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

Les robots collaboratifs, ou cobots, sont dĂ©jĂ  dans les usines, et de nombreux dĂ©veloppements visent le marchĂ© grand public du robot d’assistance
 Mais Ă  part quelques robots spĂ©cialisĂ©s, celui qui permettra d’accroĂźtre l’autonomie des personnes ĂągĂ©es Ă  domicile n’est pas pour demain !

*MICHEL DEVY est directeur de recherche Ă©mĂ©rite au Laboratoire d’analyse et d’architecture des systĂšmes (LAAS) du CNRS, Toulouse.


Rappelons qu’un cobot est un robot capable d’effectuer des tĂąches Ă  proximitĂ© d’une personne, voire d’interagir avec cette personne en toute sĂ©curitĂ©. Les premiers cobots sont des robots manipulateurs Ă  poste fixe, en cours de dĂ©ploiement dans l’industrie. On parle aussi de cobotique mobile, quand on Ă©voque des vĂ©hicules automatisĂ©s, les AGV (automatic guided vehicle), qui se dĂ©placent de maniĂšre autonome dans des espaces partagĂ©s avec des humains. Pourquoi cette technologie trĂšs rĂ©cente est adoptĂ©e si rapidement dans l’industrie? Nous rappellerons d’abord le contexte gĂ©nĂ©ral qui sous-tend les Ă©volutions en cours dans nos usines : la cobotique est une des technologies mises en avant dans l’industrie du futur. Puis nous dĂ©crirons comment la cobotique transforme actuellement le travail dans l’industrie, avant de nous projeter un peu plus avant dans le futur.

Enjeu gĂ©nĂ©ral : l’industrie du futur

En France, l’industrie du futur suscite de nombreuses discussions Ă  tous les niveaux et a donnĂ© lieu Ă  diverses initiatives : crĂ©ation en 2015 de l’Alliance pour l’industrie du futur (AIF) au niveau national, Ă©laboration de programmes dĂ©diĂ©s dans les rĂ©gions, mise en place de groupes de travail dans les pĂŽles ou les chambres de commerce et d’industrie, Ă©mergence de trĂšs nombreux consultants qui proposent leurs services pour faire un diagnostic des usines avant de conseiller des pistes de « progrĂšs », etc. Notre pays en ce domaine ne fait que suivre un mouvement mondial, qu’il est convenu d’appeler la quatriĂšme rĂ©volution industrielle, ou industrie 4.0, caractĂ©risĂ©e par la diffusion des technologies du numĂ©rique Ă  tous les niveaux dans les entreprises. Cette transformation est rendue possible par l’arrivĂ©e Ă  maturitĂ© de nombreuses technologies innovantes : les cobots, mais aussi les objets connectĂ©s (IoT, pour Internet of things), la fabrication additive (impression 3D), les interfaces homme-machine (rĂ©alitĂ© augmentĂ©e sur tablettes ou smartphones
), la modĂ©lisation et la simulation 3D (rĂ©alitĂ© 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 donnĂ©es (big data). Les objectifs du dĂ©ploiement de ces technologies dans l’industrie, sont multiples. Au niveau technique :
– l’usine, avant mĂȘme d’exister, est « numĂ©rique ». Les modĂšles 3D des produits et des Ă©quipements (robots, outils
) sont exploitĂ©s pour simuler tous les processus industriels, pour optimiser la configuration des ateliers et les interactions des machines avec les opĂ©rateurs, pour former ces opĂ©rateurs via la rĂ©alitĂ© virtuelle ;
– l’usine est « agile » ou « flexible ». Pour s’adapter plus rapidement Ă  la demande des clients, les chaĂźnes de fabrication doivent ĂȘtre reconfigurables afin de produire de petites sĂ©ries ou lots, voire de produire successivement des produits diffĂ©rents (lot de taille 1), chaque produit correspondant Ă  une commande « Ă  la carte » d’un client ;
– l’usine est « Ă©tendue ». Les technologies numĂ©riques permettent de gĂ©rer les flux entre les fournisseurs (supply chain), les diffĂ©rentes unitĂ©s de production et la logistique (gestion des stocks, transporteurs), avec une planification temporelle automatique des flux depuis les entrĂ©es (commandes des clients) jusqu’aux sorties (livraisons aux clients).
– enfin, l’usine est plus « dĂ©veloppement durable ».
Ces technologies permettent d’amĂ©liorer la qualitĂ© des produits (zĂ©ro dĂ©faut), d’optimiser l’exploitation de l’outil industriel avec la maintenance prĂ©ventive pour rĂ©duire au minimum les temps d’immobilisation des machines et de garantir une traçabilitĂ© pour mieux gĂ©rer produits et Ă©quipements jusqu’au recyclage via le PLM (product life cycle management).

ChaĂźne d’assemblage automatisĂ©e dans une usine produisant des voitures Tesla.
ChaĂźne d’assemblage automatisĂ©e dans une usine produisant des voitures Tesla.

Au niveau Ă©conomique, l’industrie du futur en France devrait permettre une relance des activitĂ©s industrielles, en particulier manufacturiĂšres : ces activitĂ©s ne gĂ©nĂšrent plus qu’environ 10 % du PIB national en 2016, et ne crĂ©ent que 2,5 millions d’emplois, soit environ deux fois moins qu’en 1980. Cette relance proviendrait d’une meilleure adaptation au marchĂ©, mais surtout de gains de productivitĂ© et de croissance : « produire plus pour gagner plus ». On espĂšre maintenir ainsi les usines en France, et mĂȘme relocaliser des productions qui se font aujourd’hui dans des pays Ă  faible coĂ»t 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 rĂ©duire la pĂ©nibilitĂ© du travail, et en particulier les troubles musculo-squelettiques (TMS). Cela dit, il est affirmĂ© aussi que la transformation numĂ©rique va fortement impacter la nature des emplois, avec la suppression Ă  terme des « opĂ©rateurs de surface » et une montĂ©e en compĂ©tence des personnels. Mais combien resteront encore dans les usines ?

Perspectives de la cobotique

Les cobots ont d’abord Ă©tĂ© conçus et mis au point dans les laboratoires, notamment en Allemagne vers 2010. Cette technologie a Ă©tĂ© rapidement transfĂ©rĂ©e Ă  la sociĂ©tĂ© Kuka, qui a dĂ©veloppĂ© 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 dĂ©ploiements dans l’industrie ont suivi vers 2015, notamment dans l’industrie automobile en Allemagne, au Japon et en CorĂ©e du Sud. En France, de nombreux industriels font des tests ou des POCs (preuves de concept) : des cobots sont dĂ©jĂ  opĂ©rationnels, par exemple chez des Ă©quipementiers de l’automobile (Bosch, Continental, ValĂ©o). Les cobots n’ont pas vocation Ă  remplacer tous les robots industriels dĂ©jĂ  prĂ©sents dans les usines : pour ĂȘtre sans danger pour les humains, les cobots sont lĂ©gers, se dĂ©placent Ă  faible vitesse et manipulent de petites charges (jusqu’à 10 kg pour les plus puissants). Ils sont dĂ©ployĂ©s surtout dans les chaĂźnes d’assemblage de petits objets; il restera des robots de grande dimension, qui opĂšrent sans limite de vitesse dans des cages pour empĂȘcher tout humain d’ĂȘtre Ă  proximitĂ©. Un cobot est conçu pour ĂȘtre collaboratif; il opĂšre dans un espace ouvert. Pour Ă©viter tout contact avec des obstacles, et notamment avec des humains, il est Ă©quipĂ© de mĂ©canismes de sĂ©curitĂ© intrinsĂšques (pour un bras, mesure des efforts sur toutes les articulations; pour un AGV, dĂ©tection de contact sur les pare-chocs) et extrinsĂšques (exploitation de capteurs pour surveiller l’environnement proche du cobot : camĂ©ras, kinects, tĂ©lĂ©mĂštres laser…). Sa programmation suit une norme prĂ©cise qui limite vitesse et accĂ©lĂ©ration en fonction de la distance avec l’humain le plus proche.

Air-Cobot
Exemple de cobotique mobile : Air-Cobot, un robot collaboratif conçu pour inspecter des avions en maintenance au sol (ici, Ă  l’intĂ©rieur d’un hangar Air France Ă  Toulouse).

Les cobots sont faciles Ă  dĂ©ployer et Ă  programmer, et ils exĂ©cutent des tĂąches qu’un opĂ©rateur pourrait rĂ©aliser. Le concepteur d’une cellule d’assemblage doit donc dĂ©cider comment rĂ©partir les actions entre cobots et opĂ©rateurs :
– le cobot ne se fatigue pas, est prĂ©cis et fiable, mais ses capacitĂ©s d’adaptation et de dextĂ©ritĂ© sont limitĂ©es ; il rĂ©alise des tĂąches apprises sur des objets rigides. L’opĂ©rateur est fatigable, en particulier il souffre de la chaleur, de la poussiĂšre
 et risque des TMS s’il rĂ©pĂšte toujours le mĂȘme geste. Mais il peut dĂ©tecter des anomalies et adapter ses actions ; il peut manipuler des objets souples ;
– le cobot sera donc rĂ©servĂ© aux tĂąches rĂ©pĂ©titives et ennuyeuses, aux tĂąches dangereuses ou aux travaux rĂ©alisĂ©s dans des environnements hostiles.
L’opĂ©rateur est requis pour des tĂąches complexes, comme la pose de joints ou de cĂąbles. Un des avantages de la cobotique est qu’en cas de panne matĂ©rielle d’un cobot sur une cellule d’assemblage, en attendant de le remplacer, sa tĂąche peut ĂȘtre assurĂ©e par un opĂ©rateur, mĂȘme si c’est en diminuant la cadence
 mais la production n’est pas arrĂȘtĂ©e. Plusieurs modes d’interaction sont possibles entre cobots et opĂ©rateurs. Une Ă©tude rĂ©alisĂ©e au sein de PSA en 2015 avait mis en avant cinq scĂ©narios typiques et avait estimĂ© le pourcentage de cas oĂč cela pouvait s’appliquer.
1. Autonomie (20 % ). Le cobot effectue des tĂąches sans interaction. Par rapport Ă  un robot classique, un cobot a de nombreux avantages : il est lĂ©ger, se dĂ©place et se programme facilement et n’a pas besoin d’ĂȘtre entourĂ© de barriĂšres physiques. L’interaction avec un opĂ©rateur se limitera Ă  la phase d’apprentissage des mouvements et Ă  la mise en place de dispositifs de sĂ©curitĂ© extrinsĂšque, comme des barriĂšres virtuelles (nappes laser).
2. Coaction avec synchronisation temporelle (50 % ). Cobot et opĂ©rateur partagent l’espace de travail, avec des zones d’échange d’objets.
3. CoopĂ©ration avec synchronisation spatiale et temporelle (10 %). L’espace de travail est partagĂ© et la tĂąche requiert une interaction physique. Par exemple, le cobot peut servir de troisiĂšme main : il tient un objet sur lequel l’opĂ©rateur exĂ©cute une tĂąche (insertion trop complexe pour ĂȘtre robotisĂ©e de maniĂšre fiable, mise en place d’un joint souple
).
4. Cobot manipulĂ© par l’opĂ©rateur (10 %). Le robot a un outil montĂ© sur son organe terminal (par exemple une ponceuse). Le cobot porte le poids, l’opĂ©rateur contrĂŽle lui-mĂȘme les mouvements du cobot pour exĂ©cuter la tĂąche avec l’outil.
5. Cobot portĂ© par l’opĂ©rateur, exosquelettes (10 %). L’opĂ©rateur 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 salariĂ©s. Pensons Ă  l’exemple de Tesla et les difficultĂ©s de contrĂŽler une machine effectuant des tĂąches dans le monde physique, qui plus est en interaction avec des opĂ©rateurs.

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

  1. Je tenais à apporter une précision sur les acteurs de la robotique collaborative.
    Vous Ă©crivez : « tous les fabricants de robots (ABB en Europe, Universal Robotics aux États-Unis, Yaskawa et Fanuc au Japon
) proposent aujourd’hui des cobots.
    Concernant la sociĂ©tĂ© Universal Robots (et non Robotics), il ne s’agit pas d’un fabricant de robots « classiques » ayant Ă©voluĂ© vers des cobots. Cette entreprise, danoise Ă  l’origine et ayant encore toutes ses Ă©quipes de conception et sa production au Danemark, ne produit que des robots collaboratifs, depuis 2008. Pionnier dans ce domaine, elle est devenue au fil des annĂ©es la rĂ©fĂ©rence dans ce domaine, avec plus de 37000 robots en service dans le monde. Depuis 3 ans, elle a mis en place un Ă©cosystĂšme pour permettre Ă  des dĂ©veloppeurs / intĂ©grateurs de dĂ©velopper des accessoires, prĂ©henseurs, logiciels complĂštement intĂ©grables Ă  ses cobots, ce pour dĂ©multiplier les solutions d’automatisation collaboratives et rĂ©pondre Ă  plus de besoins.

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