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Pilotez vos lignes avec un joystick

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La production à distance fait ses premiers pas ! Que ce soit dans le nucléaire, les industries pharmaceutiques ou les nanotechnologies, les interfaces qui permettent de contrôler des chaînes de fabrication sans y être physiquement présents se développent. Demain, ces techniques pourraient s'imposer dans toutes les usines pour limiter la pénibilité du travail et les risques courus par les opérateurs.

Les avatars n'ont pas encore fait leurs premiers pas pour remplacer les opérateurs sur les lignes de production mais on s'en rapproche ! Pour protéger les hommes des atmosphères hostiles, leur éviter de contaminer des environnements contrôlés, leur donner la possibilité de manipuler des charges très lourdes ou d'opérer avec une précision de l'ordre du nanomètre, la téléopération est en train de se mettre en place sur certains sites de production.

Cette technique, qui permet de piloter à distance un robot, appelé robot esclave, grâce à une interface plus ou moins sophistiquée (le robot maître), s'est affinée ces dernières années. Notamment sous l'action des équipes du laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (List) du CEA. L'intégration d'un ordinateur entre l'opérateur distant et le robot a donné naissance à la téléopération assistée par ordinateur (TAO). Cette avancée a éloigné l'utilisateur du robot esclave et a permis à l'opérateur de suivre le résultat de ses actions à travers une vitre ou via un écran transmettant en direct les images filmées par les caméras embarquées sur la machine ou présentes dans son environnement. Le nucléaire, le spatial, la défense et la médecine ont été les premiers secteurs à s'emparer de cette technologie. Le 7 septembre 2001, une patiente installée dans les locaux de l'hôpital universitaire de Strasbourg (Bas-Rhin) a ainsi été opérée par le professeur Jacques Marescaux qui se trouvait à New York (États-Unis).

La sensation du toucher pour mieux ajuster la manipulation

Ce couplage maître-esclave assisté par ordinateur a aussi ouvert la voie à l'utilisation des retours d'effort. Les outils de télémanipulation, des sortes de joysticks sophistiqués, sont désormais capables de renvoyer, grâce à la présence de capteurs tactiles ou d'accéléromètres, les forces subies par l'effecteur. L'interface utilisée par l'opérateur est alors dite haptique (liée au sens du toucher). Le logiciel de commande du système transmet les mouvements de l'opérateur à l'actionneur et traduit tout écart entre la position de la poignée et celle de l'outil du robot esclave par une force. Encore plus fin, le robot répond à une commande hybride, c'est-à-dire que ses degrés de liberté sont limités. Son système de vision doit par exemple se caler sur une image préenregistrée pour assurer son placement. C'est seulement ensuite que l'homme prend la main.

Les interfaces haptiques existent sous plusieurs formes. Elles peuvent avoir une structure mécanique et ressembler au robot manipulateur ou n'être qu'un bras en liaison rotule avec un socle. Le système retransmet alors seulement le poids de l'outil et la force avec laquelle il est contraint contre son environnement. Cette force est diminuée d'un facteur défini lors de la programmation pour la rendre acceptable pour l'opérateur. Une gâchette sur cette poignée permet d'ajouter la fonction de préhension ou de découpe par pince hydraulique par exemple. Lorsque la pince va sectionner un tuyau la force de la pince est retransmise à la gâchette. Un autre type d'installation place la poignée au croisement de huit câbles. Comme une marionnette, celle-ci, tirée par les différents câbles, transmet les forces subies par l'outil.

Ces interfaces se retrouvent à l'heure actuelle surtout dans les simulations d'outils de production, en amont de la fabrication. L'opérateur est placé devant son futur poste de travail via un écran et l'interface haptique lui renvoie les forces subies par le produit sur lequel il travaille virtuellement. Cependant les applications industrielles devraient suivre et équiper les postes nécessitant des interactions complexes dans des milieux hostiles, inaccessibles ou à protéger de toute contamination.

Areva et le CEA ont ainsi travaillé main dans la main pour créer des robots télémanipulés à retour d'effort pour la maintenance et le démantèlement des installations dans les centrales nucléaires. « Il est nécessaire de sentir les forces qui s'appliquent au disque pour ne pas le casser lors de la découpe d'un tuyau contaminé ou d'une barre d'uranium », explique Jérôme Perret, directeur général et fondateur de la société Haption, seul fournisseur français de solutions haptiques. La sidérurgie utilise également ces technologies. Par exemple, des robots équipés de meules en pierre pouvant peser jusqu'à 30 kg sont guidés par interface haptique afin de retirer la gangue autour des pièces en sortie de moule. En paramétrant la transmission des efforts du bras esclave au bras maître, le poids déplacé est divisé d'autant que nécessaire pour que l'opérateur puisse manier aisément la meule tout en ressentant les contacts avec la matière et l'inertie de l'outil.

L'interface doit garantir la précision d'un déplacement

À l'inverse, dans l'industrie pharmaceutique, à l'échelle de la cellule ou de la protéine, et dans les domaines des micro et nanotechnologies, les interfaces haptiques multiplient les forces impliquées. Devant un écran retransmettant les images acquises par un microscope à effet tunnel ou à force atomique, l'opérateur dirige un microactionneur. La programmation de l'interface lui permet de ressentir les contacts entre cet actionneur et les particules sur lesquelles il travaille. Elle lui donne aussi la précision nécessaire en définissant par exemple qu'un mouvement d'un centimètre du bras maître n'entraîne qu'un déplacement d'un micromètre du bras esclave. Ces solutions devraient avoir un certain succès avec l'essor des nanotechnologies. « On ne sait pas faire des robots pour la production en série à ces échelles. L'intelligence humaine est donc mise à contribution », explique Abderrahmane Kheddar, le directeur du CNRS-AIST, un laboratoire de robotique franco-japonais situé à Tsukuba. En 2008, son équipe a fait la démonstration de la télémanipulation avec retour d'effort d'un robot humanoïde situé au Japon depuis Munich via Internet. Avec des retours d'effort quasi instantanés d'un bout à l'autre de la planète. Le temps de réaction n'était que de 250 millisecondes.

Le retour d'effort pour tous dans dix ans

« Pour l'instant le marché industriel des interfaces à retour d'effort ne représente que quelques millions d'euros par an. Mais nous sommes persuadés qu'il y a de la place pour dix fois plus. Les industries chimiques et pharmaceutiques doivent protéger les opérateurs des produits dangereux. En microélectronique, ce sont les produits manipulés en salles propres qu'il faut isoler des opérateurs. La peinture dans l'industrie automobile est faite par des robots, mais quand il y a un problème, c'est encore un opérateur qui reprend la main. Les interfaces haptiques vont arriver petit à petit. Comme la 3D existe depuis vingt ans en recherche, depuis dix ans en industrie et touche aujourd'hui le grand public avec le film Avatar, les interfaces haptiques passent désormais de la recherche à l'industrie et seront chez monsieur tout le monde dans dix ans. »

Une plate-forme technologique dirigée via le Web

cLa plate-forme partagée d'usinage 5 axes grande vitesse du Cetim, à Saint-Etienne (Loire), permet le pilotage à distance aux cinq entreprises qu'elle accueille depuis 2008. Depuis son bureau, son domicile ou l'autre bout du monde, le chef d'entreprise peut voir ce qu'il se passe à l'extérieur et dans les machines d'usinage via une interface Internet. Il est aussi possible de zoomer, de déplacer les caméras et d'accéder aux informations qu'un opérateur présent verrait sur la commande numérique (état des outils, pièce en cours). Le système permet enfin, à ceux munis des bons identifiants et des mots de passe, d'arrêter la production, de changer un outil ou de lancer une production (qui doit déjà avoir été validée).

PIONNIER

Cinq sociétés dans le monde fabriquent aujourd'hui des interfaces haptiques.

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