L’émergence des objets connectés à travers le monde ouvre de nouveaux horizons pour les robots mobiles intelligents, nous essayons dans ce travail de modéliser une macro architecture qui étend les capacités des robots : d’un côté à travers la communication avec leur environnement extérieur, en adoptant les paradigmes Multi-agents et Internet of Things (IoT) ; d’un autre côté en développant une Intelligence artificielle (IA) distribuée collaborative par le biais du paradigme Clou

MALASSÉ, Olaf

RABBAH, Mahmoud Almostafa

Rabbah, Nabila

Rifi, mounir

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Revues Scientifiques Marocaines

Collaboration entre les robots intelligents et les objets connectés, opportunités et défis

M. RABBAH Collaboration entre les robots intelligents et les objets connectés, opportunités et défis 1Mediterranean Telecommunications Journal Vol. 6, N° 2, June 2016 ISSN: 2458-6765Collaboration entre les robots intelligents etles objets connectés, opportunités et défis(1)M. A. RABBAH, (2)N. RABBAH, (3) Olaf  MALASSÉ, (1)M. RIFI(1)Laboratoire de Réseaux, Informatique, Télécommunications & Multimédia, EST de Casablanca, Université deHassan II, BP. 8012, MAROC(2)Laboratoire d’Ingénierie des Structures, Systèmes Intelligents et Energie Electrique, ENSAM de Casablanca,Université Hassan II, BP. 20000, MAROC(3) Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers, 4 rue Augustin Fresnel, 57078 METZ cedex 3, Francemrabbah@gmail.comRésumé : L’émergence des objets connectés à travers lemonde ouvre de nouveaux horizons pour les robotsmobiles intelligents, nous essayons dans ce travail demodéliser une macro architecture qui étend lescapacités des robots : d’un côté à travers lacommunication avec leur environnement extérieur, enadoptant les paradigmes Multi-agents et Internet ofThings (IoT) ; d’un autre côté en développant uneIntelligence artificielle (IA) distribuée collaborative parle biais du paradigme Cloud.Mots clé—Robotique, Intelligence artificielle, SystèmeMulti-Agents, Internet of Things, Cloud computingI. INTRODUCTIONUne des problématiques classiques dans lemonde de la robotique c’est de doter cescomposants mécatroniques d’une intelligence leurpermettant d’interagir entre eux, et avec le mondeextérieur. L’évolution des capteurs a permis auxrobots de mieux appréhender l’environnement oùils vivent ; cependant beaucoup de défis restent àsoulever pour qu’ils profitent pleinement de leurcontexte, entre autre : la puissance des calculs descomposantes électroniques, la diversité desdomaines d’applications, le coût d’implémentationde l’IA, et la diversité des protocoles decommunication.De très grands investissements dans le domaineIoT sont prévus au cours des prochaines années [1],ce qui présente aux robots une opportunité pourétendre leurs capacités de perception du mondeextérieur, à condition d’être capable decommuniquer avec ces objets connectés.Dans ce travail, nous proposons unearchitecture d’Intelligence Artificielle Distribuée(IAD) pour les robots, qui va répondre aux défis etopportunités qui seront présentés.II. CONTEXTE DES ROBOTS MOBILES ET DESOBJETS CONNECTESDans les paragraphes suivants nous essayeronsde contextualiser la problématique ciblée :A. Catégories des robots :Nous allons catégoriser les robots selon : le type,le domaine d’applications et le consommateur final,avec le niveau de satisfaction des critères : mobilité,autonomie, collaboration et l’adoption d’IA :Deux niveaux de liberté existent à savoir lesrobots statiques comme les bras industriels et lesrobots mobiles exemple les robots de fourrage,vient éventuellement s’ajouter les qualités :collaboration, autonomie, intelligence et sociabilité.Du côté des domaines d’applications, on trouve : Le domaine industriel : la plupart del’utilisation des robots est dans le secteurautomobile 33,1% 2013 [2], ils sont généralementstatiques et autonomes. Le domaine militaire : la plupart des robotssont caractérisés par une forte mobilité, un certainniveau d’IA est implémenté. Les domaines spatiale et recherche : Lescomposantes mobilités, hétérogénéité, collaborationet IA sont plus présentes. beaucoup de conceptssont proposés et plusieurs compétitions ont apparupour challenger ces concepts exemple :ROBOCUP, ROBOT-SUMO, Freescale… Le domaine de service dont deux familles : lesrobots de service pour les professionnels : 63000robots vendus en 2008, avec comme applicationssécurité, sauvetage et extraction du lait des vaches[3] ; les robots de service domestique : 7.2 millionde robots vendus en 2008 avec comme applicationsmaison, divertissements et loisirs [3] ; les robots deservice sont le plus souvent mobiles, dotés d’uncertain niveau d’intelligence préliminaire.Dans le secteur industriel et domestique onconstate que la population mondiale des robots n’acessé d’augmenter pour atteindre 8.6M en 2008comparé à 6.5M en 2007 et 4.5M en 2006 [3].On remarque malgré l’émergence de l’utilisationdes robots, les aspects collaboration et IA sont trèspeu présents, en dépit des gains prévus en termes deperformance suite à une telle collaboration et quipeuvent atteindre 66% [4].M. RABBAH Collaboration entre les robots intelligents et les objets connectés, opportunités et défis 2Mediterranean Telecommunications Journal Vol. 6, N° 2, June 2016 ISSN: 2458-6765B. Robots et leurs Systèmes d’informationLes robots sont dotés d’un système informatiqueleurs permettant de commander leurs sorties, etd’acquérir les informations provenant des entrées.Ces systèmes sont soit embarqués, soit externes,soit hybride : la partie IA et calcul est externe et lapartie commande et acquisition est embarquée.Les systèmes embarqués au niveau des robotstournent sur des composants électroniques defaibles performances, ce qui explique en quelquesorte la faible implémentation de l’IA, comme elledemande des performances conséquentes.La communication entre des robots homogènesétait largement étudiée [4]. Cependant peutd’études se sont focalisées sur la communicationentre les robots et les objets connectés, ce qui amotivé des chercheurs à mener quelquesexpériences [5], et à proposer un langage decommunication dédié à cet effet [6].Certain architectures de développement desrobots utilisent des technologies, des langages deprogrammation et des protocoles récents commeJAVA, SOAP ; néanmoins dans la pratique, lacontrainte des ressources limitées rend cesarchitectures peut exploitables. D’un autre côté ontrouve des technologies optimisées comme C, C++,CORBA, mais qui pénalisent les robots à étendreleurs capacités de perception et de communicationavec le monde extérieur [7].Du côté de l’implémentation de l’intelligence ausein des robots, on trouve deux niveaux : Le premier pour la résolution des problèmesclassiques exemple : Planification du trajectoire,Vision artificielle, Reconnaissance vocale, etc. Le deuxième niveau : le robot est cognitive,doté d’un moteur d’inférence et cherche à résoudredes problèmes d’ordre humain à savoir laplanification des actions, l’apprentissage etéprouvez des émotions [8].C. Opportunités et défisEn communiquant entre eux et avec le mondeextérieur (objets connectés, base de données, webservice), les robots peuvent résoudre plus deproblèmes et proposer plus de services, comme parexemple dans le domaine médicale [9].Les robots peuvent étendre leurs perceptions etleurs actions sur le monde extérieur en développantdes méthodes de communication adéquates avec lesobjets connectés, à noter que les objets connectésinstallés ont atteint 4.9 billion à travers le monde en2015 [10], avec une volonté des grandsconstructeurs d’adopter des plateformes libres pourle développement de la communication, exemple laplateforme « SmartThings » de SAMSUNG [11].En plus de cela, on peut imaginer uneplateforme d’IAD et de systèmes experts hébergerdans le Cloud, permettant aux robots de boosterleurs compétences. Exemple la plateforme Cloudqui permet aux robots de mettre à disposition leurscapacités pour exécuter des ordres de forage selonla fluctuation des marchés boursières [12].D. ProblématiqueAprès avoir contextualiser le sujet nous allonsproposer la problématique suivante : Peut-on imaginer des robots hétérogènes avecdes objets connectés qui s’entraident pour laréalisation d’un objectif commun, et quelle estl’architecture adéquate pour une tellecommunication ? Peut-on étendre les capacités des robotsexistants, sans changer dans leurs configurationsmatérielles actuelles, pour qu’ils puissents’entraider et éprouver un certain niveaud’intelligence ? Peut-on imaginer une plateforme collaborativepour le développement d’une IAD des robots ?L’architecture souhaitée doit répondre à cesexigences en gardant en vue les contraintes demobilité, sécurité, fiabilité et autonomie des robots.III. MACRO ARCHITECTUREA. Composantes de l’architectureLes composants de l’architecture sont :1. Un annuaire pour les robots et les objetsconnectés qui va permettre la recherche par nomou identifiant.2. Un annuaire des services proposés avec ledétail des contraintes et des conditions initiales.3. Un langage de communication commun.4. Un système multi-protocole pourl’acheminement de l’information entres lesdifférents objets.5. Un annuaire des problèmes et leurs solutionspar IAD et systèmes experts.Fig. 1.  Composantes de l’architecture abstraite souhaitée.FIPA a proposé une spécification qui satisfaitaux composants (1, 2, 3, 4) [13].L’adoption de cette architecture abstraite baséesur les paradigmes Système Multi Agents (SMA)permet de répondre aux contraintes autonomie etcollaboration. Nous allons étendre cettespécification pour répondre aux différents pointssoulevés dans la problématique, et dans certain casM. RABBAH Collaboration entre les robots intelligents et les objets connectés, opportunités et défis 3Mediterranean Telecommunications Journal Vol. 6, N° 2, June 2016 ISSN: 2458-6765introduire plus de spécificités pour que ça soit enadéquation avec le monde de la robotique et desobjets connectés.B. Etat de l’art sur l’utilisation du SMAGénéralement le SMA était utilisé pour sagrande flexibilité et la capacité de réutilisation descomposants dans différents projets. Plusieurspatterns ont était proposés pour son implémentationau niveau des Multi-Robots System, prouvant ungain au niveau du temps de développement [14].L’implémentation des agents est soit sous forme depyramide ou couches [14] : Couche acquisition et commande : des agentsont étaient développé pour l’acquisition et lacommande des moteurs et capteurs, utilisant le basniveau des drivers. Ces agents peuvent êtreréutilisés dans d’autre projet ou on va réutiliser lemême composant physique. Couche traitement des données : on trouve lesagents avec les fonctions de calculs. Couche cognitive : l’intelligence implémentéeau niveau des agents consiste généralement à desalgorithmes de résolution des problématiquesclassiques liés aux robots.Soit l’implémentation des agents est libre et lacommunication entre eux est sans restriction. Dansce cas, les aspects sécurité, fiabilité et continuitéd’exécution priment. Généralement, on désigne unagent comme modérateur pour gérer les conflits deprise de décision [15].La distribution des agents peut être catégoriséesous trois formes [16] : Agents embarqués au niveau du robot. Agents situés au niveau d’un serveur. Distribution hybride : Les agentsd’intelligence et calcul sont externes au robot, et lesagents acquisitions et commandes sont embarqués.Côté communication, on distingue trois familles : Communication Inter-Robot : les tâches entresles agents sont réparties sous forme d’IAD. Lacommunication entre eux est en temps réel. Elles’appuie sur des protocoles comme l’Inter-Process-Communication et des langages spécifiques [17]. Communication entre les robots : plusieursétudes ont comparés différents Middleware decommunication entre les robots : SOAP, RMI,CORBA, JNI, dont une ici [18]. Communication entre robots et autres objetsconnectés, serveurs, bases de données, Webservices ou robots de types différents.Un des travaux a proposé une méthodologie pourcerner les spécifications d’un projet dedéveloppement en s’appuyant sur le paradigmeSMA [19]. Les architectures discutées ont faitl’objet d’instanciation sous forme de Frameworksdont une étude comparative [20]. Enfin, plusieursenvironnements de développement des robotsmobiles autonomes ont vu le jour, dont unecomparaison [21].C. Architecture de déploiement :Notre architecture comporte trois couches et troisannuaires à savoir : La couche 1 : responsable sur l’acquisition desdonnées depuis les entrées et la commande dessorties, elle est embarquée avec le robot mobile,cette couche n’a pas l’obligation d’adopter leparadigme SMA, comme elle dépend du systèmeopératoire embarqué, et les exigences du fabriquanten terme de commande et d’acquisition. La couche 2 : responsable sur les calculs, lacommunication et l’implémentation de l’IA, elledoit permettre l’autonomie du robot durantl’exécution de ces tâches spécifiques dans sonenvironnement local. En cas de besoin elle peutfaire appel aux annuaires et à la couche 3 pourrésoudre des problèmes complexes, une fois cettecouche reçoit la solution, elle la stock en interneafin de garder l’autonomie en cas de rupture de lacommunication avec l’extérieur. L’implémentationde l’IA n’est pas obligatoire dans ce niveau. Cettecouche peut être embarquée ou non avec le robot etelle est basée sur le paradigme Multi-agents. La couche 3 : Comporte l’ensemble desalgorithmes et solutions aux problèmes liés à larobotique, ainsi que des systèmes experts et unmoteur d’inférence, cette couche sera accessiblesous forme de plateforme collaborative hébergéedans le Cloud, permettant le développement d’IADd’une façon collaborative. Annuaire des solutions et de l’IAD commune :avant de contacter la couche 3 le robot cherchel’existence d’une solution à ce niveau. Annuaire des objets connectés et des robots :permettra la recherche par nom ou identifiant. Annuaire des services : permettra de chercherun objet connecté ou un robot par servicesproposés, les robots ainsi que les objets connectésdoivent s’enregistrer auprès de cette annuaire ainsique d’indiquer leurs états de fonctionnement.Fig. 2.  Architecture de déploiement, en mettant en avantles couches et les annuaires souhaités.D. Architecture de communicationLa figure 3 illustre l’architecture de communicationsouhaitée. Nous distinguons cinq canaux à savoir :M. RABBAH Collaboration entre les robots intelligents et les objets connectés, opportunités et défis 4Mediterranean Telecommunications Journal Vol. 6, N° 2, June 2016 ISSN: 2458-6765 Bridge 1 : il représente la communicationentre la couche 1 et la couche 2, deux cas de figurese présentent, soit la couche 1 peut implémenter leSMA alors la communication entre la couche 1 et lacouche 2 se résume à une communication entreagents, soit elle ne le permet pas, dans ce cas ondoit vérifier les possibilités d’interfaçage proposéespar l’architecture du constructeur. Canal 1 : Il représente la communication entreles robots homogènes ou hétérogènes c’est unecommunication multi-agents. Canal 2 : La communication entre les robots etla plateforme Cloud et les annuaires. Canal 3 : La communication entre les robots etles objets connectés c’est elle qui va permettred’étendre les capacités d’acquisition et decommandes des robots. Canal 4 : Représente la communication directeentre le robot et certains services à travers lesréseaux locaux ou le web.Fig.3. Architecture de communication entre les robotshétérogènes, les objets connectésIV. CONCLUSION ET PERSPECTIVEDans cette étude nous avons fait un tour d’horizonsur les nouveaux défis et opportunités qui seprésentent aux robots, ce qui nous a incité àréfléchir sur une architecture adéquate pour étendreleurs capacités et permettre une meilleureinteraction avec les ressources existantes. Lesprochains travaux vont détaillés chaque brique del’architecture, par la suite nous allons l’instancierdans un Framework. Enfin nous validerons cestravaux en réalisant des applications avec différentstypes de robots et objets connectés.REFERENCES[1] Realising the potential of the connected life. Available from :http://www.gsma.com/connectedliving/wp-content/uploads/2012/05/Realising-the-potential-of-the-Connected-Life-GSMA.pdf[2] World Robotics 2015 Industrial Robots. 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