Le préhenseur, transposition industrielle de la main

Impossible de mettre en fonction un robot industriel, s’il n’est pas équipé d’un dispositif de préhension lui permettant de manipuler des objets. Il existe différentes technologies de préhenseurs qui vont de la pince aux manipulateurs magnétiques avec une tendance forte en ligne de mire : la flexibilité.


Depuis la nuit des temps, la main est pour l’humain à la fois le plus efficace, le plus fiable et le plus précis des outils dont il dispose. Elle lui donne l’habileté qui lui a permis de créer et d’exploiter tous les objets usuels dont il a su s’entourer et ce, quel que soit le niveau de développement de la société dans laquelle il se réalise.

Il calque aujourd’hui les capacités dont la nature l’a doté au niveau des machines qu’il développe. Il faut par exemple, que les systèmes automatisés et les robots disposent de fonctions logiques entrantes et sortantes mais aussi, d’une certaine puissance de calcul leur permettant de réaliser des branchements déductifs avant que demain, de réels systèmes reposant sur l’intelligence artificielle leur permettent de réagir à des situations inhabituelles. Un premier pas marquant semble avoir été franchi cette année avec la mise au point d’un programme informatique capable de rivaliser avec l’intelligence humaine dans le jeu de stratégie le plus complexe jamais imaginé : le Go. Mais la logique ne peut pas tout. Il faut pour interagir avec l’environnement être en mesure de manipuler des objets. C’est précisément ce que l’on attend au niveau le plus élémentaire d’un robot industriel. Sans rabaisser les exploits réalisés par les ingénieurs en matière de robotique collaborative, il faut bien qu’à l’extrémité d’un bras robotisé, on trouve une pince permettant répétitivement de saisir des objets pour les déplacer, les positionner, les assembler, les trier, les rejeter, etc.

Qu’il soit de type cartésien, hexapode, poly-articulé à un, voire deux bras ou Scara, le préhenseur remplit le rôle d’interface mécanique ou même, mécatronique entre le robot et l’objet qu’il est en chargé de manipuler. Chaque préhenseur doit être adapté à l’application en garantissant la fiabilité de la prise et celle du maintien jusqu’à la dépose de l’objet. En ce sens, le préhenseur a un impact direct sur la performance de la cellule robotisée qui l’utilise.

Dans un grand nombre d’opérations de manutention, le préhenseur est spécifiquement adapté à la fois à l’application et au produit. Il est cependant possible d’introduire un certain niveau de flexibilité à une telle unité de production, en équipant l’extrémité du bras robotisé d’un équipement permettant de changer l’outil ou le préhenseur automatiquement. Il existe à cette fin, différentes approches mais toutes complexifient la cinématique de la production. Il faut aussi intégrer la durée du changement et éventuellement, l’étalonnage du préhenseur dans le temps de cycle global. L’immobilisation de plusieurs outils et préhenseurs inutilisés pendant parfois de longue période, pèse de plus sur le coût de la solution.

Différentes techniques de préhension sont actuellement disponibles pour s’adapter aux besoins et aux produits. Ainsi, le préhenseur s’accommode de la variabilité géométrique du produit à condition qu’il présente des similarités au niveau de ses caractéristiques physiques comme sa dureté, sa rugosité, etc.

Les différentes technologies de préhenseurs

Les préhenseurs pneumatiques sont extrêmement utilisés pour accomplir des mouvements linéaires ou rotatifs. Ils sont alimentés par de l’air comprimé, une énergie réputée coûteuse en raison des pertes importantes qui découlent de sa production mais aussi de son transport et ce, même en présence de fuites micrométriques. Un réseau de distribution d’air comprimé nécessite donc une surveillance périodique rapprochée et des opérations de maintenance qu’il faut intégrer dans le coût global de la solution. Le préhenseur pneumatique est souvent une simple pince à deux positions : elle sera ouverte ou fermée. L’ajustement de la force de serrage s’effectue en contrôlant la pression d’air comprimé. De tels préhenseurs reposent sur une conception simple qui garantit un long cycle de vie. Ils sont aussi faciles à mettre en oeuvre et d’un prix d’achat relativement faible puisque fabriqués en grande série. Leurs caractéristiques de montage peuvent être communes à plusieurs famille de produits chez un même constructeur. Parmi les inconvénients fréquemment relevés à leur encontre, on peut mentionner l’encombrement et la nécessité d’immobiliser les pièces afin qu’elles puissent être saisies par le préhenseur avec précision.

Pour sa part, un préhenseur électrique est actionné par un, voire plusieurs moteurs électriques… d’où son appellation. Comme les préhenseurs pneumatiques leur utilisation principale réside dans l’accomplissement de déplacements linéaires ou rotatifs mais avec la capacité d’adapter facilement par programmation, l’amplitude de la fermeture et de l’ouverture de la pince. De tels préhenseurs ont en revanche une force de serrage limitée mais ils peuvent facilement être équipés d’un capteur qui va permettre d’ajuster la force et la vitesse de serrage. Ils sont donc largement utilisés dans les applications qui requièrent une certaine précision. Notons encore qu’il est à la fois aisé de distribuer l’énergie électrique et d’en maîtriser les pertes.

On peut remarquer une tendance forte qui est apparue depuis plusieurs mois chez certains grands concepteurs de préhenseurs tels que Schunk. Certaines pinces de forme et de puissance équivalentes peuvent être proposées soit en version électrique, soit en version pneumatique avec des caractéristiques de montage absolument similaires, ce qui rend ces pinces totalement interchangeables. Notons encore que certains fournisseurs tels que Destaco, proposent des préhenseurs à trois doigts couvrant un plus large éventail d’applications.

Et aussi l’aspiration…

D’autres types de préhenseurs sont plus largement répandus dans certaines applications ou dans certains secteurs. C’est le cas des préhenseurs par aspiration que l’on rencontre dans la manutention d’emballage et la palettisation. Ils s’appuient sur un vide d’air créé au moyen de l’effet Venturi pour aspirer des bacs, des plateaux, des cartons, voire des barquettes de produits frais dans l’industrie agro-alimentaire. Un préhenseur à aspiration est composé de blocs comportant une ou plusieurs ventouses. Ces dernières sont conçues avec des matériaux qui ne laisseront aucune marque sur les objets déplacés. La forme et la puissance de la dépression qui donnent à la ventouse son efficacité, doivent être parfaitement adaptées aux produits manipulés.

Globalement, il s’agit de préhenseurs de conception relativement simple donc peu coûteux, et qui s’adaptent à la forme, à la taille et à la matière des produits. Il est possible de réaliser un préhenseur par aspiration de grande taille capable de déplacer plusieurs objets similaires en une seule opération pour par exemple, compléter plus rapidement le remplissage d’une palette en y posant des cartons par groupes. En revanche, de tels préhenseurs sont inadaptés à la manipulation de produits présentant des surfaces grillagées, ouvragées ou perforées.

D’autres préhenseurs exploitent un flux d’air comprimé capable de générer une dépression au niveau d’une ventouse. Un tel préhenseur est d’une conception simple et donc peu coûteux. Il est de surcroît capable de s’adapter à un grand nombre d’états de surface en modulant la pression d’air comprimé le plus généralement entre 1 et 7 bars. Il est possible de saisir ainsi des surfaces faiblement poreuses ou irrégulières mais aussi des matières fragiles. Bien sûr, la force de levage réelle peut dépendre des états de surface et de la matière de la pièce à transporter mais il est presque impossible d’obtenir une mesure de la qualité de la prise réalisée. En détournant le principe précédent, Festo a créé une variante que l’on peut qualifier de préhenseur à ventouse déformable. Les ingénieurs de cette entreprise se sont à cette fin, inspirés de la manière dont la langue d’un caméléon saisit une proie (voir Jautomatise n°105). Il existe différents type de préhenseurs déformables utilisant de l’air comprimé ou du vide pour gonfler une poche en élastomère ou pour compresser des matériaux granulaires autour de l’objet à manipuler. Ces préhenseurs présentent l’avantage d’une grande flexibilité qui leur permet de passer d’un objet à un autre quelles que soient leurs formes et leurs tailles pour peu que les poids soient eux comparables. Ils ne peuvent en revanche être utilisés que pour déplacer des objets légers et les différences éventuelles de taille et de forme rendent la dépose dans la zone de réception, relativement imprécise.

La préhension magnétique

On identifie au moins deux types de préhenseurs magnétiques. D’une part, il y a ceux qui sont constitués d’aimants permanents associés à un dispositif assurant la séparation mécanique de la pièce manipulée. De l’autre, on trouve des préhenseurs électromagnétiques alimentés par une source d’énergie électrique. C’est la coupure de cette alimentation qui provoque la libération de l’objet.

Ces types de préhenseurs ne peuvent évidemment manipuler que des objets contenant des métaux ferreux. Ils requièrent que la surface de contact soit propre et surtout, qu’elle soit exempte de graisse. Le champ magnétique diffusant dans un volume important, il y a le risque de voir des poussières ferreuses voire des copeaux polluer la surface de contact du préhenseur ou même, adhérer à la pièce transportée. Une telle situation rendra les déplacements rapides relativement périlleux voire dangereux pour les équipements qui pourraient se trouver dans la trajectoire au cas où la pièce se détacherait du préhenseur.

Un choix qui pour l’essentiel, tient du bon sens

S’agissant d’une manipulation qui s’effectue à partir d’un robot qu’il soit ou non collaboratif, cela nécessite de tenir compte de quelques éléments globaux.

Evidemment, la taille des pièces à manipuler permet de dimensionner celle de la pince qui sera utilisée. Mais elle conditionne aussi la taille de la zone qu’i faut libérer autour de la pièce ainsi que le couple de serrage appliqué par le préhenseur. La forme de la pièce ajoute des contraintes supplémentaires à l’adaptabilité du préhenseur qui peut avoir à s’accommoder de courbes et d’angles mais aussi d’un centre de gravité plus ou moins déporté. Lors du calcul de la force de serrage, il faut tenir compte des obligations de maintien lors des accélérations opérationnelles mais aussi de ce que seront les nécessités lors d’un arrêt d’urgence.

Un autre élément très important qui ne doit en aucun cas être négligé est le poids transporté. Dans le choix d’un robot, il faut évidemment sélectionner une capacité de charge adapté qui tiendra compte à la fois du poids de la pièce la plus lourde susceptible d’être manipulée mais aussi – et c’est une évidence parfois négligée – du poids du préhenseur choisi.