Robotique au 21e siècle : systèmes distribués, téléprésence et exploration spatiale

La robotique moderne est intrinsèquement distribuée. Un robot complexe se compose d'un mélange de modules autonomes, semi-autonomes et pilotés par l'humain qui doivent opérer en synchronisation étroite. En télérobotique, l'objectif est de donner aux opérateurs un sentiment viscéral de présence à l'emplacement du robot en renvoyant vidéo et retour haptique vers eux.

Pour l'Agence spatiale européenne (ESA), cette capacité est critique pour les missions sur d'autres planètes ou dans l'espace lointain. Les opérateurs pourraient siéger sur une station spatiale — ou même sur Terre — et contrôler à distance des équipements à des milliers de kilomètres.

La téléprésence par retour haptique et réalité augmentée

La téléprésence s'obtient par une combinaison de retour de force haptique et de vidéo en réalité augmentée. Plus l'information sensorielle est riche, plus la perception de l'opérateur est naturelle, menant à une précision accrue et un contrôle à distance plus sûr.

Le défi du lien de communication

L'un des obstacles les plus redoutables est le lien de communication. Les boucles de contrôle temps-réel des robots reposent sur des flux de données à faible latence et fiables, mais le lien entre un opérateur et un robot distant est souvent soumis à une latence élevée, des pertes de paquets, et même de brèves déconnexions — surtout sur les liaisons spatiales profondes ou Internet à large bande. Ce lien doit être traité comme une partie intégrante du système de contrôle, les deux extrémités étant constamment conscientes de son état pour maintenir sécurité et stabilité.

L'approche data-centric de l'ESA et le choix de DDS

L'équipe pluridisciplinaire de l'ESA — mêlant mécatronique, vision par ordinateur, théorie du contrôle et ingénierie logicielle — a adopté une approche centrée sur les données. En modélisant l'état du système, les trames vidéo et les signaux de contrôle comme des données, nous avons naturellement intégré l'état du lien dans l'état global du système. Cela nous a conduits à évaluer le Data Distribution Service (DDS), déjà utilisé par la NASA pour les communications spatiales. Notre investigation a révélé que DDS peut supporter la téléopération temps-réel même sur les liaisons les plus difficiles, ouvrant de nouvelles frontières en robotique spatiale.

Lors d'un événement TEDx RheinMain RocketMinds en mai 2014, j'ai piloté à distance un bras robot Kuka situé à plus de 500 km à l'aide de notre prototype d'exosquelette EXO‑1. La tâche — insérer une goupille métallique dans un trou avec une tolérance de <0,5 mm — a été réalisée via une connexion WAN 2G basée sur Internet, imitant la latence et les pertes de paquets typiques des liaisons spatiales. Malgré des délais de 15 secondes et une perte de données significative, DDS a maintenu une communication fluide pour le retour haptique, les boucles de contrôle et la vidéo en direct, démontrant que la télérobotique de précision est réalisable même dans des conditions extrêmes.

En 2014, l'astronaute de la NASA Barry Wilmore a mené la première expérience de retour de force robotique dans l'espace — Haptics‑1 — sur la Station spatiale internationale. Cette étape a confirmé la faisabilité de la téléopération haptique au-delà de l'atmosphère terrestre.

First time #haptic feedback is used in space, ever! Today @Space_Station#haptics-1 is being successfully conducted! pic.twitter.com/30zD5GzGqs

— ESATelerobotics (@ESATelerobotics) December 30, 2014

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