Robotique industrielle

Un robot industriel Motoman SDA10, robot d'assemblage

Un robot industriel est un système ayant plusieurs axes à l’image d’un bras humain, souvent composé de six degrés de liberté, trois axes destinés au positionnement et trois axes à l’orientation permettant de déplacer et d'orienter un outil (organe effecteur) dans un espace de travail donné.

On peut distinguer :

• les robots de montage, de dimension souvent plus réduite,
• les robots mobiles destinés à l’inspection, souvent associés à de l’intelligence artificielle et capables, dans certains cas, de prendre en compte l’environnement.

Un robot se compose d'une partie mécanique, le bras lui-même, d'une armoire de commande composée d'une unité centrale qui pilote les électroniques de commande d'un ou plusieurs axes qui en assure l’asservissement, de variateurs de vitesse et d'un langage de programmation spécialisé qui permet de commander le robot (LM[alpha 1] développé par l'Ensimag Grenoble, langage Adept type basic) qui intègre un transformateur de coordonnées pour transformer une valeur cartésienne en données codeur du moteur.

Certains robots disposent d'un mode d'apprentissage qui permet de répéter les mouvements réalisés librement à la main, l'élément essentiel étant la fidélité[alpha 2] la capacité du robot à atteindre successivement la même position dans une tolérance définie, une procédure d'étalonnage permet de reprendre le zéro de chacun des axes. Ils peuvent être associés à un système de vision artificielle qui leur permet de corriger les déplacements.

Pour des raisons de sécurité, ces robots sont protégés par des cages ou des carters pour interdire à l'homme de les approcher de trop près.

La diffusion et amélioration des techniques robotiques permet de faire fonctionner des usines dans le noir.

Un robot industriel est considéré comme une quasi-machine dès lors qu'il est vendu sans outil et sans application dédiée. Lorsqu'il est complété par les équipements externes qui lui permettent d'accomplir une tâche (outil, axes externes, machines…), il devient alors un système robot et, à ce titre, est considéré comme une machine. Les systèmes robots utilisés dans l’industrie peuvent, si aucune mesure de prévention n’est prise, présenter des risques pour les opérateurs et tierces personnes amenés à les côtoyer. Dans l'Union Européenne, d’un point de vue réglementaire, leur conception et leur utilisation doivent être conformes, entre autres :

- à la directive "Machines" 2006/42/CE[2] pour la conception

- à la directive 2009/104/CE[3] qui s’adresse aux utilisateurs de machines

Les ancêtres des robots sont les automates, au XVII^e siècle. D'une certaine manière, dans la mesure où l'informatique les rend totalement interactifs avec les humains, les premiers robots sont les premiers ordinateurs, conçus pendant la Seconde Guerre mondiale et réalisés juste après. Mais leurs actions se limitant à des opérations intellectuelles, les premiers robots à proprement parler sont les appareils qui, synthèses des automates et des ordinateurs, peuvent effectuer de façon automatique des tâches physiques à la place des humains, ceci de façon plus efficace, en rapidité et en précision.

En 1954, l'Américain George Devol dépose le brevet de Unimate, premier robot industriel. Il s’agit d’un bras articulé capable de transférer un objet d’un endroit à un autre et inspiré des téléopérateurs utilisés dans l’industrie nucléaire dans les années 1950 pour la manipulation d’éléments radioactifs[10].

En 1956, la société Unimation Inc., est créée par Joseph Engelberger, associée de Devol.

En 1961, Unimate est installé aux lignes d'assemblage de l'usine Ewing Township (appartenant General Motors et située dans la banlieue de Trenton, New Jersey), Unimate. Il est chargé de saisir des pièces de métal à très haute température et de les déplacer jusqu’à des bains de refroidissement. À l'époque, la direction de General Motors ne diffuse pas l'information, estimant qu'il s'agissait d'un procédé expérimental risquant de ne pas fonctionner[11]. Elle finit cependant par passer commande de 66 exemplaires[10].

En 1968, Unimation est le leader du marché mondial de la robotique[10].

En 1976, la première entreprise à adopter ses produits en France est Renault en 1976[10].

En 1983, La société Westinghouse (à l’origine des premiers robots humanoïdes) rachète Unimation Inc. avant de la revendre à Stäubli trois ans plus tard[10].

Selon le ministère de l'industrie français, on peut estimer le nombre total de robots industriels dans le monde à au moins 1,15 million en 2010, et on en prévoit 3,58 millions en 2017. Ces estimations sont basées sur l’hypothèse d’une durée de fonctionnement moyenne de 12 ans. Avec une durée moyenne de 15 ans, il y aurait 1,4 million de robots industriels en 2011.

Environ 69 000 robots industriels ont été produits dans le monde en 1998, 120 000 en 2005, mais 113 000 en 2008. La production baissait brutalement en 2009 (60 000) pour reprendre de plus belle (120 600 en 2010, 166 000 en 2011, 207 500 prévus en 2015).

En 2011, les ventes de robots industriels s’élevaient à 9,5 milliards de dollars. Si on inclut les logiciels, les périphériques et l’ingénierie-systèmes, le marché des systèmes robotiques industriels est estimé à 28,5 milliards de dollars en 2011 ; il devrait s’accroître dans le futur, mais à des taux moins élevés que dans le passé[12].

Selon la Fédération internationale de robotique, la Chine est le premier marché pour les robots industriels, avec 141.000 unités vendues en 2017, soit un bond annuel de 58,1 % et un tiers de la demande planétaire[13].

• Les robots industriels ont d'abord été développés pour intervenir dans les milieux à risques (nucléaire, à forte corrosion…) puis dans l'automobile avec le robot Unimate, le premier robot industriel de la société américaine Unimation, au début des années 1960.
• Ils servent aussi beaucoup dans le maniement d'objets lourds.
• Le petit assemblage de précision sur des petites séries.

Des robots articulés au travail dans une usine

Certains robots sont programmés pour exécuter fidèlement des actions spécifiques répétitives. Ils sont programmés avec un haut degré de précision. D'autres robots sont beaucoup plus flexibles. Ils sont par exemple utilisés en peinture. L'intelligence artificielle est un facteur important dans la robotique industrielle.

Robots cartésiens

Robot cartésien 5 axes pour la plasturgie

On appelle robot cartésien [14] les robots ayant des articulations de type prismatique pour le déplacement de l'outil, mais forcément 3 rotoïdes pour l'orientation de celui-ci.

Pour pouvoir déplacer et orienter l'organe effecteur dans toutes les directions en 3D, un tel robot a besoin de 6 axes : 3 prismatiques pour le déplacement, 3 rotoïdes pour l'orientation. Dans un environnement à 2 dimensions, il suffit de 3 axes : 2 pour le déplacement, 1 pour l'orientation[16].

Certains robots utilisent des moteurs électriques, d'autres utilisent des vérins hydrauliques. Les premiers sont plus rapides, les derniers sont plus forts et avantageux dans des applications telles que la pulvérisation de peinture.

Programmation des mouvements d'un robot sur un ordinateur

Les mouvements d'un robot industriel sont programmés à travers deux grandes méthodes.

La méthode par apprentissage est la première historiquement apparue. Elle consiste à créer les trajectoires en faisant mémoriser au robot des points correspondant à des coordonnées cartésiennes et qui détermineront sa position. Celle-ci s'effectue directement sur le robot en utilisant le boitier de contrôle.

La seconde méthode, plus récente, est la programmation hors-ligne. Sur un ordinateur de travail dédié, l'opérateur pourra programmer la prochaine tâche via un logiciel de programmation hors-ligne en important un modèle CAO grâce auquel il pourra générer les mouvements. Il pourra par la suite visualiser le résultat de sa programmation grâce à un simulateur intégré qui est une représentation virtuelle de l'environnement de travail du robot avec toutes ses composantes.