Un microphone 3D à capteur unique permet aux robots de localiser les humains dans des environnements bruyants
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Une équipe de recherche a développé une nouvelle technologie auditive permettant de reconnaître la position humaine à l'aide d'un seul microphone. Cette technologie facilite l'interaction sonore entre humains et robots, même dans les environnements industriels bruyants.
L'équipe de recherche a mis en œuvre avec succès le premier capteur auditif 3D au monde qui « voit l'espace avec les oreilles » grâce à des technologies de localisation de sources sonores et de communication acoustique.
Les résultats de la recherche sont publiés dans la revue Robotics and Computer-Integrated Manufacturing . L'équipe comprend le groupe du professeur Sung-Hoon Ahn, du département de génie mécanique de la faculté d'ingénierie de l'université nationale de Séoul.
Dans les environnements industriels et de secours en cas de catastrophe, le son constitue un signal crucial. Même lorsque les capteurs visuels ou la communication électromagnétique sont rendus inefficaces par des températures élevées, la poussière, la fumée, l'obscurité ou des obstacles, les ondes sonores peuvent transmettre des informations vitales.
Cependant, les technologies de détection acoustique existantes présentent des limites de précision ou nécessitent des configurations d'équipement complexes, ce qui complique les applications industrielles pratiques. Par conséquent, le son n'a pas été pleinement exploité comme ressource de détection malgré son potentiel.
Dans les environnements bruyants comme les usines, des technologies de détection acoustique avancées sont particulièrement nécessaires, car il est extrêmement difficile d'identifier précisément la position humaine ou de permettre aux robots de reconnaître des commandes verbales. De plus, les méthodes de communication traditionnelles rencontrent des difficultés dans les environnements dépourvus d'infrastructure réseau, ce qui souligne la nécessité de nouvelles technologies de communication de robot à robot utilisant le son.
(De gauche à droite) Principe de fonctionnement du mécanisme d'annulation de phase utilisant une métastructure acoustique, l'amélioration de la directivité d'un capteur unique (performances de formation de faisceau) et la détection acoustique 3D par rotation (3DAR). Crédit : Robotics and Computer-Integrated Manufacturing , initialement publié dans Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.
Pour répondre à ces questions fondamentales, l'équipe de recherche a développé le premier capteur auditif 3D au monde basé sur une métastructure, capable de reconnaître la position à l'aide d'un seul capteur. Ce capteur intègre deux technologies clés : une technologie de perception acoustique 3D qui estime la position 3D des humains ou des objets, même dans des environnements bruyants, et une technologie de communication double basée sur les ondes sonores qui permet de nouvelles interactions entre humains et robots, ainsi qu'entre robots.
L'équipe du professeur Ahn s'est concentrée sur les mécanismes biologiques des chauves-souris et des dauphins, qui reconnaissent leur environnement et communiquent uniquement par le son. Ils ont notamment cherché à développer la capacité auditive à « sélectionner des sons provenant de directions spécifiques », permettant ainsi d'isoler les sons souhaités au sein d'un bruit complexe.
Pour y parvenir, ils ont conçu un mécanisme d’annulation de phase basé sur une métastructure qui ajuste artificiellement la phase des ondes sonores arrivant de différents chemins, amplifiant les sons provenant de directions spécifiques tout en annulant les autres.
En combinant ce mécanisme avec un microphone unique et un dispositif rotatif, l'équipe a intégré une fonctionnalité de suivi de source sonore 3D, auparavant réservée aux systèmes multicapteurs, dans un seul capteur. Ils ont baptisé ce système 3DAR (3D Acoustic Ranging).
De plus, s'inspirant des principes de communication bifréquence des dauphins, les chercheurs ont conçu un double canal acoustique séparant les fréquences audibles et inaudibles. Cette structure permet aux humains et aux robots de communiquer en utilisant des fréquences audibles (sons que les humains peuvent entendre), tandis que les robots communiquent entre eux en utilisant des fréquences inaudibles (sons que les humains ne peuvent pas entendre). Cette conception minimise les interférences et offre des voies de communication indépendantes entre les robots, facilitant ainsi des scénarios collaboratifs plus complexes en milieu industriel.
Ces deux technologies sont intégrées dans un système unique de capteurs auditifs 3D à métastructure, que l'équipe de recherche a implémenté avec succès sur une plateforme robotique réelle. Des tests sur le terrain ont été réalisés en usine et en environnement quotidien. Un robot quadrupède équipé de ce système a notamment interagi avec succès avec des humains par le son et a détecté des fuites de gaz grâce au son.
La technologie développée dans le cadre de cette recherche devrait être largement applicable dans divers domaines, notamment le suivi de la position des ouvriers dans les usines, la collaboration homme-robot basée sur la voix et l'assistance aux robots pour reconnaître et répondre aux appels de secours en cas de catastrophe. De plus, le faible coût et la compacité du capteur par rapport aux systèmes existants le rendent facilement déployable en milieu industriel.
(De gauche à droite) Le professeur Sung-Hoon Ahn (auteur correspondant), le doctorant Semin Ahn (premier auteur), le doctorant Jun Heo (coauteur) et l'étudiant en master Jae-Hoon Kim (coauteur), tous du département de génie mécanique de l'Université nationale de Séoul. Crédit : Faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Séoul.
Son utilité devrait être particulièrement élevée dans les usines de fabrication autonomes à base de cellules. Grâce à cette technologie, le suivi en temps réel de la position des travailleurs peut éviter les collisions avec les robots, et la communication avec eux par le seul son – sans gestes ni boutons – peut améliorer la liberté physique des travailleurs, permettant une collaboration plus efficace.
De plus, la communication entre robots via le son, sans recourir aux réseaux traditionnels, permet une coordination flexible et organique entre plusieurs robots sans infrastructure de communication complexe.
Cette technologie devrait également s'avérer précieuse pour la surveillance automatisée des usines 24h/24. Elle peut détecter et localiser automatiquement les sons indiquant des fuites de canalisations, des anomalies de machines ou des accidents de travail, permettant ainsi une intervention immédiate. De plus, grâce à sa conception compacte et économique basée sur un seul capteur, le système est polyvalent et s'adapte facilement à d'autres sites industriels en transition vers l'automatisation.
Le professeur Sung-Hoon Ahn a souligné le potentiel de la technologie auditive, déclarant : « Contrairement aux ondes électromagnétiques utilisées dans les technologies de communication traditionnelles, qui sont obstruées par des murs ou des obstacles, le son peut traverser des espaces étroits et être entendu, ce qui en fait un moyen prometteur pour de nouvelles méthodes d'interaction. »
Semin Ahn, doctorant et auteur principal de l'article, a commenté le processus de recherche : « Auparavant, la détermination de positions à l'aide du son nécessitait plusieurs capteurs ou des calculs complexes. Le développement d'un capteur 3D capable de localiser précisément des sources sonores à l'aide d'un simple microphone rotatif ouvre de nouvelles perspectives en matière de technologie de détection acoustique. »
Ahn, doctorant au Laboratoire de conception innovante et de fabrication intégrée de l'Université nationale de Séoul, mène actuellement des recherches sur le développement d'un « filtre passe-bande acoustique » basé sur des structures intelligentes. Cette technologie vise à capturer sélectivement des sons de fréquences spécifiques, même dans des environnements très bruyants.
Le plan futur consiste à améliorer le système 3DAR pour en faire un système auditif robotique plus avancé, en l'intégrant à des systèmes cognitifs basés sur un grand modèle de langage (LLM) pour permettre aux robots de comprendre la signification des sons comme les humains, et en appliquant cela aux robots humanoïdes.