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Les robots débarquent…
...mais encore quelques détails à régler
Les robots industriels peuvent être extrêmement efficaces pour automatiser des processus répétitifs critiques pour l’entreprise et souvent risqués, comme la manutention de lourdes pièces de fonte ou le soudage des structures de la caisse des véhicules sur les lignes de production des constructeurs automobiles. Ils peuvent aussi offrir des avantages notables aux PME ayant besoin de flexibilité au niveau de tâches évolutives orientées vers les processus. Une difficulté surgit toutefois avec les robots industriels… leur utilisation.
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Malgré les défis posés, sur lesquels nous reviendrons, l’adoption des robots s’est accélérée au cours des deux dernières années, notamment aux Etats-Unis, où la demande de robots est en forte augmentation avec des entreprises qui investissent largement dans l’automatisation.
Selon The Association for Advancing Automation (A3), les commandes totales de robots aux Etats-Unis ont augmenté de 20 % au premier trimestre 2021 par rapport à la même période en 2020. Les entreprises présentes dans le traitement des métaux ont dépensé 86 % de plus en acquisition de robots, celles actives dans les sciences de la vie et les produits pharmaceutiques ont investi 72 % de plus. Les entreprises du secteur alimentaire et des biens de grande consommation ont investi 32 % de plus. Le reste des industries non automobiles a investi globalement 12 % en plus. Les chiffres fournis par A3 montrent également que 2020 a été la première année au cours de laquelle les entreprises extérieures au secteur automobile ont dépensé plus en robotique que les constructeurs automobiles eux-mêmes.
Commentant la publication des résultats en mai 2021, Jeff Burnstein, président de A3, a expliqué :
« Alors que les avancées acquises dans les technologies robotiques, notamment en termes de facilité d’utilisation et de nouvelles applications demeurent des éléments moteurs pour l’adoption des robots, la pénurie des personnels dans la production, l’entreposage et divers autres secteurs sont des facteurs significatifs expliquant l’expansion actuelle de l’utilisation des robots. Le Covid n’est pas à l’origine du mouvement vers l’automatisation, mais il a sans nul doute accéléré des tendances déjà à l’œuvre. »
Examen des technologies
Hagen Götze
Senior Director Marketing, Avnet Abacus
STRATEGIE INDUSTRIE 4.0
L’une des raisons expliquant le hiatus entre notre vision de la valeur des robots industriels et leur utilité réelle est peut-être à trouver dans la stratégie Industrie 4.0 introduite par le gouvernement allemand en 2011. Industrie 4.0 était censée améliorer la production en jetant une passerelle entre le monde physique des lignes de production et le monde numérique de la planification du travail, de la surveillance des équipements, du contrôle statistique de qualité et de la maintenance prédictive.
Dans le cadre d’une stratégie Industrie 4.0, les usines devraient évoluer inexorablement vers un statut d’« usines intelligentes », où chaque action physique sur les lignes de production est associée à une capture de données en temps réel, à une analyse avancée et à des demandes d’action traitées par des systèmes basés dans le cloud, par le biais de solides réseaux de communication. Pour beaucoup de gens, cela reste une vision très futuriste. Une étude portant sur l’état et l’avenir de la robotique industrielle, publiée en novembre 2020 par l’Interactive Robotics Group du MIT, a explicité quelques-unes des raisons sous-tendant cette situation.
LE DEFI DE L’INTEGRATION
L’un des principaux défis liés à l’utilisation des robots industriels concerne leur intégration sur les lignes de production. Les robots industriels sont souvent des machines volumineuses, puissantes et rapides qui doivent être équipées de barrières de sécurité ou de protections permettant de protéger les ouvriers, ce qui perturbe la fluidité des méthodes de travail existantes. Les robots industriels peuvent être difficiles à programmer : l’industrie manque d’un langage commun permettant de programmer le mouvement des robots. Chaque fabricant prévoit généralement sa propre interface utilisateur, et même les contrôleurs manuels sont différents. La programmation des robots est donc un travail de spécialiste souvent externalisé et confié à des intégrateurs tiers, dont le travail est souvent plus coûteux que le robot lui-même. S’il s’avère que la fonction programmée doit être modifiée, en raison par exemple du remplacement d’une pièce, il est possible que l’entreprise concernée soit à nouveau contrainte de faire appel aux intégrateurs pour procéder à l’ajustement nécessaire.
Examen des technologies
Certains professionnels ont même envisagé de proposer une offre de « robots comme service » afin de permettre aux entreprises de s’épargner le cassetête de leur remise en service.
LE DEFI DE L’USINE INTELLIGENTE
Même les entreprises qui adoptent des robots industriels peuvent se montrer sceptiques à l’égard d’autres volets stratégiques de l’ « usine intelligente », comme l’Internet industriel des objets (IIoT), en raison des inquiétudes associées à l’indispensable confidentialité, à la sécurité et au contrôle des données. Les usines qui adoptent l’IIoT pour surveiller les lignes de production robotiques doivent mettre en œuvre un réseau de communication extrêmement robuste afin de connecter tous les capteurs et actionneurs distribués. Par exemple, quand la société Ocado, spécialisée dans l’automatisation des procédés de livraison de produits d’épicerie et du traitement des commandes a voulu s’équiper en communications pour ses vastes entrepôts robotisés, elle a dû installer un réseau 4G privé.
Des interrogations sont également soulevées à propos de l’utilisation du cloud computing pour collecter, stocker, nettoyer et analyser les données d’une usine intelligente. La promesse du cloud computing réside dans sa capacité à fournir une puissance de traitement à la demande, à l’instar d’un service public. La réalité est que les systèmes du cloud peuvent présenter des difficultés critiques pour la mission considérée, lorsqu’ils sont utilisés pour gérer une ligne de production.
La vrai difficulté cependant réside dans le fait que collecter un grand nombre de données n’a pas grand-chose à voir avec la création de données exploitables. La direction de l’entreprise peut à juste titre s’inquiéter du coût de mise en œuvre des infrastructures nécessaires pour transformer un robot autonome en élément intégral d’une usine intelligente, et s’interroger sur la viabilité financière de l’opération : « Où se trouve vraiment mon retour sur investissement ? »
L’ALTERNATIVE COBOT
L’une des alternatives est le robot collaboratif – autrement dit, le cobot –, qui permet aux personnels et aux robots de travailler plus étroitement ensemble sans mettre en péril la sécurité des ouvriers.
Les cobots ont souvent des bras robotiques plus petits et plus légers, conçus pour traiter et manipuler des masses moins importantes. De surcroît, ils se déplacent plus lentement que les robots autonomes. Nombre de ces bras robotiques intègrent des systèmes de capteurs afin de stopper leur mouvement s’ils rencontrent un obstacle, objet ou être humain. Il peut s’agir de sondes de contact passives, de rideaux de sécurité laser ou lumineux, de capteurs de proximité installés dans la zone de travail, voire de peaux électroniques capacitives.
Cette approche, utilisée notamment par Bosch Rexroth avec ses robots collaboratifs APAS qui servent d’assistants de production, permet de détecter un être humain dans la zone de travail, sans aucun contact, et de ralentir ou de stopper complètement l’opération en cours. Les critères de sécurité applicables aux robots collaboratifs sont définis par la norme ISO/TS 15066.
Cobot aidant un opérateur sur une ligne d’assemblage pour augmenter la productivité.
Les cobots présentent des difficultés de programmation similaires à celles des robots de grandes dimensions, mais leur taille plus réduite et leur plus grande accessibilité permettent de mieux se familiariser avec leur fonctionnement et de les adapter plus rapidement à de nouvelles tâches.
VEHICULES A GUIDAGE AUTOMATIQUE
Les véhicules à guidage automatique (AGV) constituent un sous-ensemble important de la robotique, capables de naviguer dans les travées d’une usine afin de déplacer des matériels de façon autonome, en utilisant des capteurs pour trouver leur chemin et éviter les obstacles.
La bonne nouvelle dans ce domaine, c’est que les travaux menés sur le développement des véhicules autonomes permettent de faire avancer rapidement les connaissances et l’état de l’art sur des concepts clés tels que la localisation simultanée et le mapping, et encourage le développement de technologies de capteurs plus sophistiquées, comme les capteurs de mesure du temps de vol et les LiDAR.
La mauvaise nouvelle, c’est que l’absence de standards rend plus difficile la gestion d’une flotte de véhicules à guidage automatique par les multiples fabricants au sein d’un groupe.
TECHNOLOGIES HABILITANTES
Comme l’illustre l’exemple des véhicules à guidage automatique, l’une des technologies clés de la robotique du futur s’appuiera sur des standards adoptant une approche commune à l’égard des problématiques de développement – programmation, communications et collaboration dans l’espace de travail commun. Des efforts sont déjà mis en œuvre pour y parvenir – le ROS (Robot Operating System) open source est un ensemble d’outils, de bibliothèques et de conventions, particulièrement populaire auprès des individus et du monde académique, pour créer des comportements complexes et robustes sur une large variété de plateformes robotiques. Pourquoi un tel engouement pour le ROS ? La justification fournie est la suivante : « Parce que la création d’un logiciel de robotique polyvalent et robuste s’avère difficile. Dans la perspective du robot, les problèmes qui semblent triviaux pour un être humain varient souvent très largement entre les instances des tâches et des environnements. Il est si difficile de s’attaquer à ces variations qu’aucun individu, laboratoire ou institution ne peut espérer y parvenir sans aide extérieure. Le ROS a donc été élaboré à partir d’une page blanche afin d’encourager le développement collaboratif d’un logiciel de robotique. »
Examen des technologies
Examen des technologies
« L’autre grande catégorie de technologie habilitante concerne les capteurs, capables d’exécuter de nombreuses tâches, depuis la surveillance des batteries d’un véhicule à guidage automatique jusqu’au micropositionnement du manipulateur robot pour saisir un composant avec une précision extrême. »
Capteur OMRON EMC B5L
L’autre grande catégorie de technologie habilitante concerne les capteurs, capables d’exécuter de nombreuses tâches, depuis la surveillance des batteries d’un véhicule à guidage automatique jusqu’au micro- positionnement du manipulateur robot pour saisir un composant avec une précision extrême. Ces capteurs doivent être robustes, extrêmement précis, avec une longue durée de vie opérationnelle, et être capables de produire des résultats dans des conditions environnementales qui évoluent rapidement.
Par exemple, les auteurs du rapport du MIT ont constaté que certains systèmes de vision sophistiqués pour les robots fonctionnaient correctement en conditions de laboratoire mais s’avéraient défaillants lorsqu’ils étaient confrontés aux différents types d’éclairage d’une ligne de production réelle. L’une des réponses possibles à cette problématique pourrait être l’utilisation de capteurs infrarouges de mesure du temps de vol, tels que le modèle B5L OMRON EMC (ci-dessus) pour mesurer les distances jusqu’aux objets afin de créer des modèles 3D de leur position dans l’espace. Le capteur est conçu pour rejeter les effets des divers éclairages ambiants, et est protégé contre les interférences mutuelles, afin que 17 unités (au maximum) puissent partager un environnement de travail. Comme précédemment expliqué, même les meilleurs capteurs ne sont viables que s’ils sont étayés par une infrastructure de communication, de calcul et de prise de décision capable d’absorber, d’analyser et d’agir suffisamment rapidement pour offrir un avantage pratique dans la façon d’opérer du robot.
Conclusion
La robotique industrielle offre un long historique d’applications ayant largement démontré leur utilité, notamment dans l’industrie automobile. Mais elle reste confrontée à quelques problématiques pour l’heure incontournables, comme la compréhension de la position des objets dans l’espace, et leur programmation pour manipuler ces objets à distance. Bien qu’il existe des chemins et des stratégies laissant augurer de plus larges applications pour la robotique, parvenir à concrétiser ces opportunités nécessitera d’abord de régler un certain nombre de détails sur de multiples fronts.
GYROSCOPE AXE XYZ, 6 DEGRES DE LIBERTE (6-DOF) ET ACCELEROMETRE AXE XYZ AVEC INTERFACE NUMERIQUE SPI
Murata propose un capteur inertiel basé sur un MEMS, avec interface numérique SPI (Serial Peripheral Interface) pour le contrôle des machines industrielles de haute précision et la prise en charge du positionnement GNSS (Global Navigation Satellite System). Un accéléromètre mesure l’angle d’inclinaison par rapport au centre de la Terre, et un gyroscope mesure la vitesse de variation de l’angle. Ce produit offre le plus haut niveau de performance disponible au niveau des composants, avec des paramètres clés tels que la stabilité du biais gyroscopique et la densité de bruit.
CARACTERISTIQUES
• Composant 6-DOF en boîtier unique • Etalonnage sur axe transversal permettant une erreur d’orthogonalité supérieure à 0,14° • Instabilité de polarisation gyroscopique jusqu’à 1°/h • Densité de bruit gyroscopique 0,0015°/s/√Hz • Décalage et sensibilité stables dans l’ensemble de la plage de température • Excellentes performances de linéarité et de vibrations • Fonctions avancées d’autodiagnostic • Plage de mesures angulaires ±300°/s • Plage de mesure d’accélération ±6g • Température de fonctionnement −40°C ~ +110°C • Tension d’alimentation 3,0V ~ 3,6V • Dimensions avec boîtier SOIC robuste conforme à la RoHS : 19,71 mm (L) x 12,15 mm (W) x 4,6 mm (H), 32 broches • Adapté aux applications critiques pour la sécurité
APPLICATIONS
Le modèle SCHA63T est destiné aux applications à haut niveau de performance, avec des exigences environnementales drastiques.
Types d’applications :
• Unités de mesure inertielle (IMU) • Navigation et positionnement • Commande et guidage des machines • Inclinaison dynamique • Commande robotique et drones
TYPE DE PRODUIT Ω XYZ ACC XYZ
SCHA63T-K03 ±300 °/s ±6g
1000
1000 Variance d’Allan Moyenne canal gyro, X,Y,Z, température +23°C Gyro channel average X, Y, Z, temperature +23°C Allan deviation (°/h) Ecart-type d’Allan (°/h)
A Ecart-type d’Allan (°/h) l l a n d e v i a t i o n [°/h] 100
100
10
10
1
1
0.1 0.10.01 0.01 1
1 10
10 100
Tau [sec.]
100 Tau (sec.)
DIMENSIONS 19,71 x 12,15 x 4,6MM
+3 sigma +3 sigma average X, Y, Z moyenne X, Y, Z
1000 10000
1000 10000
CARACTERISTIQUES DE MESURES Ω XYZ ACC XYZ
Portée
Filtre Low Pass sélectionnable par l’utilisateur ±300°/s ±6g
13, 20, 46 or 300Hz 13, 20, 46 or 300Hz
Sensibilité (Typ) 80LSB/°/s 4905LSB/g Dépendance à l’offset de température (XY) ±0.65°/s (Z) ±0.85°/s ±7.3mg Densité de bruit (Typ. filtre 13 Hz) 0.0015 °/s/ √Hz 59.5mg/√Hz
30
3025 Sortie gyro avec vibrations Gyro output when vibration appliquées pendant la conduite applied during driving
2520 Z-Gyro, nouvelle génération Z-Gyro, new generation Z-Gyro, génération précédente
Z-Gyro, previous generation
20 15
G y r o o u t p u t ( p s) d Sortie gyro (dps) 15 10
510
5 0
0 -5
-5-10
-10-15 Ancienne gén : 40 ms x 8 dps > 0,32° erreur de cap Old gen: 40ms x 8dps> 0.32˚Nouvelle gén : aucune dérive heading error New gen: No drift
-15 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2
0.9 0.95 1 1.05 Temps (s) 1.1 1.15 1.2
NOURRIR LE MONDE GRÂCE A UNE AGRICULTURE INTELLIGENTE
Le monde agricole est aujourd’hui confronté à une série impressionnante de défis, avec une population mondiale qui devrait atteindre près de 10 milliards d’êtres humains d’ici à la moitié du XXIe siècle. L’agriculture doit lutter pour conserver des terres, alors que l’augmentation de la population se traduit par une urbanisation accrue et que la quête de sources d’énergie renouvelables verra des terres agricoles occupées par les infrastructures nécessaires aux énergies solaire et éolienne.
PRODUIRE PLUS AVEC MOINS
Les agriculteurs cherchent donc les moyens d’accroître la production alimentaire, avec pourtant moins de terres cultivables et moins de ressources. L’agriculture a toujours été un secteur d’activité innovant, et les agriculteurs ne sont jamais les derniers à adopter les technologies les plus récentes. La nécessité de produire plus pour une population en constante augmentation s’appuie notamment sur les derniers développements en termes de communications haut débit, qui offrent des solutions nouvelles aux agriculteurs.
LES DERNIERES TECHNOLOGIES
L’introduction des réseaux 5G offre un potentiel considérable à ce secteur d’activité. Les capacités de la 5G constituent en effet un puissant outil au service de l’agriculture. La 5G vient non seulement concurrencer la vitesse des alternatives câblées, mais elle est aussi en mesure de connecter des zones rurales qui n’avaient traditionnellement pas accès aux liaisons à haut débit.
L’EXPLOITATION INTELLIGENTE
Ces nouvelles capacités de communication ont permis la création d’une agriculture de précision – ou agriculture intelligente. Les communications 5G assurent une connectivité sur les grandes superficies couvertes par les exploitations agricoles intelligentes, permettant ainsi d’intégrer en un réseau unifié les espaces les plus éloignés. Ce réseau intègre les technologies les plus récentes en matière de capteurs, de calculateurs et de connectivité, et utilise les données pour permettre aux agriculteurs de maximiser leur rendement. Les données collectées sont utilisées pour décider de la stratégie à mettre en œuvre. L’étude des conditions du sol, ou la surveillance de la santé du cheptel, permettent à l’agriculteur de gérer au mieux l’utilisation des ressources pour assurer le meilleur niveau de productivité. Les nouvelles technologies sont donc vitales pour gérer ces informations. L’électronique moderne permet de réduire la taille des équipements, de réduire les coûts de production et d’optimiser la consommation électrique. Elle permet aussi de déployer des capteurs et des systèmes connectés dans les endroits les plus reculés.
UN ENVIRONNEMENT RUDE
Ces nouvelles technologies seront utilisées dans différentes applications, y compris avec les capteurs statiques et les machines lourdes les plus récentes. L’agriculture est une activité qui se déroule souvent dans un environnement difficile et les équipements doivent pouvoir résister aux conditions météorologiques extrêmes. Compte tenu des amplitudes thermiques, de l’humidité, et d’une exposition prolongée au rayonnement solaire, les équipements agricoles doivent être conçus avec le plus grand soin.
COMMUNICATIONS RF
Les communications par radiofréquences se trouvent au cœur même d’un grand nombre de ces innovations. A l’ère des technologies numériques, il est facile d’oublier que les systèmes sans fil dépendent encore des émetteurs et récepteurs à radiofréquence pour communiquer. Les équipements les plus récents étant capables de délivrer des données avec des débits et des volumes proprement stupéfiants, les concepteurs doivent pouvoir disposer de connecteurs RF à haute performance.
L’AVANTAGE MOLEX
Molex bénéficie de nombreuses décennies d’expérience dans l’élaboration de solutions complètes pour les applications RF. Embrassant la technologie 5G la plus récente, et conçus pour offrir un haut niveau d’intégration du signal, les câbles et les connecteurs Molex sont disponibles pour des fréquences allant jusqu’à 65 GHz, même dans les conditions difficiles que l’on rencontre dans le secteur agricole. En partenariat avec l’approche globale d’Avnet, Molex est un leader de l’innovation au sein de l’agriculture intelligente, fournissant des solutions de connectivité aux agriculteurs d’aujourd’hui et de demain. Plus d’informations sur avnet-abacus.eu/molex
