Le succès des cobots de la série UR d'Universal Robots ne tient pas seulement au fait qu'ils puissent fonctionner sans barrières de protection. Ils sont aussi faciles à installer et à utiliser – pas besoin d'être un expert en robotique –, très flexibles dans leur utilisation et capables d'offrir un retour sur investissement de l'ordre d'un an, voire moins, selon son fabricant.

L iminuer la pénibilité du travail tou orsque l'on pense robotique industrielle, on imagine des lignes de production entièrement automatisées où s'affaire toute une ribambelle de robots, souvent de grandes dimensions, qui effectuent à un rythme élevé et sans discontinuer, différentes tâches. Surtout, on imagine ces robots positionnés derrière des cages de protection (ou barrières de sécurité), dans un environnement où l'homme n'a pas sa place, si ce n'est lors des interventions de maintenance et/ou de réparation qui imposent l'arrêt des robots, avec ce que cela peut engendrer en matière de perte de productivité. Pourtant, dans l'industrie, l'homme et le robot tendent depuis peu à se rapprocher et même à collaborer. « Derrière l'expression “robotique collaborative”,se cachent de nouvelles possibilités autorisées par la normalisation et l'évolution des technologies,permettant à l'homme de travailler de manière sécurisée dans la zone d'action d'un robot,que ce dernier soit un robot de type industriel classique ou qu'il soit intrinsèquement adapté à cette collaboration homme/ robot », précise Philippe Charles,responsable produits robotique d'ABB France. La première étape de la robotique collaborative –appelée aussi cobotique– fut en effet de doter les robots industriels standards de fonctions collaboratives. Depuis quasiment une dizaine d'années déjà, les grands noms de la robotique industrielle,tels qu'ABB, Fanuc, Kuka et Stäubli œuvrent en ce sens en munissant leurs robots de fonctions spécifiques de sécurité via l'ajout, dans la baie de commande, d'un calculateur de sécurité ou d'un logiciel de sécurité. Par ailleurs, un dispositif de détection de présence de l'opérateur dans la zone d'action du robot, ainsi que dans les zones proches, doit aussi être mis en place. « Nécessitant la mise en œuvre de capteurs de sécurité capables de gérer plusieurs zones ou volumes de sécurité et pou-vant interagir avec le robot,ce dispositif permet à la machine d'adapter son “comportement” en fonction de la zone où se trouve l'opérateur : arrêt complet du robot quand la personne se trouve dans le volume d'action du robot,vitesse de mouvement du robot réduite à 250 mm/s quand l'opérateur se positionne en dessous d'une certaine distance par rapport au volume d'action du robot,etc. », explique Philippe Charles d'ABB. Répandu dans des industries telles que l'automobile ou l'aéronautique,ce type de robots n'offre toutefois qu'un niveau d'interaction avec l'homme limité et nécessite de maintenir au moins en partie la cage de protection. « C'est ce que l'on appelle la co-activité,c'est-à-direunpartage des espaces où l'homme et le robot travaillent sur une même chaîne de production, mais pas sur le même poste de travail : ils s'acquittent de tâches différentes, à des endroits différents, même si l'opérateur et la machine peuvent se trouver assez proches l'un de l'autre. C'est ce que l'on voit notamment sur les chaînes de production des constructeurs automobiles. Ces robots collaboratifs sont utilisés dans la manipulation de pièces, l'aide à la manipulation d'outils, etc. », précise Sylvain Acoulon, consultant en sécurité des machines auprès du Cetim (Centre technique des industries mécaniques).

C'est quoi un cobot ? Quels sont ses avantages ?

« Mais la véritable cobotique va beaucoup plus loin en termes d'interaction entre l'homme et le robot car elle permet à ce dernier de se“libérer”complètement de sa cage de protection afin qu'il puisse travailler avec l'homme sur un même poste de travail,et cela,sans danger pour l'opérateur. On parle alors de cobot. Cette fa- coup, ne peut manipuler que des charges n'excédant pas 500 grammes par bras. À l'inverse, le cobot de Fanuc, référencé CR-35iA, est le premier modèle du marché à manipuler des charges allant jusqu'à 35kg, mais au prix d'une vitesse réduite. La plupart des cobots travaillent en général avec des charges comprises entre 1 et 10kg. Discipline relativement récente, la cobotique ne cesse d'évoluer et de se perfectionner grâce à l'évolution des technologies de capteurs. « Pour que le cobot puisse interagir avec son environnement, il existe une grande variété de technologies de capteurs qu'il peut intégrer : des capteurs d'effort aux capteurs de contact,en passant par les capteurs de proximité basés sur une technologie à ultrasons, mais également des capteurs de position articulaire, appelés aussi capteurs articulaires, basés sur la mesure de déformation des ressorts d'articulation du robot via des jauges de contrainte,tels que ceux embarqués dans les cobots de Kuka ou d'Uni-versal Robots », précise Yann Perrot du CEA List. Mais d'autres technologies sont également à l'étude. Ainsi, le CEA List travaille-t-il sur une technologie sans capteurs basée sur un asservissement du courant dans les moteurs du robot. « Le courant constitue en effet une bonne image de l'effort produit par le robot. L'avantage de cette technologie réside dans sa rapidité puisque les temps de réaction du robot sont de l'ordre de la milliseconde,alors que l'on se trouve plutôt dans la fourchette 10-100 ms dans le cas des autres technologies », argumente Yann Perrot. Quant à la société allemande MRK-Systeme,elle est à l'origine d'un cobot doté d'une « peau» sensible qui lui permet de percevoir son environnement à (faible) distance, c'est-à-dire avant le contact avec un opérateur (quelques centimètres) grâce à une technologie à base de capteurs capacitifs (celle-là même utilisée dans les écrans tactiles). Une détection optique de l'opérateur permettrait, également, non pas de minimiser l'impact des chocs, mais de les prévenir. « Le problème est qu'il n'existe pas de solution optique idéale qui permette de détecter de manière fiable la présence d'un opérateur, et surtout de le différencier d'un objet quelconque. Les solutions déjà testées in situ telles que des systèmes de stéréovision ou de lidar n'ont pas été concluantes à cause d'arrêts intempestifs, et n'ont finalement pas été retenues. Mais ce n'est qu'une question de temps », explique Sylvain Acoulon, consultant auprès du Cetim. D'autres solutions technologiques existent comme la vision 3D à mesure de temps de vol considérée comme prometteuse pour cette application. Notons enfin que certains cobots utilisent des astuces supplémen-taires pour minimiser les conséquences éventuelles de contact entre l'opérateur et le cobot.YuMi, par exemple, dispose de bras en magnésium (moins dense que l'aluminium), de coques flottantes et de mousse pour réduire les effets des impacts avec l'opérateur.

Pour l'heure, les robots collaboratifs trouvent leur place dans la production automobile (Renault, BWM, Audi, Volkswagen, Valeo…) dans des fonctions simples de type vissage, mais aussi dans l'électronique, l'agroalimentaire, la logistique, la pharmaceutique, la cosmétique, la petite mécanique de précision, le dévracage, etc.

La start-up française Isybot, essaimée du CEA List, a conçu un cobot déjà utilisé dans une première application industrielle. Développée avec l'entreprise Gebe2 pour la SNCF, cette application concerne le ponçage des portes des trains. Une fois que l'opérateur a délimité les zones à poncer, le robot suit la trajectoire indiquée et réalise le travail qui était auparavant fait par l'opérateur et le décharge ainsi de cette tâche fastidieuse.

On ne badine pas avec la sécurité

Même s'il intègre en son sein des fonctions de sécurité, un cobot reste un robot « Tout comme pour la robotique industrielle classique, l'utilisateur doit impérativement procéder à une analyse des risques liés à l'utilisation d'un cobot dans l'application pour laquelle il est destiné car, même s'il dispose de fonctions de sécurité intrinsèques, les charges ou les outils qu'il manipule, par exemple s'ils sont coupants ou dotés d'arêtes franches, peuvent rendre l'ensemble dangereux », prévient Philippe Charles d'ABB. Il est important de noter que l'utilisation des cobots est autorisée depuis 2007 et régie par la norme EN ISO 10218-1/ EN ISO 10218-2 relative à la sécurité des installations robotisées, qui constitue la norme de base pour la cobotique. Mais depuis février 2016, une spécification technique ISO est venue s'y ajouter. Il s'agit de l'ISO/TS 15066 qui définit notamment quatre modes de fonctionnement sécurisés des systèmes robotisés collaboratifs: «arrêt nominal de sécurité contrôlé», «guidage manuel», «limitation de la puissance et de la force» et «contrôle de la vitesse et de la distance de séparation ». « Avec les applications robotiques collaboratives, il est impératif d'être attentif aux risques de dangers potentiels pour les opérateurs. Or jusqu'à présent, les fournisseurs et les intégrateurs de systèmes robotiques ne disposaient que d'informations d'ordre général sur ce sujet.L'ISO/ TS 15066 change la donne en fournissant des recommandations spécifiques axées sur les données de sécurité nécessaires pour évaluer et maîtriser les risques », souligne Carole Franklin, secrétaire du groupe de travail de l'ISO sur la sécurité industrielle dans le domaine de la robotique (ISO/TC 299/GT 3). Cette spécification précise par exemple les valeurs maximales admissibles de chocs subis par l'opérateur en fonction de la partie du corps où ces chocs interviennent (pour plus de renseignements à ce sujet, se référer à l'interview de Didier Novat,responsable des produits de sécurité chez Sick France, parue dans le n°891 de Mesures , pages 22 à 24).

Si des fonctions collaboratives étaient déjà disponibles sur les gros robots porteurs dès 2008-2009, c'est surtout à partir de 2010 que les véritables cobots, c'est-à-dire des petits robots industriels à fonctions collaboratives, sont réellement arrivés sur le marché. C'est surtout Universal Robots (qui bat désormais pavillon américain puisqu'il a été racheté parTeradyne il y a deux ans) qui a bousculé tout le monde avec des prix encore jamais vus pour de la robotique industrielle (20000 à 30000euros) et une facilité d'utilisation et de programmation là aussi inédite.

Porte d'entrée de la robotique dans les PME ?

Et avec l'arrivée de ces cobots peu onéreux a resurgi l'espoir de faire enfin entrer la robotique dans les PME. « Dans les industries de masse,telles que l'automobile, la robotisation conventionnelle est très répan-due.Mais elle a eu du mal à arriver jusqu'aux PME. À une époque, certaines PME avaient tenté de s'équiper en robots, mais l'expérience avait souvent été douloureuse à cause de l'inadéquation entre le besoin de la PME et l'offre en robots qui était proposée à l'époque. Du coup, la robotique classique pâtit d'une certaine mauvaise réputation auprès de ces entreprises , se remémore Sylvain Acoulon, consultant auprès du Cetim. Mais au-jourd'hui,avec l'arrivée des cobots qui sont non seulement moins chers, mais aussi plus petits et équipés d'une interface de programmation très facile d'utilisation, l'image qu'ont les PME de la robotique commence à changer car l'offre répond mieux à leurs besoins, à leurs budgets, et ce n'est plus forcément la peine d'avoir recours à un intégrateur – comme c'est le cas avec les robots classiques – ou d'être un expertdelarobotique pour installer son cobot et le programmer. » Un argument également porté par Jacob Pascual Pape d'Universal Robots. « Les raisons qui expliquent que nos cobots sont les plus vendus en France tiennent autant dans leur prix raisonnable que dans leur grande facilité de programmation. Une formation de deux jours suffit pour qu'un opérateur puisse se débrouiller avec le robot en question », indique-t-il. À noter que le Cetim et le CEA List sont impliqués dans le développement de la robo-tique en général dans les PME, notamment avec la mise en place du programme Robot Start PME (RSPME) qui permet aux petites et moyennes entreprises de se doter d'outils de robotisation grâce à un soutien tant technique que financier.

L'industrie du futur en ligne de mire

Si de jeunes sociétés telles qu'Universal Robots ont permis la commercialisation de cobots à partir de 2009-2010, force est de constater que de nombreux ténors de la robotique industrielle (ABB, Fanuc, Kuka, Kawasaki Robotics, Mitsubishi Electric, etc.) leur ont vite emboîté le pas, preuve qu'il y a un réel potentiel à exploiter. « Clairement, nous n'en sommes qu'aux prémices de la cobotique qui constitue, à n'en point douter, un axe de développement important de la robotique dans les années à venir.Mais,compte tenu des caractéristiques des cobots, notamment leur petite taille,leur vitesse réduite et leur faible capacité de charge,cette discipline se positionne en complément de la robotique traditionnelle, et non en substitut », préciseYann Perrot du CEA List. Mais comme pour le robot traditionnel, le choix du modèle de cobot le mieux adapté à une application donnée passe par une étude précise des besoins (et des contraintes) de l'utilisateur. Pour l'heure, les robots collaboratifs trouvent leur place dans la production automobile (Renault, BWM, Audi, Volkswagen, Valeo…) dans des fonctions simples de type vissage, mais aussi dans l'électronique, l'agroalimentaire, la logistique, la pharmaceutique, la cosmétique, la petite mécanique de précision, le dévracage, etc. « La cobotique répond aux demandes clients liées aux problèmes d'ergonomie et de TMS [ troubles musculaires squelettiques, ndlr ] des opérateurs dans l'industrie, à la compacité et àlaflexi-bilité d'utilisation des installations robotisées, et au traitement des petites séries,tout en bénéficiant de la dextérité et de la polyvalence de l'opérateur qui travaille avec lui », résume Philippe Charles d'ABB. Et ce dernier de conclure: « Le cobot, dans le cadre del'in-dustrie du futur, permet potentiellement de répondre au défi majeur de la production industrielle, notamment en Europe, amenée à passer d'une“production de masse”àune“cus-tomisation de masse”, ce qui nécessiterad'ap-préhender une grande diversité de produits avec des cycles de vie courts ». culté du cobot offre des possibilités nouvelles et modifie en profondeur la manière dont la robotisation peut être intégrée dans l'usine », ajoute SylvainAcoulon. « Avec le cobot,on est bien loin du fantasme du robot qui prend les emplois de l'homme : le but est justement qu'ils travaillent ensemble et soient complémentaires dans leurs tâches , renchéritYann Perrot, responsable du laboratoire de robotique interactive du CEA List. Tout dépend de la valeur ajoutée humaine,qui s'évalue en termes de savoir-faire ou de dextérité à effectuer une tâche : si le travail nécessite une forte valeur ajoutée humaine,alors le cobot est une sorte d'assistant de l'opérateur pour l'aider dans sa tâche ; si en revanche la valeur ajoutée humaine est faible, le cobot effectue seul une grande partie de la tâche soulageant ainsi l'opérateur de tâches répétitives ou fastidieuses ». Hors de sa cage, le cobot ouvre le champ des possibles de la robotique dans l'industrie. « La possibilité d'utiliser un cobot sans cage physique de sécurité offre de nombreuses opportunités de travail nouvelles qui vont potentiellement permettre de générer des gains de productivité importants et d'apporter de la flexibilité aux outils de production, faisant ainsi de la cobotique l'une des briques technologiques majeures de l'industrie du futur, souligne SylvainAcoulon. La cobotique ouvre,par exemple,la voie à la robotique déplaçable faisant que c'est le robot qui arrive dans le flux automatisé et non l'inverse. On peut aussi imaginer plusieurs petits cobots travaillant autour d'une grosse pièce, ce qui modifie en profondeur la manière dont la robotisation s'intègre dans les usines par rapport à la robotique traditionnelle ». Mais le fait qu'il puisse travailler hors d'une cage de protection n'est pas le seul avantage du cobot. Ce qui peut aussi le différencier du robot industriel classique, c'est sa faculté à apprendre et à reproduire des mouvements par simple démonstration directe, en l'occurrence simplement en lui prenant le (ou les) bras pour lui montrer les mouvements à exécuter. Ces opérations d'apprentissage peuvent éventuellement être exportées via une tablette ou une interface homme-machine. « Le succès de nos cobots de la série UR ne tient pas seulement au fait qu'ils puissent fonctionner sans barrières de protection. Ils sont aussi très faciles à installer et à utiliser – pas besoin d'être un expert en robotique –, très flexibles dans leur utilisation et capables d'offrir un retour sur investissement de l'ordre d'un an, voire moins,compte tenu d'un coût de quelques dizaines de milliers d'euros », argumente Jacob Pascual Pape, directeur général pour l'Europe du sud d'Universal Robots (UR), une jeune société danoise pionnière de la cobotique qui revendique avoir d'ores et déjà vendu quelque 15000 de ses cobots à travers le monde et détenir le premier rang mondial du secteur.

Même s'il est potentiellement capable de sortir de sa cage de protection pour interagir et travailler avec l'homme, sans danger pour ce dernier, le cobot ne dispense pas son utilisateur de procéder à une analyse des risques liés à son utilisation dans l'application pour laquelle il est destiné. Les charges ou les outils qu'il manipule, par exemple s'ils sont coupants ou dotés d'arêtes franches, peuvent en effet rendre l'ensemble dangereux pour l'opérateur si aucune précaution n'est prise.

Si de jeunes sociétés telles qu'Universal Robots ont permis la commercialisation de cobots à partir de 2009-2010, force est de constater que de nombreux ténors de la robotique industrielle (ABB, Fanuc, Kuka, Kawasaki Robotics, Mitsubishi Electric, etc.) leur ont vite emboîté le pas, preuve qu'il y a un réel potentiel à exploiter.

Le cobot, un concentré de technologies

Mais sortir un robot de sa cage a imposé une conception différente de celle des robots industriels traditionnels. « Contrairement au robot industriel standard auquel on peut ajouter des fonctions collaboratives, le véritable cobot est un robot qui in-tègre nativement de l'intelligence embarquée qui lui permet d'interargir avec son environnement pour, par exemple, s'arrêter de lui-même en cas de contact avec un opérateur,sans dommage pour ce dernier », explique Philippe Charles d'ABB. Pour ce faire, le cobot intègre la plupart du temps des capteurs de couple ou d'effort pour détecter un contact avec un opérateur, une électronique de commande embarquée très réactive afin de stopper le plus rapidement possible le mouvement du robot en cas de contact, ainsi que différentes fonctions de sécurité pour limiter l'impact de ces chocs potentiels. Parmi ces fonctions, citons par exemple le contrôle de vitesse lente, qui limite la vitesse maximale du robot à moins de 250mm/s,ou la surveillance de couple, qui assure le contrôle en temps réel de la vitesse et du mouvement du robot afin que le couple estimé de ses articulations demeure en dessous d'un niveau prédéterminé. « La physique étant la même pour tous, l'énergie cinétique et les efforts de contact du cobot doivent être limités afin que l'homme puisse travailler à ses côtés sans risque de se blesser en cas de choc, ce qui impose la limitation des masses en mouvement et de la vitesse des mouvements du robot. Par rapport à un robot classique,le cobot doit donc être léger – et par conséquent souvent de petite taille –, limité en vitesse de mouvements et/ ou en capacité de charge embarquée. Il faut bien avoir cela à l'esprit pour bien faire son choix entre un robot traditionnel et un cobot », souligne Philippe Charles. Ainsi,YuMi, le cobot à double bras d'ABB,privilégie-t-il la vitesse de mouvement mais, du