[Dossier Cobots] Collaborer sans réduire la cadence

Après s’être fait un nom dans le ponçage, le robot d’Isybot voit plus loin. La start-up issue du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) a été sélectionnée par le consortium Factory Lab dans lequel des grands noms de l’industrie se concertent pour faire émerger des besoins communs et développer des technologies qui y répondent. Isybot pourrait bien leur offrir ses services pour des tâches de manutention ou de contrôle non destructif. « Nous travaillons sur une nouvelle machine avec un rayon de 2 m pour porter des charges de 35 kg, précise Philippe Van de Sompele, le directeur des opérations d’Isybot. Une première maquette fonctionnelle est attendue avant la fin de l’année. »

Avec son bras de 1,6 m, le robot original d’Isybot porte des charges de 10 kg, mais surtout, ses impacts sont sans danger, grâce à sa transmission mécanique brevetée équipant chacun des axes du robot. Ces actionneurs à faible inertie transmettent à l’opérateur une énergie inférieure à 10 joules en cas de choc, conformément aux normes de sécurité. « C’est l’équivalent d’une porte d’ascenseur », assure Philippe Van de Sompele.

1 mètre par seconde sans danger

Avec ce système de transmission qui sera conservé sur son prochain robot, Isybot atteint des vitesses plus importantes sans sacrifier la collaboration. « Techniquement, nous pourrions monter à 1 000 millimètres/seconde (mm/s). Mais nous n’irons que jusqu’à 500 mm/s parce qu’au-delà, l’opérateur prend peur », indique Philippe Van de Sompel. Cette vitesse reste toutefois supérieure aux 250 mm/s maximum généralement adoptés par les robots collaboratifs, toujours pour respecter les normes.

« Au-delà de la flexibilité, la vitesse est le deuxième enjeu de la robotique collaborative », indique Yann Perrot, le chef du laboratoire de robotique interactive à l’institut List du CEA. L’objectif est de supprimer les cages autour des cellules robotisées pour limiter leur empreinte au sol et faciliter leur reconversion en permettant la collaboration sans pour autant nuire à la cadence de production. Pour garantir la sécurité, il faut s’assurer que les efforts en cas de coincement d’une personne sont limités, et que l’énergie cinétique à dissiper n’est pas trop grande en cas de contact entre l’humain et le robot.

Anticiper les contacts

Pour sortir de sa cage, un robot est bardé de capteurs afin de détecter la présence d’humains à proximité. Des zones de l’espace sont définies : plus une personne s’approche, plus la vitesse du robot diminue. Celui-ci s’arrête lorsque quelqu’un se trouve dans sa zone de travail. « Cette approche discrète présente des limites en termes de partage efficace de l’espace de travail et de fluidité du mouvement du robot », souligne Vincent Padois, chargé de recherches à l’Inria.

À côté des technologies de transmission du mouvement et d’actionneurs moins raides pour absorber les chocs, les capteurs de présence ont le vent en poupe : caméras ou cartographie laser en 2D, mais aussi peaux artificielles. Celle de Fogale Robotics va bien au-delà de la peau en mousse de Yumi d’ABB ou de la couche remplie d’air de l’autrichien Blue Danube Robotics. Alors que celles-ci absorbent les chocs, la couche capacitive développée par l’entreprise nîmoise les anticipe. Le robot a le temps de s’arrêter ou d’éviter l’obstacle.

« Avec notre technologie brevetée, nous souhaitons fabriquer dès 2021 le premier robot collaboratif capable de travailler avec l’humain sans le toucher, déclare Didier Rozière, le responsable des activités capacitives de Fogale Robotics. Cela permettrait d’augmenter leur vitesse, sans cage, et de les rendre rentables. D’ici à la fin de l’année, nous espérons obtenir la certification d’un niveau de sécurité PLd catégorie 3 qui garantit une collaboration sans risque. » Le robot est équipé de dizaines d’électrodes qui créent un condensateur entre lui et tout objet conducteur à proximité, par exemple un corps humain. Cela permet de détecter un obstacle à une distance de 20 à 80 cm.

Travailler sur les lois de commande pour aller plus loin

Pour Vincent Padois, si les capteurs offrent des possibilités intéressantes, ils sont insuffisants. « Pour assurer un contrôle fin du robot et une collaboration fluide, il faut travailler sur les lois de commande. Elles doivent exploiter pleinement les informations mesurées, et pas uniquement les utiliser pour des éléments de sécurité qui freinent brusquement le robot quand quelqu’un s’approche. » Avec son équipe de recherche Auctus, il travaille sur l’intégration de contraintes liées à l’énergie et à la protection des personnes directement dans le calcul des consignes envoyées aux actionneurs. L’objectif est de moduler la vitesse en continu et de dépasser la logique dans laquelle un nombre discret de zones sont définies dans l’espace de travail avec des vitesses limitées.

Les principaux facteurs pris en compte sont la distance de la personne à proximité, l’énergie maximum au-delà de laquelle un choc peut être dangereux, et la capacité de freinage du robot. La compréhension de la scène et la prédiction du comportement de l’opérateur peuvent aussi fluidifier le mouvement. Cette approche est celle adoptée sur un bras robotisé Comau dans le cadre du projet Harry2 regroupant l’Inria, l’institut Pprime et la start-up FuzzyLogicRobotics. « Nous imposons une limite supérieure à l’énergie cinétique du robot en adaptant en temps réel sa vitesse et sa trajectoire en fonction de la proximité d’un opérateur, résume Vincent Padois. L’objectif est d’améliorer la productivité tout en préservant la santé de l’opérateur, même en cas de contact. »

Intégrer plusieurs paramètres dans la loi de commande est particulièrement intéressant pour les petits robots collaboratifs dont la capacité de freinage est limitée par rapport à celle des robots traditionnels aux actionneurs surdimensionnés, estime Vincent Padois. « Pour faire des calculs simples, les algorithmes de commande actuels considèrent une capacité de freinage du robot qui est constante dans tout son espace de travail. Pour que celle-ci soit garantie partout, la valeur considérée est la plus faible. Cela crée des restrictions non négligeables sur des robots dimensionnés au plus juste. » Résultat : des grandes distances de sécurité et un robot amené à s’arrêter trop souvent dans un environnement fréquenté. Toutefois, « les lois de commande actuelles fonctionnent depuis des décennies. Les fabricants sont plutôt frileux à l’idée de les faire évoluer en profondeur », admet Vincent Padois. ?