importe quelle phrase au NAO et écris des programmes simples afin de faire bouger les différentes parties du NAO (mains, jambes, tète, etc...). En annexe serons présentés ces deux programmes assez simples permettant de faire parler le NAO et de faire bouger sa tète. La partie importante est la partie permettant la connexion au NAO.

Par la suite nous allons améliorer légèrement ce programme pour y ajouter un menu permettant de bouger le NAO en temps réel via des évènements clavier ce qui nous permettra d’avoir une idée concrète du temps de réponse du NAO car pour le moment le temps de réponse est assez long probablement à cause du temps de connexion au NAO.