La robotique collaborative dans l’industrie : enjeux, perspectives actuelles et futures, Michel Devy*

Les robots collaboratifs, ou cobots, sont déjà dans les usines, et de nombreux développements visent le marché grand public du robot d’assistance… Mais à part quelques robots spécialisés, celui qui permettra d’accroître l’autonomie des personnes âgées à domicile n’est pas pour demain !

*MICHEL DEVY est directeur de recherche émérite au Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS) du CNRS, Toulouse.

Rappelons qu’un cobot est un robot capable d’effectuer des tâches à proximité d’une personne, voire d’interagir avec cette personne en toute sécurité. Les premiers cobots sont des robots manipulateurs à poste fixe, en cours de déploiement dans l’industrie. On parle aussi de cobotique mobile, quand on évoque des véhicules automatisés, les AGV (automatic guided vehicle), qui se déplacent de manière autonome dans des espaces partagés avec des humains. Pourquoi cette technologie très récente est adoptée si rapidement dans l’industrie? Nous rappellerons d’abord le contexte général qui sous-tend les évolutions en cours dans nos usines : la cobotique est une des technologies mises en avant dans l’industrie du futur. Puis nous décrirons comment la cobotique transforme actuellement le travail dans l’industrie, avant de nous projeter un peu plus avant dans le futur.

Enjeu général : l’industrie du futur

En France, l’industrie du futur suscite de nombreuses discussions à tous les niveaux et a donné lieu à diverses initiatives : création en 2015 de l’Alliance pour l’industrie du futur (AIF) au niveau national, élaboration de programmes dédiés dans les régions, mise en place de groupes de travail dans les pôles ou les chambres de commerce et d’industrie, émergence de très nombreux consultants qui proposent leurs services pour faire un diagnostic des usines avant de conseiller des pistes de « progrès », etc. Notre pays en ce domaine ne fait que suivre un mouvement mondial, qu’il est convenu d’appeler la quatrième révolution industrielle, ou industrie 4.0, caractérisée par la diffusion des technologies du numérique à tous les niveaux dans les entreprises. Cette transformation est rendue possible par l’arrivée à maturité de nombreuses technologies innovantes : les cobots, mais aussi les objets connectés (IoT, pour Internet of things), la fabrication additive (impression 3D), les interfaces homme-machine (réalité augmentée sur tablettes ou smartphones…), la modélisation et la simulation 3D (réalité virtuelle…), etc, sans oublier l’intelligence artificielle qui permet de planifier, de superviser, d’optimiser et d’apprendre via l’analyse de grandes masses de données (big data). Les objectifs du déploiement de ces technologies dans l’industrie, sont multiples. Au niveau technique :
– l’usine, avant même d’exister, est « numérique ». Les modèles 3D des produits et des équipements (robots, outils…) sont exploités pour simuler tous les processus industriels, pour optimiser la configuration des ateliers et les interactions des machines avec les opérateurs, pour former ces opérateurs via la réalité virtuelle ;
– l’usine est « agile » ou « flexible ». Pour s’adapter plus rapidement à la demande des clients, les chaînes de fabrication doivent être reconfigurables afin de produire de petites séries ou lots, voire de produire successivement des produits différents (lot de taille 1), chaque produit correspondant à une commande « à la carte » d’un client ;
– l’usine est « étendue ». Les technologies numériques permettent de gérer les flux entre les fournisseurs (supply chain), les différentes unités de production et la logistique (gestion des stocks, transporteurs), avec une planification temporelle automatique des flux depuis les entrées (commandes des clients) jusqu’aux sorties (livraisons aux clients).
– enfin, l’usine est plus « développement durable ».
Ces technologies permettent d’améliorer la qualité des produits (zéro défaut), d’optimiser l’exploitation de l’outil industriel avec la maintenance préventive pour réduire au minimum les temps d’immobilisation des machines et de garantir une traçabilité pour mieux gérer produits et équipements jusqu’au recyclage via le PLM (product life cycle management).

Au niveau économique, l’industrie du futur en France devrait permettre une relance des activités industrielles, en particulier manufacturières : ces activités ne génèrent plus qu’environ 10 % du PIB national en 2016, et ne créent que 2,5 millions d’emplois, soit environ deux fois moins qu’en 1980. Cette relance proviendrait d’une meilleure adaptation au marché, mais surtout de gains de productivité et de croissance : « produire plus pour gagner plus ». On espère maintenir ainsi les usines en France, et même relocaliser des productions qui se font aujourd’hui dans des pays à faible coût de main-d’oeuvre. Enfin, au niveau humain, il est politiquement correct d’affirmer que « l’homme est au coeur du changement ». Un des enjeux consensuels est de réduire la pénibilité du travail, et en particulier les troubles musculo-squelettiques (TMS). Cela dit, il est affirmé aussi que la transformation numérique va fortement impacter la nature des emplois, avec la suppression à terme des « opérateurs de surface » et une montée en compétence des personnels. Mais combien resteront encore dans les usines ?

Perspectives de la cobotique

Les cobots ont d’abord été conçus et mis au point dans les laboratoires, notamment en Allemagne vers 2010. Cette technologie a été rapidement transférée à la société Kuka, qui a développé les bras manipulateurs LWR (light weight robot), puis IIWA (intelligent industrial work assistant). Tous les fabricants de robots (ABB en Europe, Universal Robotics aux États-Unis, Yaskawa et Fanuc au Japon…) proposent aujourd’hui des cobots. Les premiers déploiements dans l’industrie ont suivi vers 2015, notamment dans l’industrie automobile en Allemagne, au Japon et en Corée du Sud. En France, de nombreux industriels font des tests ou des POCs (preuves de concept) : des cobots sont déjà opérationnels, par exemple chez des équipementiers de l’automobile (Bosch, Continental, Valéo). Les cobots n’ont pas vocation à remplacer tous les robots industriels déjà présents dans les usines : pour être sans danger pour les humains, les cobots sont légers, se déplacent à faible vitesse et manipulent de petites charges (jusqu’à 10 kg pour les plus puissants). Ils sont déployés surtout dans les chaînes d’assemblage de petits objets; il restera des robots de grande dimension, qui opèrent sans limite de vitesse dans des cages pour empêcher tout humain d’être à proximité. Un cobot est conçu pour être collaboratif; il opère dans un espace ouvert. Pour éviter tout contact avec des obstacles, et notamment avec des humains, il est équipé de mécanismes de sécurité intrinsèques (pour un bras, mesure des efforts sur toutes les articulations; pour un AGV, détection de contact sur les pare-chocs) et extrinsèques (exploitation de capteurs pour surveiller l’environnement proche du cobot : caméras, kinects, télémètres laser…). Sa programmation suit une norme précise qui limite vitesse et accélération en fonction de la distance avec l’humain le plus proche.

Les cobots sont faciles à déployer et à programmer, et ils exécutent des tâches qu’un opérateur pourrait réaliser. Le concepteur d’une cellule d’assemblage doit donc décider comment répartir les actions entre cobots et opérateurs :
– le cobot ne se fatigue pas, est précis et fiable, mais ses capacités d’adaptation et de dextérité sont limitées ; il réalise des tâches apprises sur des objets rigides. L’opérateur est fatigable, en particulier il souffre de la chaleur, de la poussière… et risque des TMS s’il répète toujours le même geste. Mais il peut détecter des anomalies et adapter ses actions ; il peut manipuler des objets souples ;
– le cobot sera donc réservé aux tâches répétitives et ennuyeuses, aux tâches dangereuses ou aux travaux réalisés dans des environnements hostiles.
L’opérateur est requis pour des tâches complexes, comme la pose de joints ou de câbles. Un des avantages de la cobotique est qu’en cas de panne matérielle d’un cobot sur une cellule d’assemblage, en attendant de le remplacer, sa tâche peut être assurée par un opérateur, même si c’est en diminuant la cadence… mais la production n’est pas arrêtée. Plusieurs modes d’interaction sont possibles entre cobots et opérateurs. Une étude réalisée au sein de PSA en 2015 avait mis en avant cinq scénarios typiques et avait estimé le pourcentage de cas où cela pouvait s’appliquer.
1. Autonomie (20 % ). Le cobot effectue des tâches sans interaction. Par rapport à un robot classique, un cobot a de nombreux avantages : il est léger, se déplace et se programme facilement et n’a pas besoin d’être entouré de barrières physiques. L’interaction avec un opérateur se limitera à la phase d’apprentissage des mouvements et à la mise en place de dispositifs de sécurité extrinsèque, comme des barrières virtuelles (nappes laser).
2. Coaction avec synchronisation temporelle (50 % ). Cobot et opérateur partagent l’espace de travail, avec des zones d’échange d’objets.
3. Coopération avec synchronisation spatiale et temporelle (10 %). L’espace de travail est partagé et la tâche requiert une interaction physique. Par exemple, le cobot peut servir de troisième main : il tient un objet sur lequel l’opérateur exécute une tâche (insertion trop complexe pour être robotisée de manière fiable, mise en place d’un joint souple…).
4. Cobot manipulé par l’opérateur (10 %). Le robot a un outil monté sur son organe terminal (par exemple une ponceuse). Le cobot porte le poids, l’opérateur contrôle lui-même les mouvements du cobot pour exécuter la tâche avec l’outil.
5. Cobot porté par l’opérateur, exosquelettes (10 %). L’opérateur porte le cobot, qui l’assiste dans ses mouvements, par exemple pour porter des charges lourdes. Enfin, cela suscite des interrogations pour le futur, que ce soit au niveau des effets sur l’emploi, sur le travail, ou sur les salariés. Pensons à l’exemple de Tesla et les difficultés de contrôler une machine effectuant des tâches dans le monde physique, qui plus est en interaction avec des opérateurs.