Les cobots débarquent !

2015 est l’année de la robotique collaborative. Après quelques années d’atermoiements, la plupart des constructeurs sortent des nouveautés dans ce domaine, chacun avec leur propre philosophie. Ne reste plus qu’à trouver les applications qui vont avec ces nouvelles machines…

 

Ne parlez plus de robot collaboratif. C’est désormais dans le langage commun (et sans doute bientôt dans le dictionnaire…) un robot articulé destiné à travailler avec ou en présence d’un être humain est un cobot. Et si le nom a précédé les réalisations concrètes puisque, selon l’IFR, les ventes de robots collaboratifs représentaient 1,5 à 2% d’un marché mondial de 225 000 unités l’an dernier, les constructeurs rattrapent cette année leur retard en lançant presque tous des machines de ce type. Après Universal Robot et ses UR 5 et UR10, grands frères d’un tout nouveau UR3, l’Américain Rethink Robotics et son Baxter – qui semble très rare en environnement de production – et maintenant Sawyer, puis Kuka et son iiwa (industriel intelligent work assistant) dévoilé lors d’Automatica 2014, ABB et Fanuc ont profité de la Foire de Hanovre 2015 pour dévoiler, enfin, leurs robots collaboratifs. Et ce n’est pas fini. En France, par exemple, le Bisontin MC Robotics, est ainsi sur le point de lancer son premier modèle, baptisé Izac.

 

Différentes philosophies ?

La notion de cobot fait débat. « Il n’y a pas de robot collaboratif mais des robots avec des fonctions collaboratives », note ainsi Mathieu Charles, dirigeant de MC Robotics. Certains parlent ainsi plutôt d’« applications collaboratives » mettant en œuvre des robots. Et même chez ceux qui reconnaissent le néologisme, il y a cobot et cobot. En effet, un robot collaboratif est tout aussi bien un robot qui travaille en présence de l’homme qu’un robot qui travaille avec l’homme, à son contact. Résultat, sous le même nom cohabitent des concepts relativement différents. Certains avancent aussi trois stades de collaborations : la cohabitation, la collaboration et l’interaction.

Le premier stade du robot collaboratif met en œuvre une machine dotée de fonctions de sécurité avancées lui permettant de travailler à proximité des hommes sans pour autant exiger de protection grillagée. Il s’agit globalement de modèles existants dont l’armoire de commande a été revue pour apporter des fonctions désormais normées comme l’arrêt sûr (en présence d’un homme, le robot s’immobilise mais sans pour autant couper son alimentation), la vitesse sûre (fonctionnement à vitesse réduite en cas de proximité d’un humain), la définition d’une enveloppe de travail limitée dans l’espace… Tout le monde en fait. On parle de SAfeOperation sur les armoires KRC4 de Kuka, de SafeMove chez ABB, de Functional Safety Unit (FSU) sur l’armoire DX200 de Yaskawa, de DCS (Dual Check Safety) chez Fanuc… Les derniers-nés de Stäubli, baptisés TX2, qui devraient être disponibles à la fin de l’année, sont pilotés par le contrôleur de commande CS9, qui ajoute une fonction de « zone de sécurité outils » aux machines, qui « minimise les risques d’endommager les outils en bout de bras », indique le constructeur.

A noter, l’utilisation de ces fonctions implique l’emploi de capteurs comme des « scruptateur laser » permettant de détecter la présence de l’homme dans des zones de l’espace de travail de la machine. Les caméras 3D pourraient également apporter la même fonctionnalité à l’avenir, mais il leur faudrait, pour cela, être reconnues comme composants de sécurité…

 

Des robots « sensibles »

Dans la hiérarchie de la collaboration homme-robot, l’étape suivante consiste à doter les machines du sens du toucher. On parle alors de robot « safe », c’est-à-dire capable de s’immobiliser (en arrêt sûr) en cas de contact, intentionnel ou non, avec un opérateur humain. C’est la philosophie développée par Universal Robot avec ses UR5, UR10 et, désormais, son petit UR3, qualifié de « robot de table ». Ce modèle poids plume de 11 kg seulement présente une capacité de charge de 3 kg pour une portée de 500 mm et est censé offrir une « troisième main » aux opérateurs, selon Universal Robot. Chez le Danois, le robot ne détecte pas un contact, ni même une force appliquée sur le bras, mais un surcouple au niveau des axes du robot, via une mesure de courant en continu sur les moteurs. Cette technique permet, selon le constructeur, de réagir à partir d’une force de 150 N en standard et jusqu’à 50 N avec des réglages particuliers. C’est peu si vous l’appliquez avec votre main, nettement plus si vous le faites avec la pointe de votre coude… Néanmoins, les robots du Danois sont affichés comme des cobots par définition. Autre avantage, leur mode de programmation simplifié à l’aide d’une tablette (filaire), qui met la robotique à la portée de non spécialistes.

La start-up MC Robotics suit à peu près la même philosophie avec son robot Izac. Au programme : 5 kg de charge nominale (10 kg max) pour un poids total de 38 kg, un diamètre de l’enveloppe de travail de 2300 mm, une précision de 0,1 mm, le tout employant un mode de programmation ultra simplifié basé sur le grafcet, mis au point par l’entreprise bisontine. Le robot sera bientôt disponible à la vente à 24000 euros pièces avec un set de fonctions collaboratives. 

 

Avec ou sans peau

Pour donner le sens du toucher à ses robots, l’Allemand Bosch Rexroth adopte pour sa part une technologie plus radicale : il habille ses robots APAS (Automated production Assistant, construits à partir de bras articulés japonais) d’une combinaison sensible (sensitive en anglais). Et cette housse capacitive ne se contente pas de détecter le contact avec un homme, elle l’anticipe, permettant au robot de s’arrêter avant même le contact avec un humain. La technologie est efficace sur un petit robot évoluant dans un environnement « classique ». Qu’en serait-il dans un environnement plus difficile, plus sale, et sur une mécanique de grande taille ? Cependant, la promesse de Bosch Rexroth se situe sur la mise à disposition d’un petit robot déplaçable (et bientôt mobile), reconfigurable rapidement pour remplir des tâches simples à différents endroits d’un atelier, pas de travailler main dans la main avec un humain. D’ailleurs, ce concept est davantage tourné vers la collaboration avec d’autres cellules APAS dédiées à des tâches de contrôle ou d’assemblage…

Enfin, sur son CR-35i A dévoilé sur la foire de Hanovre, le Japonais Fanuc propose un mélange de tout cela : son robot intègre un capteur d’effort sous son pied et est recouvert d’une mousse haute densité amortissante. Résultat, il est lui aussi capable de détecter un contact avec un humain et réagit de deux manières différentes selon la « violence du choc. Si la force de contact est inférieure à 150 N, le robot s’arrête puis repart de lui-même pour poursuivre sa tâche. Si cette force dépasse les 150N, la machine s’immobilise. L’opérateur doit alors effectuer un acquittement (via un bouton placé sur la machine) pour la faire repartir. Les deux grandes différences de ce cobot avec le reste de l’offre ? D’abord, sous sa mousse, on retrouve un M20ia35M standard. « L’idée est de pouvoir rendre tous nos robots collaboratifs », explique Nicolas Couche, chef de produits robots chez Fanuc. Le grand public les reconnaîtra instantanément par leur couleur : jaune pour un robot classique, vert pour un cobot. Ensuite, alors que la plupart des cobots du marché présentent une capacité de charge de 5 kg, avec une pointe à 10 kg pour l’UR10 et 14 kg pour l’iiwa de Kuka, celui-ci est capable de porter 35 kg sur un rayon d’action de 1813mm. Il se destinera donc à des applications de manutention plus lourde, par exemple le placement d’une roue de secours dans un véhicule sur une chaîne de montage, l’application de démonstration sur la foire de Hanovre. Par contre, il pèse près d’une tonne…

 

Du pur collaboratif

Le must dans ce domaine ? Sans doute la technologie mise au point par Kuka sur son robot iiwa qualifié par l’Allemand de « robot sensible ». Sur ce bras à la géométrie particulière, tous les axes sont dotés de capteurs d’efforts qui lui permettent de détecter le moindre contact avec un obstacle. Et l’on ne parle plus là de 50N, mais de 5 à 10 N ! Le bras est ainsi capable de sentir qu’il effleure un verre posé sur une table. Mieux, « les autres robots safe proposent une fonction anticollision qui stoppe la machine en cas de contact avec un humain. Nous proposons un anti-écrasement : en cas de contact avec la main d’un opérateur, le robot s’arrête, puis recule pour lui permettre de se dégager », note Christian Verbrugge, Directeur de la Business Unit automobile chez Kuka France. Et ensuite, iiwa reprend son travail normalement. Autres atouts de ce robot conçu spécifiquement pour interagir avec l’humain, il présente une précision de 0,1 mm, avec une portée maximale de 820 mm et une capacité de charge de 14 kg, pour un poids total de… 29,9 kg seulement.  Et surtout, il se programme avec Java, le langage des informaticiens et du web. Ses applications cibles en France ? « L’emmanchement précis de pièces mécaniques en reproduisant le geste de l’homme, mais aussi des applications médicales », annonce Christian Verbrugge. Son prix : 50 000 euros.

Chez ABB, la vision du cobot est encore différente. Son Yumi (pour You and me, toi et moi en anglais) commercialisé après plusieurs présentations de prototypes, est un petit robot à deux bras.

« C’est un robot capable de collaborer avec des personnes en toute sécurité dans une ligne de montage, en particulier pour la fabrication de produits électroniques grand public », annonce Steven Wyatt, responsable marketing et vente pour la robotique dans le monde d’ABB. Transportable car très léger (38 kg), il porte en effet des charges de moins de 500 grammes, travaille à vitesse très réduite, et est doté de coussins sur ses bras qui amortissent un éventuel choc avec un opérateur et, en option, d’un système de vision intégré ou d’un système d’alimentation en pièces. Sa programmation est réalisée par apprentissage en guidant le robot à la main, ou de façon plus classique. Son prix : 40 000 dollars pour un robot doté de pinces de préhension.

Aux Etats-Unis, Rethink robotics a exploité aussi la piste du robot à deux bras à 7 axes avec son Baxter. Une machine caractérisée en particulier par sa faible empreinte au sol et par sa « compliance ». Les éléments mécaniques du robot sont recouverts d’une mousse amortissante et les articulations emploient des capteurs de force à haute résolution et des systèmes à ressorts, qui rendent le bras un peu « mou » en cas de contact. Résultat, peu de risque de blesser un humain, mais une capacité de charge maximale de 2,2 kg. L’Américain propose depuis cette année Sawyer, une version à un seul bras de 19 kg qui peut porter 4 kg sur un mètre de rayon, doté de la même technologie, notamment son interface de commande très simple Intera (comme interaction…), des systèmes de vision intégrés et son « écran facial », qui donne un visage à la machine. Alors que Baxter était apparemment surtout voué à remplacer l’homme dans des opérations de chargement déchargement, de packaging ou de kitting (remplissage de carton avec des produits différents) , cette nouvelle machine viserait davantage à assister l’humain dons son travail.

 

Applications et limites

Il existe désormais une gamme large de cobots, depuis le petit robot léger reconfigurable rapidement jusqu’au moyen porteur doté du sens du toucher, en passant par le robot à deux bras qui mime l’humain. Et leurs applications potentielles sont tout aussi diverses. Certains assureront des tâches simples de manipulation de pièces ou des opérations de contrôle à côté d’opérateurs humains, d’autres iront jusqu’à réaliser des assemblages de précision, ou offriront un « troisième bras » à l’homme. Certains se contenteront de s’arrêter en cas de contact avec un homme, d’autres pourront redémarrer aussitôt, manipulés à tout moment par leur collègue humain. D’autres enfin, seront montés sur des plateformes mobiles et se recalibreront automatiquement avant de démarrer leur travail… Il y a autant d’applications potentielles que de robots capables de travailler avec les hommes. Et tous seront programmés par apprentissage ou via des modes de programmation plus ou moins simplifiés. Il est cependant probable que les applications de collaboration se limitent encore quelques années à du travail en présence de l’homme, sans véritable interaction.

En outre, si leurs atouts sont nombreux, à commencer par leur flexibilité et la promesse de réaliser une économie très importante en termes d’intégration en éliminant les composants de sécurité passive, toutes ces machines souffrent encore de limites plus ou moins bloquantes. D’abord, leurs vitesses d’évolution sont largement inférieures à celles des robots classiques, plafonnant à moins de 250 mm/s, contre 2 m/s à pleine vitesse pour un bras articulé classique. En outre, afin de limiter les risques, la plupart des constructeurs ont misé sur des mécaniques aux capacités de charge très faibles, afin d’éviter les dangers liés à l’inertie des bras. En outre, quantité d’applications « safe » mettent en œuvre des robots avec le « bras tendu », en bord d’enveloppe de travail. Dans ce cas en effet, l’éventuel choc avec un humain sera forcément léger. En revanche, ce genre de configuration réduit encore davantage la capacité de charge et de mouvement de la machine… Enfin, « un robot peut être safe intrinsèquement, mais il ne l’est plus lorsqu’il porte un outil dangereux », note Laurent Bodin, directeur commercial de Yaskawa en France. En effet, même s’il s’arrête en détectant un contact, un robot doté d’un couteau a 100% de chance de couper un opérateur qui se trouve sur son chemin…

 

Vers l’homme augmenté

Comment évolueront les cobots de demain ? Vers quoi se dirigent-ils ? Sans doute vers l’interaction ultime entre l’homme et le robot, via des exosquelettes. Cette fois, plus question de mettre une machine à côté d’un humain ; c’est l’homme sui portera directement l’engin sur lui, pour décupler ses forces, éliminer la fatigue, tout en gardant la flexibilité et la précision qui caractérisent l’être humain. Déjà, le Français RB3D propose des modèles d’exosquelettes utilisables en milieu industriel. Nul doute que l’offre va encore s’étoffer.