conçu par Festo, le Bionic cobot ne reproduit pas seulement le
bras humain dans sa structure anatomique. comme son modèle
biologique, ce robot collaboratif exclusivement animé par la force
pneumatique, accomplit de nombreuses tâches à l’aide de ses
mouvements sensibles et flexibles sans présenter le moindre
risque pour l’opérateur.
Comme nous avons eu maintes fois l’occasion de le marteler ces derniers mois dans nos colonnes, la robotique
collaborative permet à l’industrie de s’appuyer
sur les facultés de discernement, de jugement
et d’adaptation rapide aux situations
imprévues qui caractérisent l’humain, en
le déchargeant des tâches répétitives et
pénibles.
ABB, Comau, Fanuc, Stäubli… bien d’autres
encore, se sont lancés dans l’aventure
collaborative avec des produits qui s’inspirent
des robots industriels classiques en s’appuyant
donc sur des technologies aussi habituelles
que, l’entrainement direct d’axe par moteur
pas-à-pas, la transmission du mouvement par
vis sans fin, crémaillères et roues crantées,
plus rarement par poulies et câbles, le renvoi
oblique ou à angle droit par cardan, etc. Si le
moteur pas-à-pas règne sans partage sur cet
univers, la force pneumatique reste présente
pour, au bout du bras ou des bras, actionner
un préhenseur. Dont acte !
Des problèmes
multiples déjà
résolus par la nature
Sans attendre les initiatives gravitant dans la
mouvance de l’Industrie 4.0 qui tendent à
rendre l’entreprise manufacturière plus
humaine, Festo, entreprise spécialisée dans
l’automatisation pneumatique et électrique, a
entamé au début des années 90, un important
travail de recherche afin d’étudier puis de
reproduire les solutions inventées par la nature
(Cf. « L’industrie s’inspire de la nature avec la bionique » in Jautomatise n°105, page 50). Après avoir donné quelques préhenseurs aux
possibilités originales copiant entre autres, la
langue du caméléon ou la patte du gecko,
Festo s’est aussi sensiblement rapproché de
l’homme en imitant par exemple, la main.
Un pas supplémentaire est aujourd’hui franchi
par l’entreprise née à Esslingen en Allemagne,
avec un bras robotisé collaboratif de nature
bionique. Il s’agit à l’heure actuelle du premier
cobot pneumatique à sept axes qui présente
une construction similaire à celle d’un bras
humain. Et bien sûr, chaque élément de son
enveloppe, la forme des ses articulations mais
aussi, ses capacités de mouvement ou encore,
sa vitesse de travail, sont étudiés pour lui
permettre de travailler en interaction directe
avec une opératrice ou un opérateur sur un
même poste de travail.
En n’étant tributaire que de la seule force
apportée par l’air comprimé grâce à des actionneurs pneumatiques, le Bionic Cobot de
Festo jouit d’une constitution
extraordinairement simple si on la compare à
celle d’un robot équipé de servomoteurs
électriques. Et il est ici inutile de chercher des
roues dentées, des poulies, des engrenages
ou des vis sans fin… ce bras robotisé en étant
totalement dépourvu.
Trois axes sont intégrés dans l’épaule, un dans
le coude, un autre dans l’avant-bras et deux
derniers dans le poignet. Chaque articulation
repose sur une vanne pneumatique rotative
dotée de deux chambres à air qui renferme
une palette oscillante. Celles-ci forment une
paire d’entraînement qu’on peut régler
progressivement comme un ressort
mécanique avec de l’air comprimé. En effet, la
palette oscillante qui va être actionnée dans
le sens horaire ou dans le sens
trigonométrique selon la chambre qui reçoit le
jet d’air comprimé principal. Mieux, à l’instar
des muscles agonistes et antagonistes du bras
humain, il est possible de moduler la réaction
et la contre-réaction du bras robotisé pour :
soit libérer totalement le mouvement des
contraintes en vidant la chambre opposée à
celle qui reçoit l’air comprimé, soit moduler la
réaction en conservant une certaine quantité
d’air dans la chambre opposée pour au
contraire, amortir le mouvement.
Dans chaque articulation, on trouve de
surcroit une carte électronique connectée à
un bus CAN qui reçoit les mesures de deux
capteurs de pression et d’un capteur de
position prenant la forme d’un codeur absolu.
En pilotant l’équilibre des pressions distribuées
dans la chambre double de la vanne de
chaque articulation, il est possible d’ajuster en continu, la force, la rigidité et la précision des
mouvements du bras robotisé.
En cas de collision, le bras pneumatique fléchit
automatiquement et ne présente aucun
danger pour les opérateurs évoluant à son
contact. Cette souplesse et la légèreté de
l’objet en général, permettent une utilisation
sans cage de protection et donc, une
collaboration directe et sûre entre l’homme et
la machine.
Le Bionic Cobot n’imite donc pas seulement la
forme du bras humain, il singe aussi sa manière
de bouger pour imiter plus parfaitement
encore ses capacités de préhension et de
manipulation d’objets en passant en une
fraction de seconde de la force brute à un
mouvement souple.
Une programmation
intuitive…
évidemment
Fût-il bionique, un cobot n’est en définitive
qu’un robot et donc, il doit être programmé
pour exprimer tout son talent.
Tout commence donc par l’environnement
de conception logiciel qui, presque dans un
seul écran, regroupe toutes les commandes
et toutes les fonctions nécessaires. Pour
rendre la prise en main plus immédiate,
l’interface se présente un peu à la manière
d’un atelier de montage vidéo. Dans une
barre qui symbolise l’enchaînement des
opérations, l’utilisateur positionne des
icones par glisser-déposer. Chacune d’elles,
représente une opération supportée par le
cobot : mouvement dans l’espace,
enregistrement d’un point remarquable,
ouverture ou fermeture du préhenseur, etc.
Intégré au logiciel, un simulateur graphique
de mouvements permet de visualiser
immédiatement à l’écran, le résultat du
programme ainsi créé. Toujours à partir de
cette vue, un pavé directionnel permet
d’affiner encore les réglages sur le robot. Et,
s’il devient nécessaire d’appliquer des
modifications plus importantes, il est même
possible de manipuler le bras à la main ;
l’opérateur montrant alors à la machine la
séquence de mouvements attendue.
Les programmes pouvant être complexes, il
est aussi possible de créer des groupes de
mouvements en ordre logique. A tout
moment, les actions individuelles au sein
d’un groupe peuvent être réordonnancées
en fonction de l’application. A la fin de la
séquence de mise au point, l’utilisateur
appuie sur le bouton de lecture comme il le
ferait dans une visionneuse multimédia
pour observer le déroulement du
programme. L’outil de développement crée
alors un script en langage interprété
Python qui sera exécuté par le serveur
robotique.
Exécution des
séquences sur le
robot
Festo a choisi la plateforme open source
ROS (Robot Operating System). Elle
s’appuie sur une description cinématique
du robot qui provient des modèles de CAO
ayant servi à mettre au point le bras
pneumatique à sept axes. Le système
d’exploitation utilise ces modèles pour
calculer les valeurs correspondant au
travail des articulations. Ces valeurs sont
ensuite remontées vers le terminal de contrôle de mouvements appelé Festo
Motion Terminal qui prend en charge la
commande et la régulation de la
cinématique.
Une fois les trajectoires calculées, les
mouvements correspondants qui doivent
être réalisés par le robot, sont régulés en
faisant interagir les vannes du terminal de
contrôle et le vérin oscillant composant le
cœur de chaque articulation.
L’actionneur pneumatique permet
d’atteindre une précision supérieure à celle
atteinte avec toute autre technique
puisque notamment, la compression de l’air
situé dans la chambre opposée à celle du
mouvement permet d’ajuster la rigidité.
Grâce à cette technologie que l’on peut
qualifier de servo-pneumatique, les
ingénieurs de Festo ont réussi à atteindre
une précision de positionnement
stationnaire de l’ordre du millimètre.
Motion terminal,
combiner l’air
comprimé avec le
numérique
L’automatisation des opérations confiées
au cobot bionique de Festo repose très
largement sur les capacités du Motion
Terminal. Ce terminal de contrôle de
mouvements est une plateforme
d’automatisation pneumatique numérique
qui combine toutes les fonctions
nécessaires pour piloter des processus
complexes au travers d’un ensemble de
programmes applicatifs. Il est en mesure
de contrôler le fonctionnement d’un
maximum de cinquante composants
individuels au travers d’un système de
distribution séquencée de l’air comprimé
qui comporte entre quatre et huit cellules.
Concept entièrement nouveau, l’objectif
est de combiner toutes les fonctions des
distributeurs d’air comprimé dans un seul
et unique équipement, ce qui signifie que
la complexité des systèmes est
considérablement réduite. Le matériel
n’ayant plus besoin d’être modifié de
manière drastique, les techniciens et les
ingénieurs peuvent se concentrer sur le
contrôle des opérations au niveau logiciel.
Une large gamme de composants
fonctionnant en relation directe avec le
Motion Terminal est disponible pour
concevoir des systèmes de production
flexibles au sens propre, comme au sens
figuré : distributeurs de pilotage piézo-
électriques, pinces et préhenseurs
progressifs à retour de force, vannes de
commande de mouvements rotatifs
amortissables, etc.
Le terminal de contrôle permet de réguler
le débit d’air dans un circuit en contrôlant
la pression avec une grande précision et
une excellente répétabilité au prix d’un
encombrement extrêmement réduit. Les
applications les plus complexes telles que
la cobotique sont directement accessibles
autant au niveau des capacités
matérielles que dans la mise en œuvre du
pilotage et du suivi au niveau logiciel.
D’un point de vue logiciel justement, les
mouvements pilotés par le terminal peuvent
être configurés au travers d’une liaison TCP/
IP grâce à un banal navigateur Web. La
possibilité de créer des applications
spécifiques à l’équipement appelées Motion
Apps permet de télécharger des
programmes remplissant une fonction
donnée sur la machine ciblée et ce, en ayant
la possibilité au préalable de les configurer
et d’en rationaliser le caractère opérationnel
en fonction de la nature du produit fabriqué.
Au reste, il existe aussi des Motion Apps
dédiées à l’optimisation de l’installation pour
par exemple, localiser les fuites ou encore,
contrôler l’efficacité énergétique. Il peut en
résulter jusqu’à 70 % d’économie sur les
seules pertes d’air comprimé. Ces
applications téléchargeables et portables
d’un terminal à un autre ainsi que les mises à
jour régulières assurées au niveau logiciel
permettent au système de s’enrichir de
nouvelles fonctionnalités, de s’adapter à de
nouveaux objectifs et donc, d’apporter de la
flexibilité et de maximiser ainsi
l’investissement financier réalisé.
La transformation industrielle exige de
repenser l’interaction entre l’homme, les
machine
, les systèmes et les données. Les
solutions d’automatisation mettant en
œuvre des robots collaboratifs, qui, à
l’avenir, seront en mesure de travailler en
interaction directe avec l’humain, jouent un
rôle déterminant dans cette
évolution.
