Bionic Cobot : il ne manque pas d’air

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 machines, 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.