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Le bel avenir des robots Delta

Mirel Scherer

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- Le robot Delta a 20 ans. Son potentiel reste immense comme le prouvent les nombreux projets de recherche présentés à l'occasion de cet anniversaire.

L'étonnante histoire du robot Delta débute à l'automne 1984, quand une fabrique de chocolats suisse ouvre ses portes au public. Parmi les visiteurs se trouve un jeune assistant de l'Institut de microtechnique devenu depuis le Laboratoire de systèmes robotiques (LSRO) de l'École polytechnique fédérale de Lausanne. « J'ai été impressionné par le travail des ouvrières qui, tout au long de la journée, plaçaient méthodiquement des pralines dans les boîtes », se rappelle le professeur Raymond Clavel, aujourd'hui directeur du LSRO. L'idée d'un dispositif automatique, capable d'alléger ce travail monotone et astreignant, germe dans l'esprit de ce visionnaire et, un an plus tard, en août 1985, le concept du robot Delta est fin prêt. Le brevet est déposé dans la foulée et le premier prototype voit le jour en avril 1986. En juillet 1988, le premier robot Delta est vendu et plusieurs entreprises prennent des licences.

Huit nouveaux concepts de machines parallèles

Aujourd'hui, 4 000 robots environ de ce type font leurs preuves dans les pays où il est protégé par un brevet. « Il faut savoir que huit brevets et cinq start-up sont directement issus des activités dans le domaine de la robotique parallèle effectuées par notre laboratoire », précise le père de ce robot pas comme les autres. Qui s'empresse de relever aussi son intérêt économique pour l'industrie : « Ce robot génère un marché annuel de 85 millions de francs suisses. »

L'avenir du robot Delta reste plein de promesses comme le prouvent les huit nouveaux concepts de machines parallèles développés par le LSRO et qui ont été, à une exception près, transférées dans l'industrie (voir pages suivantes). « Je pense que, dans le domaine de l'usinage, les structures hybrides, comme la machine-outil industrialisée par Willemin-Macodel, présentent un potentiel indéniable », assure Raymond Clavel.

UN POIDS PLUME TRÈS AGILE

- Robot parallèle à 3 degrés de liberté, le Delta assure le transfert d'objets en maintenant leur orientation constante. Comment ? Grâce à la disposition de différents bras et articulations. - Le robot existe en quatre versions de base qui se différencient par leur motorisation (linéaire ou rotative) et la composition des avant-bras (barre sur deux cardans ou d'une double barre sur quatre rotules). Un quatrième degré de liberté est souvent ajouté pour assurer le pivotement de la pince.

POUR L'ÉLECTROÉROSION

Usinage de pièces pour les nanosystèmes Micromachine d'électroérosion par enfonçage Delta3

Caractéristiques - Précision : supérieure à 0,1 µm, soit 500 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu - Bonne stabilité thermique - Vibrations réduites - Course : 8 mm

Objectif > Développer une machine pour le micro-usinage dont les coûts d'investissement et d'exploitation sont réduits.

Applications - Usinage des moules pour l'industrie horlogère - Fabrication des connecteurs pour fibres optiques - Opération de perçage des injecteurs pour les moteurs Diesel - Instrumentation biomédicale Perspectives - Développée dans le cadre d'un projet dirigé par le LSRO, cette micromachine, basée sur la cinématique Delta, est commercialisée par Agie qui l'exposait pour la première fois à l'EMO 2005 à Hanovre.

POUR LA MÉTROLOGIE

Mesure des micromécanismes Le palpeur NanoProbe

Caractéristiques - Sa cinématique parallèle est à 3 axes libres et 3 axes de rotation bloqués. - La mesure (précision +/- 10 nm) est réalisée avec des billes de contact d'un diamètre égal ou inférieur à 0,1 mm. - Le palpeur est usiné dans un bloc d'alliage d'aluminium à haute résistance. - Il est fixe et c'est la pièce qui se déplace.

Objectif > Réaliser un système dont la force de contact est faible et le fonctionnement sans jeu et sans frottement.

Applications - Mesure des micromécanismes utilisés dans l'industrie électronique, otique, etc. Perspectives - Conçu par Mecartex (une start-up de LSRO) en partenariat avec l'Office fédéral de métrologie (Metas), ce palpeur nanométrique est en cours d'industrialisation.

POUR LA TÉLÉMANIPULATION

Interface haptique de grande sensibilité Omega Haptic Device est un pointeur tridimensionnel

Caractéristiques - Cinématique très légère - Grande sensibilité

Objectif > Permettre à l'opérateur d'interagir tactilement, de façon très fine, avec un "monde" différent en dimension et en éloignement (exemples : déplacer des nanotubes avec un microscope à force atomique, piloter un véhicule sur Mars...).

Applications - Chirurgie cardiaque - Psychomotricité - Simulation - Jeu vidéo Perspectives - Force Dimension (start-up de LSRO) commercialise trois produits, tous basés sur la structure Delta. Un système chirurgical a été développé pour la télé-opération d'un cathéter intracardiaque. Le système permet au chirurgien de contrôler, de manière précise et répétitive, la position du cathéter à l'intérieur du coeur en ressentant des informations tactiles de guidage. - Force Dimension développe aussi, en partenariat avec la société américaine Novint, un système à retour de force pour les applications grand public, qui sera commercialisé en 2006.

POUR LA FABRICATION

Robot pour mini-usine Robot prototype développé par le Centre suisse d'électronique et de microtechnique en collaboration avec le LSRO et d'autres écoles suisses

Caractéristiques - Système à 3 degrés de liberté - Dimensions : 130 x 130 x 160 mm - Espace de travail : 60 x 60 x 40 mm - Charge transportable : 10 g - Précision de répétitivité : 0,005 mm - Fréquence du cycle pick and place : environ 2,5 Hz

Objectif > Mettre au point un système adapté au poids et à la taille de charges à déplacer.

Applications - La mise au point de mini-usines pour l'assemblage de microcomposants dans l'électronique, l'optique, l'horlogerie, etc. Perspectives - Le prototype développé est rapide et précis et a démontré ces capacités dans des opérations d'assemblage de montres réalisées avec l'assistance d'un système de vision. - La mise en ligne de plusieurs robots de ce type permet d'aborder de nouveaux concepts de systèmes pour la production de petites pièces.

POUR LA MACHINE-OUTIL

Usinage précis et rapide des petites pièces Prototype à cinématique parallèle à 5 axes Hita-PDR (poursuite de rigidité) conçue par le LSRO avec Willemin-Macodel

Caractéristiques - Encombrement : 1 000 x 1 700 x 2 300 mm - Volume de travail : 240 x 100 x 57 mm - Courses angulaires : 360° autour de l'axe A, 120° autour de l'axe B - Vitesse d'avance : 120 m/min - Accélération : 50 m/s2 - Masse en mouvement : 30 kg (poids de la broche compris) - Rigidité mesurée : 1,2 x 107 N/m (constante dans l'ensemble du volume de travail) - Fréquence propre mesurée : 120 Hz

Objectif > Combiner la structure classique avec la cinématique parallèle pour obtenir une machine très rigide, avec des grands angles d'inclinaison et des accélérations d'axe importantes.

Applications - Usinage (fraisage et tournage) et finition (polissage et ébavurage) des pièces de petite taille et de grande valeur ajoutée Perspectives - Les performances de cette machine, confirmées par deux prototypes industriels, sont cinq fois plus élevées que celles des machines similaires existantes sur le marché. - L'équipement, en cours d'étalonnage chez un utilisateur, devra être commercialisé dans moins d'un an.

POUR L'AUTOMATISATION

Robot de précision extrême Développé dans le cadre du projet TOP Nano, lancé par la Confédération suisse, le robot parallèle Sigma 6 dispose de 6 degrés de liberté

Caractéristiques - Géométrie orthogonale - Moteurs à entraînement direct - Articulations élastiques

Objectif > Assurer des mouvements de très haute répétitivité (retrouver une position avec une erreur inférieure à 5 nm).

Applications - Sa structure compacte et la position de sa plate-forme mobile facilitent son intégration dans une installation complexe formée de plusieurs robots interagissant les uns avec les autres. Perspectives - Des tests d'alignement de fibres optiques ont confirmé les performances dynamiques de cette machine en cours d'industrialisation.

POUR L'ÉLECTRONIQUE

Manipulateur pour microscopie électronique Le dispositif Z-tilt-5 est un robot à 5 degrés de liberté

Caractéristiques - Système à cinématique hybride - Vitesse maximale : 5 mm/s - Course : 8 mm (X,Y), 20 mm (Z) - Résolution sur les trois axes : 50 nm

Objectif >Mettre au point un système capable de réaliser de nombreux tests sur une multitude d'échantillons sans devoir ouvrir la chambre SEM.

Applications - Expérimentations dans une chambre SEM (scanning electron microscopy ou microscope à balayage électronique). Perspectives - Le robot est d'ores et déjà utilisé par la société Empa, de Thoune (Suisse), pour des tests mécaniques. Il fait partie d'une famille d'instruments développés par le LSRO et qui sont utilisés pour le micro-assemblage.

POUR LE MÉDICAL

Dispositif de rééducation à la marche active Le robot WalkTrainer a été développé dans le cadre des projets relatifs aux cyberthèses (orthèses associées à l'électrostimulation neuromusculaire fonctionnelle contrôlée)

Caractéristiques - Système autonome (énergie) - Utilisable en clinique et à domicile - Ajustements manuels aux caractéristiques morphologiques - Fixation de corsets personnalisés pour le maintien du tronc - Soutien du poids corporel par un harnais

Objectif > Réaliser un système robotisé qui remplace le tapis roulant classique et qui reproduit mieux la cinématique et la dynamique physiologique du déplacement des membres inférieurs.

Applications - Faire déambuler une personne dans le but de la rééduquer à la marche - Mesurer les informations physiologiques de la marche pour le diagnostic et le suivi médical Perspectives - Un premier prototype d'assistance à la marche pour paraplégiques et hémiplégiques a été mis au point par le LSRO avec la Fondation suisse pour les cyberthèses et la société Swortec.

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