03 Décembre 2018  |  Robotique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 09/2018

Les ingénieux cobots de la BFH-TI

Elsbeth Heinzelmann*

La Fédération internationale de la robotique (IFR) l’affirme sans détour: d’ici à 2020, 1,7 million de nouveaux robots transformeront les usines du monde entier. Subsister sur le marché mondial exige de concilier qualité supérieure et coûts réduits. Et rester en phase avec la précision et la miniaturisation des processus implique d’intégrer des robots à la fabrication. Mais pas n’importe lesquels: des robots intelligents, comme ceux que programme le professeur Gabriel Gruener et son équipe à la Haute école spécialisée bernoise (BFH-TI).

Même si le «Swiss made» a toujours la cote, un sondage mené par l’Institute of Technology Management de l’Université de St-Gall, dans le cadre de son enquête annuelle «Swiss Manufacturing Survey», révèle que 46 % des entreprises suisses interrogées envisagent de délocaliser leur production à l’étranger –essentiellement en Europe de l’Est et en Chine – au cours des trois prochaines années, avec toutes les conséquences que cela implique pour le marché du travail en Suisse.
 
Le cobot bernois intègre des capteurs pour travailler en toute sécurité au côté d’un humain, en adaptant sa trajectoire à ce dernier ou en s’arrêtant immédiatement. De g. à dr.: Iris Näf, collaboratrice scientifique au BFH HuCE-roboticsLab et Nicole Sonntag, stagiaire.
 
 
Pression sur les coûts et concurrence
Ce choix est avant tout motivé par le niveau élevé des frais de personnel. En effet, le coût de la main-d’œuvre n’a cessé d’augmenter ces dernières années, alors que la productivité n’a connu qu’une croissance modérée. De plus, la pénurie durable de personnel qualifié constitue un véritable casse-tête pour nombre d’entreprises de production. Si cela renforce la tendance à l’automatisation dans les pays à hauts salaires, le recours à des robots sophistiqués touche aussi de plus en plus de pays à faible niveau de rémunération, à l’instar de la Chine, qui représente le premier marché mondial pour les robots. En tête de ce dernier figurent les cobots – des robots collaboratifs équipés de capteurs –, qui travaillent main dans la main avec leurs collègues humains, sans être séparé par des dispositifs de sécurité au sein du processus de fabrication.
Comme le relève l’Association suisse de normalisation (ASN), ces assistants machines requièrent une mise en œuvre particulière. Les robots collaboratifs ne sont pas des machines directement fonctionnelles, ils doivent être intégrés dans un système robotique, c’est-à-dire dans une solution générale comprenant notamment un effecteur terminal, ainsi que des capteurs supplémentaires. Le concept des cobots est néanmoins intéressant, car leurs performances et leur précision s’adaptent remarquablement à la créativité de l’homme et à sa capacité à résoudre des problèmes, ce qui permet un important gain de productivité.
 
Les cobots retroussent leurs manches
Les premiers cas d’utilisation de cobots, tels que le Yaskawa Cockpit présenté par l’entreprise Yaskawa à la Foire de Hanovre en 2018, préfigurent l’avenir. Ce système destiné à la surveillance de machines en temps réel, fonctionne avec des robots collaboratifs de la gamme Motoman. Associés à des solutions de commande et d’entraînement dédiées, les robots permettent de contrôler des installations de filtres sans employer de capteurs, en se basant sur le flux de courant enregistré. Le robot Cockpit développe ainsi l’offre dans le secteur de l’industrie 4.0.
Autre exemple, l’usine Audi d’Ingoldstadt, où un cobot contribue à l’application ultra précise d’un trait de colle de 5 m de long sur un pavillon en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC), lors de la phase finale de l’assemblage. Les capteurs dont il est doté détectent les mouvements de l’homme.
Enfin, on pourrait citer le cobot d’Universal Robots, employé par BMW sur son site de production de Spartanburg, aux États-Unis, où humains et robots assurent le montage des insonorisations de portières sans nécessiter de dispositif de protection.
 
Leonardo Sartori, collaborateur scientifique au BFH HuCE-roboticsLab. Particulièrement souple, le cobot peut aisément être déplacé et adapté aux processus de production.
 
 
L’apprentissage par l’exemple
Le professeur Gabriel Gruener, qui dirige le laboratoire de robotique de l’Institute for Human Centered Engineering (HuCE) de la Haute école spécialisée bernoise, n’hésite pas à aller encore plus loin. Fidèle à la devise de Steve Jobs: «Great things in business are never done by one person. They’re done by a team of people», il met l’accent, avec sa partenaire de recherche, Madame le professeur Sarah Rochat et son équipe, sur l’industrie 4.0, ainsi que sur le développement de postes de travail augmentés, c’est-à-dire munis de capteurs facilitant l’interaction entre humains et robots.
Dans le passé, Gabriel Gruener a travaillé au développement de robots spatiaux destinés à la planète Mars, à la Lune et à la Station spatiale internationale (ISS), pour le compte de l’Agence spatiale européenne (ESA). Désormais, en collaboration avec l’institut de recherche Swiss Smart Factory, il développe des algorithmes afin d’automatiser de manière rentable des activités particulièrement complexes, exécutées jusqu’à présent à la main.
 
L’enseignement par l’exemple
C’est précisément là qu’interviennent des capteurs techniquement très perfectionnés. «Une entreprise ne doit pas confier des tâches de routine à des spécialistes bien rémunérés, mais les déléguer à d’ingénieux cobots», souligne Gabriel Gruener. «Dans cette optique, nous ne nous contentons pas d’équiper le robot de capteurs capables d’enregistrer les mouvements et la position de l’humain afin d’éviter tout risque de blessure», ajoute-t-il.
Un cobot ne pesant guère plus de 10 kg, un employé sans formation particulière peut aisément le mettre en place, le positionner correctement et surtout le former. À cet effet, le formateur bouge ses bras pour montrer au robot quelles actions il doit effectuer. Grâce aux algorithmes spécifiques de l’équipe de Gabriel Gruener, il suffit de lui montrer une seule fois une trajectoire, pour qu’il la reproduise à l’identique. Si l’opérateur montre la trajectoire à plusieurs reprises, cela permet au robot d’optimiser ses gestes.
Les collaborateurs peuvent ainsi enseigner de nouvelles tâches au cobot, aussi simplement que s’il s’agissait d’un collègue humain. Sarah Rochat précise: «Pour y parvenir, nous ne modélisons pas la trajectoire, mais le mouvement. Celui-ci est codé sous la forme d’un système dynamique dans lequel les objets à manipuler sont modélisés en tant que forces d’attraction, tandis que les objets à éviter le sont comme des forces de répulsion. Dans la mesure où les nouveaux mouvements sont enseignés par l’exemple, nous les adaptons à la volée sur la base des informations fournies par les capteurs et ce, à moindre coût.
 
Un assistant ou un «troisième bras»
Sans avoir suivi de formation particulière, un employé travaillant à la chaîne peut enseigner de nouvelles tâches au robot, qu’il effectuera ensuite de façon autonome. Ceci permet d’atteindre un niveau de collaboration inédit entre les humains et les robots.
«L’objectif est aussi de pouvoir utiliser le robot comme assistant ou «troisième bras» pour son propre travail et d’accroitre ainsi la productivité. Nous développons actuellement des algorithmes permettant de rendre l’interaction homme-machine intuitive», explique Sarah Rochat. Prenons, par exemple, une opération comme la soudure, où l’ouvrier tient la pièce à souder d’une main, le fer à souder de l’autre et en aurait besoin d’une troisième pour le fil de soudure.
 
Une programmation simple et intuitive
Alors que le recours aux robots était jusqu’à présent exclu pour les PME, parce que leur programmation et leur maintenance exigeaient des spécialistes, le cobot bernois permettra une interaction intuitive entre l’humain et la machine. En effet, on peut l’installer et le programmer rapidement, pour effectuer une opération simple de «pick and place », par exemple. Aucune connaissance spécifique en programmation n’est requise, car des outils intuitifs permettent une programmation relativement rapide des mouvements du robot, à l’aide d’interfaces similaires à celle d’un smartphone.
Alors qu’auparavant, les indispensables dispositifs de protection constituaient un véritable casse-tête, le cobot intègre des capteurs qui lui permettent de travailler en toute sécurité au côté d’un collègue humain, en adaptant sa trajectoire à ce dernier ou en s’arrêtant immédiatement si cela s’avère impossible.
Léger et compact, le cobot fait preuve d’une grande souplesse. On peut aisément le déplacer et l’adapter à de nouvelles méthodes de production, ce qui en fait un assistant idéal pour les procédés de fabrication exigeant de la souplesse. Dernier avantage, et non des moindres, le cobot rend superflus les investissements conséquents liés à la programmation, à l’installation et aux dispositifs de protection.
 
Adopter des méthodes d’automatisation dernier cri
Gabriel Gruener en est convaincu: «Pour garder une longueur d’avance à l’ère du numérique, il est indispensable d’adopter des méthodes d’automatisation dernier cri. Par notre démarche, nous contribuons à l’introduction dans les entreprises de toutes tailles – y compris et surtout les entreprises de taille moyenne –, d’un mode de production souple, basé sur la coopération intuitive entre l’homme et la machine».
Le concept permettant une exécution de qualité supérieure, de processus reproductibles – tout en améliorant considérablement la productivité – s’appelle «Learning by demonstration». «Notre avancée se traduit par une plus grande création de valeur qui contribue, en fin de compte, à maintenir les activités de production en Suisse, à préserver durablement les emplois et à prospérer sur le marché mondial avec des produits estampillés Made in Switzerland», conclut Gabriel Gruener.
 
Les cobots en bref
Les cobots dotés d’algorithmes spécifiques – à l’instar de ceux qui sortent du laboratoire du professeur Gabriel Gruener – apprennent en imitant les gestes des humains. Ainsi, la mise en place des robots se fait manuellement, ce qui permet une programmation simple et rapide par démonstration, ne nécessitant aucune connaissance particulière.
Si une évaluation des risques a été menée, les robots collaboratifs peuvent travailler côte à côte avec les humains, sans barrières, ni lasers ou capteurs de sécurité. Grâce à leur simplicité d’intégration dans un système, ils contribuent à réduire les coûts d’exploitation et permettent un amortissement rapide des investissements.
 
 
Prof. Gabriel Gruener
Haute école spécialisée bernoise
Technique et informatique (BFH-TI)
gabriel.gruener@bfh.ti
www.roboticslab.ti.bfh.ch/research
 
Institute for Human Centered Engineering
HuCE – RoboticsLab
 
 

*Journaliste scientifique & technique, www.thot-com.ch


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