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Robot à pattes

Les robots à pattes sont un type de robot qui pour leur mobilité utilisent des membres articulés, tels que des mécanismes de jambes, pour assurer leur locomotion.

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Ils imitent généralement un animal (mammifère quadrupède, insecte ou arachnide). Le biomimétisme[1],[2] les rend dans certains contextes nettement plus polyvalents que les robots à roues car ils peuvent traverser de nombreux types de terrains, mais consomment plus d'énergie.

Les robots humanoïdes et quadrupèdes, qui ont longtemps relevé de la science-fiction, ont fait de grands progrès — en termes de matériel, locomotion, autonomie, données et applications ; ils sont les plus courants[3]. Les avancées portent notamment sur la robustesse mécanique, la capacité à se déplacer sur des terrains variés, l'intégration de stratégies de contrôle plus autonomes, l'exploitation de données riches pour l'apprentissage, et l'élargissement des usages dans des environnements industriels, logistiques ou de recherche[3].

Histoire et utilisations

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Les robots à pattes (« polypodes » : bipèdes, quadrupèdes, hexapodes) sont devenus l'un des domaines clé de l'ingénierie de l'intelligence artificielle, de la bionique, du contrôle et des interactions robot-environnement, alors que leur mobilité et adaptabilité ont été considérablement améliorées grâce aux avancées récentes de l'IA dite « incarnée », mais aussi des mécanismes de marche, et des modèles dynamiques[4].

Un robot hexapode, dès la fin des années 1970, est testé par l'université d'État de l'Ohio, utilisé comme plateformes de développement pour, notamment, développer le contrôle numérique des Actuateurs de « robots marcheurs ».

La recherche universitaire sur le sujet s'est amplifiée dans les années 1980[5], à l'époque où le roboticien américain Marc Raibert fait passer les robots à pattes de simples robots statiquement équilibré, à des robots marcheurs dotés d'une stabilité dynamique[6], notamment grâce à un « contrôleur de marche » fondé sur le « modèle du pendule inversé linéaire » (LIPM, un modèle simplifié où UN bâton ou pendule rigide vertical, instable, est représenté par un point de masse au‑dessus d'un pivot, avec des équations linéarisées, c'est à dire simplifiées où l'on ne garde, métaphoriquement, que la partie à peu près droite d'un phénomène complexe)[7]. Des robots bipèdes et quadrupèdes ont aussi servi de modèles physiques pour étudier la locomotion[8]… mais le défi de la « course bipède » ne sera remporté qu'au milieu des années 2020[9].

Dans la décennie 2015-2020, des avancées matérielles et logicielles[10],[11],[12],[13],[14] combinent leurs effets aux progrès de la miniaturisation et de l'Internet des objets, alors que les actionneurs se font plus fiables, plus petits et moins coûteux[15]. Leurs coûts diminuent. Le calcul embarqué, l'apprentissage par renforcement et les logiciels open-source[16] transforment alors les robots à pattes en systèmes de plus en plus agiles et capables de se déplacer de façon autonome en extérieur ; ils dotent ces robots d'une « compréhension » inédite de leur environnement[3].

Des tels robots servent aussi d'outils scientifiques d'acquisition de données environnementales, d'échantillonnage du sol[17] et l'observation d'animaux dans leur habitat[18],[19], tandis que des agences spatiales explorent leur potentiel pour marcher, grimper, escalader et progresser dans des environnements extraterrestres où les rovers à roues sont limités… malgré des défis persistants de gestion thermique, énergétique et de fiabilité dans ces environnements « hostiles ».

L'agilité et l'expressivité de certains de ces robots font qu'ils ont été aussi adoptés dans les arts et le divertissement, dont avec des « robots sociaux » comme AIBO ou NAO, avec jusqu'à des incarnations de personnages de cinéma. Dans ces cas, de nouvelles architectures d'intelligence artificielle rapprochant « réflexes » et « cerveau » permettent de concevoir des machines capables non seulement d'agir avec robustesse, mais aussi de devenir des compagnons émotionnels capables de comprendre le contexte et de s'accorder aux humains[20].

En 2026, localement, certains de ces « robots marcheurs intelligents », travaillent en usine ou livrent des colis directement aux portes d'entrée[21],[22]. Et de nombreux autres sont testés comme preuve de concept (dont pour des opérations de recherche et de sauvetage, par exemple avec le système multi-plateformes Cerberus, développé par un consortium mené par l'ETH Zurich, l'université d'Oxford, le NTNU/université du Nevada et d'autres partenaires et laboratoires et primé en 2021 ; Cerberus combine des robots à pattes (Spot modifié, ANYmal) à des robots volants et à une pile logicielle d'autonomie, de perception et de planification unifiée pour explorer des environnements souterrains, sans GPS, éventuellement avec une visibilité dégradée, des communications limitées, et dans un environnement à géométrie complexe[23]. Certains sont testés par des militaires[24], dont sur le champ de bataille russo-ukrainien en Europe (dont le Phantom MK‑1conçus par la start‑up américaine Foundation Robotics, ici pour des missions de reconnaissance)[25].

Saut, et de schéma d'appui sur le sol

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Idéalement, les robots marcheurs doivent apprendre à se mouvoir sans risque de chute (ou avec des chutes résilientes), même sur des terrains encombrés, accidenté ou mouvants (sur un navire sur des vagues par exemple). Ceci implique un contrôle précis, dynamique et en temps réel des actionneurs de ses membres locomoteurs et/ou équilibrateurs. Un système de contrôle fin de leur démarche maintient leur équilibre où divers capteurs permettent d'ajuster le placement des pieds. Pour cela, des algorithmes de planification et une intelligence embarquée règlent en permanence la direction et la vitesse du mouvement[26].

Pour cela, le centre de gravité du marcheur doit être soutenu (soit statiquement en veillant à ce que le centre de gravité soit toujours situé à l'intérieur de la zone de support formée par les membres locomoteurs (jambes ou « pattes ») en contact avec le sol ; soit dynamiquement en maintenant la trajectoire du centre de gravité de manière à ce qu'il puisse être repositionné par les forces d'une ou plusieurs de ses jambes).

Le saut

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Les robots marcheurs sont parfois aussi sauteurs, et alors bioinspirés en termes de puissance d'impulsion/amortissement, de coordination des membres et de stratégies de contrôle — à partir de modèles naturels que sont par exemple la grenouille, le criquet ou le kangourou[27] ; ces robots doivent calculer et optimiser en temps réel leur trajectoire, leur équilibre et leur réception en fin de saut (et une cinétique de rétablissement postural rapide en cas de chute accidentelle). Ceci implique que leurs concepteurs aient bien modélisé les aspects dynamiques et de contraintes physiques du saut, du rebond, d'une glissade ou d'une roulade… Ceci implique aussi une combinaison fluide du saut avec d'autres modes de locomotion, et d'affiner les méthodes d'apprentissage, pour créer des robots aux comportements de sauts plus adaptatifs et robustes en contexte incertain, et en tenant préventivement compte des limites du saut pour les « robots lourds » ou chargés[28] ; en 2026, il existait plus de trente robots bipèdes, quadrupèdes et « hybrides roue‑pattes » capables de sauter[28].

Arts martiaux comme source d'inspiration

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L'étude de postures et d'enchainements bioinspirés par les arts martiaux est un champ émergent de la robotique (robotique humanoïde essentiellement). Elle vise à transférer vers les machines les principes biomécaniques, posturaux et décisionnels observés chez les pratiquants humains (avec ou sans armes), et à aider les robots (humanoïdes notamment) à changer de mouvement de manière fluide (sans perte d'équilibre) par exemple pour courir, puis sauter, puis éviter un obstacle, effectuer une roulade et se relever dans une même séquence…)[29].

Les recherches menées depuis les années 2000 montrent ou confirment que les arts martiaux offrent un corpus unique de mouvements extrêmes et/ou hautement dynamiques — coups de pied, esquives, rotations, impulsions, chutes/roulades résilientes[30], qui combinent une gestion des impacts, une stabilité active, une anticipation et une coordination segmentaire (coordination neuromusculaire — en partie réflexe chez l'humain — des « segments » du corps que sont les jambes, bras, tronc, tête, etc. qui s'organisent et se synchronisent entre eux pour produire un mouvement efficace). Ce sont autant d'éléments précieux pour concevoir des robots capables d'agir dans des environnements complexes et face à des situations inattendues ou de danger.

Les études ont notamment porté sur la modélisation de gestes martiaux (déjà très avancée pour les jeux vidéo et le cinéma notamment), afin d'améliorer la biofidélité des mouvements de membres, sur l'analyse des « gaits » (c'est à dire des manières de marcher ou se déplacer, autrement dit des schémas de locomotion (séquence des appuis, rythme, coordination des membres) utilisés par le pratiquant d'arts martiaux, ou par un animal ou un robot en mouvement dans une situation de « combat »)[31]. Les chercheurs, dont via l'apprentissage automatique, peuvent ainsi améliorer les postures et l'équilibre de robots bipèdes (ou à plusieurs pattes), sur la base d'une intégration de stratégies d'attaque/défense ou évitement[31]. Des robots d'arène et de spectacles emblématiques de robots humanoïdes inspirés par le tai-chi, le kung-fu, le Bō-jutsu, le karaté ou la boxe ont démontré l'efficacité de l'apprentissage automatique dans ce domaine, et un coaching robot‑vers‑humain est envisagé (y compris pour un entrainement de type Shadow boxing, consistant à pratiquer dans le vide, contre un adversaire imaginaire)[31].

Au‑delà des robots humanoïdes, les arts martiaux peuvent inspirer des robots quadrupèdes, roulants ou hybrides. Ces derniers peuvent en effet exploiter les mêmes principes de gestion de l'impact, de transmission d'énergie, de postures défensives et de coordination segmentaire, etc. qui peuvent être adaptés, déclinés, à des morphologies variées. Ainsi, des robots d'arène martiale équipés de roues, utilisent des stratégies dérivées des techniques d'attaque/défense pour optimiser les trajectoires, absorber les chocs et stabiliser la « plateforme » lors de collisions ; et des études de fiabilité et de kinodynamique ont adapté des concepts martiaux à des systèmes non humanoïdes pour améliorer leur robustesse. Certains projets ont également transposé des principes de « gait martial » — ancrage, transfert de poids, esquive — à des robots quadrupèdes ou à pattes multiples afin d'accroître leur stabilité dynamique[31].

Les arts martiaux servent aussi de cadre pour développer des robots plus expressifs (parfois plus agressifs), plus robustes aux collisions, aux capacités prédictives améliorées, constituant des systèmes plus autonomes et agiles, éventuellement armés et éduqués pour le combat, ce qui suscitent des questions éthiques jusqu'ici réservées à la science fiction. L'usage de robots sophistiqués pouvant tuer ou infliger des coups, immobiliser ou neutraliser une personne devient probable, posant des questions éthiques, morales et juridiques majeures de responsabilité, de contrôle humain significatif, de proportionnalité et de respect des droits fondamentaux, en particulier dans les contextes de maintien de l'ordre et d'opérations militaires[32]. Peut-on, doit-on ou veut-on déléguer de la violence à des machines, alors même que de nombreuses IA de pointe se montrent mal alignées et capables de mentir ou désobéir pour atteindre leurs objectifs. Des recherches sur la « robot self‑defense » examinent l'acceptabilité sociale et les dilemmes moraux associés à des robots capables de riposter ou de protéger un humain en causant potentiellement des blessures. Des experts en IA et des organisations de défense des droits humains alertent sur les dangers des systèmes autonomes capables d'appliquer une force, surtout sans supervision humaine adéquate, estimant qu'ils peuvent violer les principes de dignité, de non‑discrimination et de droit à la vie[32]. Leurs travaux montrent que doter des robots de capacités martiales soulève des enjeux éthiques comparables à ceux des armes autonomes, incluant la nécessité d'un contrôle humain éthique, d'une stricte prévention des abus, d'une gestion et réparation des erreurs (quand cela est possible) et la protection des personnes vulnérables[32],[33],[34].

Sources d'énergie et type de motorisation

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La motorisation des robots à pattes tend à abandonner les actionneurs hydrauliques au profit de multiples moteurs électriques, sous l'effet combiné de progrès en mécatronique, de contraintes d'usage et d'exigences de sûreté et de propreté (on évite ainsi les fuites d'huile) : historiquement privilégiée pour sa puissance spécifique élevée, sa tolérance aux chocs et sa capacité à produire des efforts continus, l'hydraulique souffre de limites structurelles — fuites, maintenance lourde, bruit, encombrement, inefficacité énergétique — qui la rendent moins adaptée aux robots mobiles, collaboratifs ou destinés à des environnements propres ; et inversement, les actionneurs électriques modernes sont de plus compacts, précis, efficaces et surtout directement et facilement intégrables aux architectures de contrôle numérique, facilitent la locomotion dynamique, la manipulation fine et linterfaçage avec lIA. Ceci se fait au prix dune force maximale moindre, et d'un risque de surchauffe et de dégradation des batteries en charge soutenue.

Multiplier le nombre de pattes articulées implique une multiplication des actionneurs, et un coût accru de contrôle et de coordination entre les segments et et souvent une consommation énergétique accrue ; mais en contrepartie la stabilité intrinsèque du robot est bien supérieure, avec une redondance des appuis, une meilleure capacité de franchissement et une tolérance accrue aux pannes.

Types

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Les « robots à pattes » peuvent être classés selon leur nombre de membres, qui détermine leurs modes de locomotion disponibles. Les robots à plus de deux pattes tendent à être plus stables, tandis qu'un nombre réduit de pattes leur confère une plus grande maniabilité.

Robot unijambiste

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Des robots à une jambe, à ressort, utilisent le saut pour se déplacer[28]. Dans les années 1980, l'université Carnegie-Mellon a développé un tel robot pour étudier l'équilibre[35].

Robot bipède

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La plateforme robotique bipède du robot Cassie.
ASIMO, exemple de robot bipède, produit par Honda au début des années 2000[36].

Les robots bipèdes, pour certains bio-inspirés des pattes d'oiseaux ou de dinosaures (comme pour le robot Cassie)[37] ont l'avantage de pouvoir se déplacer et fonctionner dans des environnements conçus pour l'humain. Ces robots peuvent se stabiliser dynamiquement avec un faible encombrement au sol[6], mais ils sont confrontés à deux problèmes principaux :

  1. le contrôle de stabilité, qui fait référence à l'équilibre du robot, et
  2. le contrôle de mouvement, qui fait référence à sa capacité à se déplacer.

Le contrôle de la stabilité est longtemps resté très difficile pour les systèmes bipèdes, qui doivent constamment maintenir l'équilibre dans la direction avant-arrière, droite-gauche et même au repos[1]. Certains robots (jouets notamment) résolvent ce problème par une grande surface de pieds (offrant une plus grande stabilité mais en réduisant leur mobilité). Alternativement, des systèmes plus avancés utilisent des capteurs tels que des accéléromètres et/ou des gyroscopes pour fournir une rétroaction dynamique se rapprochant de celle des animaux bipèdes (dont humains)[1]. La complexité de ces tâches se prête à l'apprentissage automatique[2].

Le mouvement bipède simple peut être approximé par un polygone roulant dont la longueur de chaque côté correspond à celle d'un seul pas. À mesure que la longueur du pas diminue, le nombre de côtés augmente et le mouvement se rapproche de celui d'un cercle. Cela relie le mouvement bipède au mouvement sur roues en tant que limite de la longueur de foulée[2].

Les robots bipèdes comprennent, notamment :

  • Cassie, un robot bipède développé par Agility Robotics, conçu autour d'une architecture de pattes inspirée des échassiers et des dinosaures, optimisée pour la locomotion dynamique et l'efficacité énergétique. Utilisé comme plateforme de recherche dans de nombreux laboratoires, il a démontré des capacités avancées de marche autonome en environnements variés grâce à des contrôleurs fondés sur les contraintes virtuelles et l'apprentissage ;
  • Atlas de Boston Dynamics ;
  • Des robots jouets tels que QRIO et ASIMO ;
  • Le robot Valkyrie de la NASA, destiné à aider les humains sur Mars[38] ;
  • Le robot TOPIO (développé en 2005 par TOSY) qui joue au ping-pong,
  • divers projets étudiants[39].

Robot tripode

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Vue de dessus (a) et vue isométrique (b) d'un robot tripode, à trois pattes rigides actionnées indépendamment, qui peut produire translation et rotation grâce à des mouvements sinusoïdaux et aux variations de force de contact.

Les robots martiens et tripodes de la guerre des mondes, imaginés par H.G. Wells en 1898, étaient supposés mesurer 30 mètres de haut et marcher sur trois jambes, en semant la terreur sur Terre, via leurs rayons ardents.

La « solution tripode » est très rarement utilisée par la robotique terrienne. Mais une locomotion tripode expérimentale a été testée, basée sur la friction de corps et la recherche de variantes biomimétiques de configurations non bilatérales, car la géométrie tripode est la configuration minimale à trois points de contact permettant un mouvement stable, tout en réduisant la complexité expérimentale et analytique des dynamiques non linéaires. En 2000, Bevly et al. montrent qu’un robot tripode peut escalader verticalement une paroi[40].

Des exemples de robots tripodes sont :

  • le THALer (par Webb et al. en 2015)[41] ;
  • le STriDER (par Heaston et al. en 2007)[42] ;
  • le Tripody, un robot parallèle à trois jambes de type 3‑SPR conçu pour des tâches de construction en hauteur, combinant trois jambes articulées autour d’une structure rigide et démontrant une bonne précision et une forte rigidité (ici le qualificatif parallèle désigne une architecture mécanique où l'effecteur mobile (la plateforme ou la tête du robot) est relié à la base par plusieurs jambes ou chaînes cinématiques qui agissent simultanément (chacune contribuant directement au positionnement final) ; contrairement aux robots sériels, où une seule chaîne articulée transmet le mouvement de la base vers l’extrémité, un robot parallèle répartit l’effort entre plusieurs jambes travaillant en parallèle, ce qui augmente la rigidité, la précision et la capacité de charge, tout en réduisant l’espace de travail et en complexifiant la cinématique inverse (Kindle et al., 2026)[43] ;
  • le robot SKOOTR (tripode omnidirectionnelle, intégrant une sphère centrale pour améliorer la stabilité et permettre des gaits variés, avec franchissement d’obstacles et des manœuvres rapides[44].

Robot quadrupède

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Le robot quadrupède « BigDog » a été conçu comme une mule, capable de traverser des terrains difficiles.

Les robots quadrupèdes présentent un mouvement offrant une stabilité accrue (par rapport aux robots bipèdes), notamment lors des déplacements. À faible vitesse, le robot quadrupède ne déplacer qu'une patte à la fois, assurant ainsi un trépied stable, favorable à leur utilisation dans des tâches où ils assisteraient humain (pour le port de charge lourde par exemple)[45]. Il bénéficie aussi d'un centre de gravité généralement plus bas que les systèmes à deux pattes[1] et peut porter des charges lourdes (jusqu'à 180 kg vers 2025)[3].

Ils comprennent notamment :

  • La série TITAN, développée depuis les années 1980 par le laboratoire Hirose-Yoneda[1] ;
  • Le BigDog, un robot dynamiquement stable, créé en 2005 par Boston Dynamics, le Jet Propulsion Laboratory de la NASA et la station de terrain Concord de l'université Harvard[46] ;
  • Le successeur de BigDog, le Legged Squad Support System (LS3) ;
  • Spot, également créé par Boston Dynamics ;
  • ANYmal et ANYmal X (version antidéflagrante) d'ANYbotics[47] ;
  • Le nouveau mini robot guépard, capable de faire des saltos arrière, produit par le MIT[48],[49],[50] ;
  • Aliengo[51], d'Unitree Robotics ;
  • Chiot de Stanford[52] ;
  • Les robots de l'Open Dynamic Robot Initiative avec 8DOF et 12DOF[53] ;
  • Botcat-robot, doté d'une colonne vertébrale mobile[54] ;
  • Robot Cheetah-Cub, du laboratoire "Biorobotics Laboratory"[55] ;
  • Robot Oncilla, également du laboratoire "Biorobotics Laboratory" (en source ouverte)[56] ;
  • Robot Morti, du "Dynamic Locomotion Group "[57] ;
  • le "Honey Badger", du MAB Robotics[58].

Robot hexapode (à six pattes)

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Les robots à six pattes, ou hexapodes, sont motivés par le désir d'une stabilité encore meilleure que celle des robots bipèdes ou quadrupèdes. Ils sont souvent inspirés des mécanismes de locomotion des insectes, et leurs allures peuvent les évoquer, avec :

  • une allure ondulatoire : l'allure la plus lente, dans laquelle les paires de pattes se déplacent en « vague » de l'arrière vers l'avant ;
  • une démarche tripode : un pas légèrement plus rapide, dans lequel trois pattes se meuvent simultanément. Les trois pattes restantes forment un trépied stable pour le robot[1].

Les robots à six pattes comprennent :

  • le LAURON, un robot à six pattes d'inspiration biologique développé au FZI Forschungszentrum Informatik en Allemagne ;
  • l'Odex, un hexapode de 170 kg développé par Odetics dans les années 1980. Odex se distinguait par ses ordinateurs de bord, qui contrôlaient chaque jambe[59] ;
  • le Genghis, l'un des premiers robots autonomes à six pattes, créé au MIT par Rodney Brooks, dans les années 1980 <,ref name="Bekey"/>[60] ;
  • une série de jouets modernes : Hexbug.

Robot octopode (à huit pattes)

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Les robots à huit pattes s'inspirent des arachnide (voire de la pieuvre, en robotique molle, pour certains robots sous-marins par exemple). Ils sont nettement plus stables que les robots à six pattes[1].

Les robots à huit pattes comprennent par exemple :

  • le Dante, un projet de l'université Carnegie-Mellon conçu pour explorer le mont Erebus[1] ;
  • le T8X, un robot disponible dans le commerce conçu pour imiter l'apparence et les mouvements d'une araignée[61] ;
  • le ReachBot, inspiré des arachnides, doté d'appendices extensibles munis de micro‑griffes pour progresser dans des environnements rocheux tels que les tubes de lave[62]

Robots hybrides

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Plusieurs types de prototypes de robots, bipèdes[63] ou quadrupèdes utilisent une combinaison de pattes et de roues. Cette combinaisaon leur confère une meilleure vitesse (sur terrain plat ou peu accidenté), et une meilleure efficacité énergétique (par rapport à la navigation sur pattes).

Ces robots combinent deux modes de locomotion historiquement séparés (le second n'ayant jamais été sélectionné par la sélection darwinienne dans le monde animal). Cette approche, notamment illustrée par l'augmentation de la plateforme ANYmal (robot quadrupède créé en 2015 dont les pattes sont terminées par une boule)[64] par des roues apposées aux pattes, a permis de tirer parti de la mobilité économique et rapide du roulement sur surfaces planes tout en conservant les capacités de franchissement et d'adaptation au terrain propres aux robots marcheurs[65].

L'ajout de roues implique une extension des architectures mécaniques et des stratégies de contrôle (maintenant souvent fondées sur des modèles d'intelligence artificielle entraînés en simulation à partir de jeux de données riches décrivant l'état du robot et son environnement).

Ces systèmes hybrides peuvent s'appuyer sur des piles de perception avancées incluant localisation globale, Lidar et vision stéréoscopique qui ont démontré leur robustesse et leur endurance lors de parcours urbains de longue distance, montrant que la combinaison du roulage et de la marche ouvre la voie à des robots capables d'opérer efficacement dans des environnements variés et étendus.

Par exemple, le robot Handle de Boston Dynamics, est bipède, mais doté de roues sur les deux jambes[66]. Un robot, très mobile, est doté de 4 roues sur jambes[67].

Prospective

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Les robots à pattes constituent depuis le milieu des années 2020 une classe de machines susceptibles de transformer profondément les modes de travail, d'interactions humain-machine, de coexistence entre humains et systèmes intelligents, des défis majeurs subsistent, qu'il s'agisse d'améliorer la fiabilité des comportements basés sur les modèles cinématiques et de dynamiques ; de garantir la sécurité des interactions ; d'optimiser leur efficacité énergétique ou de développer des « cadres de données » adaptés à l'entraînement de politiques de locomotion et de manipulation.

Leur potentiel social, économique, éducatif, militaire, voire sexuel a aussi des implications éthiques, philosophiques et morales nouvelles et complexes, que les politiques publiques et d'entreprises privées explorent encore.

Références

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Voir aussi

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Bibliographie

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Articles connexes

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