Comment mener un projet de robotisation ?
Les 3 temps d’un projet de robotisation :

1. Premier temps, l’avant projet :
De la définition du besoin... à la rentabilité du projet !

▪ Aspect technique d'un projet de robotisation
Le choix de l’opération à robotiser doit se faire de manière judicieuse et prendre en compte les améliorations dans le procédé de fabrication. Pour cela, il convient de déterminer différents objectifs :
- qualité,
- taux de disponibilité et d’engagement des machines,
- coût,
- volume de production, etc.
Il convient de choisir un poste simple à robotiser et rapidement rentable pour établir un cahier des charges préliminaires contenant les éléments nécessaires à la détermination de la meilleure solution :
- application ou procédé à réaliser,
- volume de production,
- caractéristiques (poids, dimension, matière, aspect, etc.),
- nombre de pièces à traiter,
- gamme opératoire,
- opérations périphériques (amont et aval),
- machines impliquées dans le procédé,
- environnement dans lequel le robot doit évoluer (température, humidité, etc.).
D’autre part, il est essentiel de passer par une phase de recherche et de validation des solutions, tant d’un point de vue technique qu’économique, en déterminant précisément les équipements nécessaires au bon fonctionnement de l’installation. Selon la complexité de l’application, des études CAO peuvent être menées pour :
- valider le choix du robot,
- son implantation,
- les temps de cycles, etc.
Autre moyen : les essais de faisabilité peuvent être réalisés en grandeur réelle dans un atelier. Ces essais permettent de tester et valider si l’opération est "robotisable", dans les conditions demandées.

▪ Aspect économique, logistique, financier... d'un projet de robotisation
Un calcul de rentabilité doit également être opéré. Ici, les facteurs à prendre en compte sont :
- le coût de la main d’œuvre directe,
- l’augmentation du volume et des rendements de production (qualité, rebus, consommables, etc.),
- la diminution des stocks, grâce à la flexibilité accrue de l’installation.
De même, il importe de prendre en compte la valeur résiduelle du robot qui peut être reconverti dans une autre application…
Dans les coûts, il faudra prendre en compte :
- la consommation d’énergie (faible),
- la maintenance,
- l’amortissement.
Il convient de déterminer ces différents paramètres et de penser qu’un gain réalisé à l’achat d’un robot peut se révéler dérisoire au regard des risques encourus en cas de mauvais choix technique (retards, perte de production, panne, etc.). Aussi, le choix du "bon fournisseur" est pour l’investisseur une garantie de réussite. Un élément rapidement mesurable dès les premiers contacts avec les fournisseurs potentiels.

2. Second temps, le projet :

Pour réussir, un projet de robotisation ne peut se passer d’un chef. D’autant qu’un projet robotique fait intervenir un grand nombre de fournisseurs. Homme orchestre, le chef de projet se doit d’être le coordinateur de l’ensemble des intervenants, en assurant le suivi général et en étant le garant des performances globales (planning, coûts, etc.). La plupart du temps, c’est une société spécialisée dans l’intégration de robots qui mène à bien cette fonction.

La prise en compte de l’aspect humain est importante. Il faut préparer le personnel pour maintenir un climat de confiance ; le robot n’étant pas un concurrent des salariés. L’intégration de la robotique dans l’entreprise doit permettre à chacun de mesurer les avantages qu’elle induit, et de mieux mesurer les ambitions de l’entreprise… Autant d’éléments qui apportent aux salariés une motivation supplémentaire. Enfin, indispensable à la réussite du projet et du démarrage de l’installation, la formation est un préalable incontournable à l’utilisation efficace du matériel… comme à son évolution future. Aussi, avant son arrivée, il convient de former le personnel à la conduite de l’installation, tout comme il faut former le personnel de maintenance du robot. Des éléments importants, à voir avec le fournisseur.

3. Troisième temps, le bilan d'un projet de robotisation :


Après quelques mois d’exploitation, il ne reste plus qu’à tirer le bilan du projet de robotisation. Un bilan qui doit prendre en compte autant les aspects techniques, économiques qu’humains. Cela pour prendre conscience de la réelle efficacité de l’opération menée et de l’atteinte des objectifs définis au préalable.

Astuce : l’industriel ne doit pas rester seul pour faire naître son projet de robotisation. Conscient des enjeux économiques qu’il recouvre, ce n’est qu’au travers des expériences des constructeurs, intégrateurs, roboticiens qu’il pourra juger :
- du bien-fondé de sa démarche,
- choisir la solution la plus adaptée,
- diminuer les coûts de son investissement,
- rationnaliser les fonctionnalités,
- simplifier les automatismes,
- assurer la mise en œuvre.


Robotique : l’Union Européenne double la mise !

L’Union Européenne a annoncé, en juin 2008, un doublement de ses investissements, soit près de 400 millions d’euros, dans le domaine de la robotique industrielle. La volonté est donc clairement affichée de maintenir dans les régions européennes les industries de transformation grâce à l’automatisation.

Pour la période 2007-2010, l’Union Européenne (U.E.) vient d’annoncer un doublement de ses investissements, à hauteur de 400 millions d’euros.

Multiplier les liens entreprises / chercheurs !
Cette somme doit soutenir la recherche dans le domaine de la robotique. Le programme définit par l’U.E. vise à resserrer les liens entre les universités et les entreprises et à financer des expérimentations multiples par les chercheurs universitaires et les entreprises.

L’objectif ?
L’Europe est une région à salaires élevés. Ce fait explique les délocalisations. Face à cela, selon Viviane Reding, commissaire européenne en charge de la société de l'information et des médias, déclare : "Les industries de transformation ne se maintiendront dans les régions à salaires élevés, telles que l'Europe, qu'à condition de recourir à l'automatisation " et de poursuivre "le secteur européen de l'automatisation a clairement la possibilité, en particulier en matière de robotique, de maintenir sa primauté(1), de se développer et de progresser dans la chaîne de valeur".



Les robots de demain...
Les progrès réalisés dans le domaine des micro-technologies, la production de masse de microsystèmes, la compatibilité de ces systèmes et la baisse des coûts permettant l’intégration de capteurs et, de là, l’avènement de robots intelligents ! La reconnaissance de l’environnement offre, en effet, aux robots la possibilité de répondre aux changements d’environnement sans l’aide d’un opérateur… C’est déjà le cas pour le chargement/déchargement de machines-outils ou la prise de pièces à la volée sur un convoyeur.
Ces mêmes capteurs autoriseront au robot d’accéder à la fonction d’apprentissage… et changeront la structure même du robot ! Muni de capteurs terminaux adaptés, il ne sera plus indispensable d’utiliser des structures et des articulations de haute précision, le sacrifice de la précision mécanique étant compensé, ici, par la capacité qu’aura le robot de se positionner seul, de façon précise, sans avoir recours à une plateforme de référence… Ce sont ces mêmes capteurs qui autoriseront le travail des robots dans le cadre d’un haut niveau de sécurité, avec pourquoi pas, comme objectif ultime l’élimination des zones de sécurité.




Conception d’une "cellule robotisée"
Une cellule robotisée est constituée non seulement par le(s) robot(s) le(s) plus approprié(s) :
- nombre de degrés de liberté,
- cinématique,
- performances,
mais aussi par l’optimisation de son implantation dans la cellule : trajectoires et postures dans le but de minimiser le temps du cycle global des opérations.
La conception de la cellule robotisée permet de réduire les contraintes dynamiques sur les mouvements et les contraintes sur le rayon de courbure des câbles d’alimentation, de la pince ou de l’outil fixé sur le poignet du robot. Elle doit aussi tenir compte des équipements périphériques choisis. Pour cela, des logiciels de CAO robotique permettent aujourd’hui, en phase de conception, d’étudier l’optimisation complète d’une cellule robotisée et de calculer les temps de cycles des opérations à réaliser. En phase d’exploitation, ces logiciels permettent de réaliser et de tester, avant un changement de série, par programmation hors ligne, les nouvelles trajectoires sur la série suivante. Ce qui offre l’avantage de réduire le temps d’arrêt de production entre chaque nouvelle série… et augmente la réactivité et la productivité en production.


LA ROBOTIQUE INDUSTRIELLE, EN QUELQUES CHIFFRES...

4 milliards d’euros : c’est ce que représente le marché mondial des robots industriels selon la Fédération Internationale de la Robotique (IFR). Ce dernier prévoit une augmentation de 4,2 % / an jusqu'en 2010.

(1) 1/3 des robots made in E.U. (European Union) : selon l’IFR, près d'un tiers des robots industriels mondiaux sont construits en Europe.

Effectifs des robots industriels opérationnels : la France à la traine !
▪ France : 33.000
▪ Italie : 65.000
▪ Allemagne : 145.000
En Europe, le taux de progression annuel moyen du parc robotique est de 6%, seule la France stagne ! Selon M. Hervé Novelli, Secrétaire d’Etat, chargé du commerce, de l’artisanat, des Petites et moyennes entreprises, du tourisme et des services, "l’écart avec nos voisins s’amplifie chaque année. Lorsque nous équipons nos ateliers de 4.000 robots par an, les industriels italiens et allemands en intègrent respectivement 6.500 et 16.000".
(source SYMOP)

Les PME-PMI françaises sous équipées !
Taille salariale Taux d’équipement robotique
< 50 5%
De 50 à 299 12%
De 300 à 999 17 %
1000 et + 66%
(source SYMOP)
Encadré :
ROBOTIQUE INDUSTRIELLE : DEFINITIONS, SPECIFICITES, HISTOIRE...

Définitions :
Un "Robot industriel" est, selon...
• L’AFRI (Association Française Robotique Industrielle) : une machine formée de divers mécanismes comportant divers degrés de libertés ayant souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par un poignet capable de maintenir un outil, une pièce ou un instrument de contrôle. Son unité de contrôle doit contenir une unité de mémorisation, et il peut parfois utiliser des accessoires sensitifs et adaptables qui tiennent compte de l’environnement et des circonstances. Ces machines, ayant un rôle pluridisciplinaire, sont généralement conçues pour effectuer des fonctions répétitives, mais qui sont adaptables à d’autres fonctions.
• L’ISO (International Standard Organization) : une machine formée par un mécanisme incluant plusieurs degrés de libertés, ayant souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par un poignet capable de tenir des outils, des pièces ou un dispositif d’inspection.
• La JIRA (Association Japonaise de Robotique Industrielle) : un système capable d’accomplir des tâches, en tout ou en partie, habituellement dévouées aux humains.
• La RIA (Robot Institute of America) : un manipulateur reprogrammable multi-fonctionnel conçu pour déplacer des matériaux, des pièces, des outils ou tout autre dispositif spécialisé au moyen d’une série de mouvements programmés et d’accomplir une variété d’autres tâches.

3 générations de robots :
▪ 1re génération : robots programmables et asservis à trajectoire continue ou point à point, dont le cycle de travail se répète sans modification. Ex. : robot vertical, horizontal, portique, scara, etc.
▪ 2e génération : manipulateurs automatiques programmables capables d'analyser les modifications de leur environnement et de réagir en conséquence. Il peut en résulter une modification partielle du cycle opératoire. Ex. : manipulation avec reconnaissance de forme, assemblage avec contrôle d'effort, etc.
▪ 3e génération : robots utilisant des ressources comme celles de l'intelligence artificielle pour assimiler des instructions globales proches du langage naturel, capables d'une interprétation exhaustive de leur environnement et de prendre des décisions d'action en conséquence. Ex. : robots d'intervention en milieux hostiles, robots autonomes multiservices, etc.

Classification fonctionnelle des robots
► Selon l’AFRI :
• Classe A : TELEMANIPULATEURS
Manipulateurs à commande manuelle ou télécommande.
• Classe B : MANIPULATEURS AUTOMATIQUES
Manipulateurs automatiques à cycles préréglés (le réglage se fait mécaniquement par cames, butées, la commande peut se faire par automate programmable) ; on peut distinguer entre manipulateurs à cycle fixe et manipulateurs à cycle programmable.
• Classe C : ROBOTS PROGRAMMABLES
Première génération de robots industriels ; ils répètent les mouvements qu’on leur a appris ou programmés, sans informations sur l’environnement ou la tâche effectuée. On peut aussi faire la distinction entre robots ”play-back” qui reproduisent la tâche apprise et robots à commande numérique qui peuvent être programmés hors-ligne. Pour de nombreux robots, l’apprentissage de la tâche se fait à l’aide d’un ”syntaxeur” (”boite à boutons”, ”teach pendant”) qui permet à un opérateur d’amener le robot en un certain nombre de points, qui sont ensuite mémorisés ; lors de l’exécution de la tâche, le robot suivra une trajectoire passant successivement par tous les points programmés, le passage d’un point au suivant se faisant suivant un profil de vitesse en fonction du temps qui est pré-défini (triangulaire ou trapézoïdal), l’opérateur n’ayant qu’à choisir la fraction de la vitesse maximum à laquelle il souhaite que le robot effectue la tâche. Pour certains robots, par exemple les robots de peinture, qui doivent suivre une trajectoire complexe qu’il est difficile d’exprimer mathématiquement, un opérateur humain spécialiste de la tâche effectue la trajectoire en guidant le bras du robot à l’aide d’un ”pantin”, et l’entièreté de la trajectoire est mémorisée par le robot.
• Classe D : ROBOTS INTELLIGENTS
Avec des robots de seconde génération qui sont capables d’acquérir et d’utiliser certaines informations sur leur environnement (systèmes de vision, détecteurs de proximité, capteurs d’efforts, etc.). Les robots de troisième génération, sont capables de comprendre un langage oral proche du langage naturel et de se débrouiller de façon autonome dans un environnement complexe, grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle.

► Selon la JIRA :
• Classe 1 : TELEMANIPULATEURS
Bras commandé directement par un opérateur humain
• Classe 2 : MANIPULATEURS AVEC SEQUENCE FIXE
Contrôle automatique, mais difficile à reprogrammer
• Classe 3 : MANIPULATEURS AVEC SEQUENCE VARIABLE
Contrôle automatique, reprogrammé mécaniquement
• Classe 4 : ROBOTS PLAY BACK
Séquences qui sont exécutées à l’origine sous la supervision d’êtres humains, mémorisées puis rappelées pour être rejouées (play back)
• Classe 5 : ROBOTS AVEC UN CONTROLEUR NUMERIQUE
Les positions des séquences sont contrôlées par des données numériques
• Classe 6 : LES ROBOTS INTELLIGENTS
Le robot peut réagir à son environnement et à des modifications arrivant durant l’exécution

Classification géométrique des robots :
On classe également les robots suivant leur configuration géométrique, autrement dit l’architecture de leur porteur. Les 3 premiers degré de mobilité (on parle de "ddm") d’un robot peuvent être réalisés avec un grand nombre de combinaisons de translations (maximum 3T) et de rotations (maximum 3R), autrement dit par des articulations prismatiques (P) ou rotoïdes (R) ; en pratique, on n’utilise que 4 ou 5 d’entre elles :
▪ porteur cartésien (TTT ou PPP) : les 3 axes sont animés d’un mouvement de translation.
▪ porteur en coordonnées cylindriques (RTT ou RPP) : un mouvement de rotation et unetranslation axiale, complétées par une translation radiale
▪ porteur en coordonnées polaires ou sphériques (RRT ou RRP) : deux rotations (longitude et latitude) autour d’axes orthogonaux, complétées par une translation radiale
▪ porteur en coordonnées universelles, appelé aussi configuration polyarticulée ou anthropomorphe (RRR), trois rotations dont les deux dernières se font autour d’axes parallèles orthogonaux au premier, les trois articulations correspondant respectivement au tronc (base), à l’épaule et au coude d’un être humain.
▪ Une cinquième architecture comprend deux rotations autour de deux axes parallèles, précédées ou suivies d’une translation dans la même direction (éventuellement celle-ci peut être reportée au niveau du poignet, qui peut aussi tourner autour du même axe, soit au total 4 ddm). Cette architecture est celle des robots SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assembly), utilisé lors d’opérations d’assemblage.

Brève histoire des robots industriels...
▪ Seconde Guerre Mondiale : développement des servo-mécanismes.
▪ Dans les années 50 : développement de « maître-esclave » contrôlés à distance pour manipuler des substances radioactives.
▪ 1956 : George C. De Vol et Joseph F. Engelberger se rencontrent. Ces 2 hommes sont considérés comme les pères de la robotique industrielle.
▪ 1958 : J.F. Engelberger crée la société Unimation Inc., pour "Universal Automation".
▪ 1961 : Unimate est le premier robot industriel inventé par G. Devol (brevet n° 2 998 237). Ce robot est le premier à être installé sur une chaîne de montage industrielle (Général Motors dans le New Jersey). Unimate est un bras articulé de 1,5 tonnes capable de manipuler une pièce de fonderie de 150 kg. Unimate number 001 est entrée en service dans une usine pour 100.000 heures… Le point clé du système ? Utiliser conjointement un ordinateur et un manipulateur.
▪ 1966 à 1971 : Unimation Inc. délivre 66 machines au cours de la période.
▪ 1968 à 1969 : début de recherches intensives sur les robots contrôlés par ordinateur, par exemple au MIT (Boston arm) et à San Francico (Stanford arm).
▪ 1971 : création de la JIRA au Japon.
▪ 1974 : Joe Engelberger prévoit un chiffre d’affaires de 3 milliards de $ en
Robotique.
▪ 1975 : création de la RIA aux USA.
▪ 1990 : les prévisions de Joe Engelberger se réalise. 70 % du marché est tenu par le Japon.
▪ 2008 : 1 million de robots industriels sont en activité dans le monde :
- 40 % au Japon,
- 30 % en Europe de l’Ouest (45% de ce parc se trouve en Allemagne, 10 % en France),
- 15 % aux Etats-Unis.

Origines du "Robot" : Le terme robot est issu de la langue des pays d'Europe de l'Est. Ce mot veut dire esclave, ou travailleur dévoué (ex. : "robotnik", le travailleur, en tchèque), a été initialement utilisé par l'écrivain d'origine tchécoslovaque Karel Čapek dans sa pièce de théâtre R. U. R. (Rossum's Universal Robots) en 1920.
Le terme robotique a été introduit dans la littérature en 1942 par Isaac Asimov dans son livre "Runaround" ("Cycle fermé" en français, extrait de la 1ère partie de "Le livre des robots").

ROBOTIQUE INDUSTRIELLE ET EMPLOI, UN MONDE D’IDEES REÇUES ?

Comparatif robotique industrielle vs coût de la main d’œuvre, depuis 1990 !
▪ - 80 % : c’est la diminution des coûts robots.
▪ + 40 % : c’est l’augmentation des coûts de la main d’œuvre.
(source SYMOP)

L’expérience japonaise...
Avec un taux à 3,8 % début 2008, soit 4 points de moins qu’en France (7,8 %), le taux de chômage au Japon est l’un des plus bas du monde industrialisé. Parallèlement, c’est au Japon que l’on trouve le plus de robots ouvriers au monde. Ce niveau d’équipement reflète une réalité essentielle : le nombre d’implantations d’usines sur un territoire. Ainsi, le Japon s’équipe, chaque année de dizaines d’usines pour fournir des produits électroniques, des automobiles, etc. Cela prouve que les robots industriels ne sont pas l’ennemi de l’emploi, bien au contraire. Car, si les robots remplacent ou secondent les hommes dans les tâches les plus pénibles, les humains sont toujours là pour les développer, les programmer, les contrôler, les maintenir, les faire évoluer...

SYMOP : Robotiser pour ne pas délocaliser !
"Robotcaliser" c’est le terme que le Club Robotique du Syndicat des entreprises de technologies de production (Symop) a adopté pour valoriser la robotisation comme alternative décisive à la délocalisation. Ainsi, selon Jean-Paul Bugnaud, Directeur-Général du Symop, estime que "la robotique apporte des réponses concrètes aux entreprises pour relever les défis de la concurrence internationale et du dumping social". Afin de sensibiliser les entreprises françaises, le Symop a édité une brochure de présentation, regroupant chiffres, témoignages d’entreprises, entretien avec M. Hervé Novelli, Secrétaire d’Etat, chargé du commerce, de l’artisanat, des Petites et moyennes entreprises, du tourisme et des services.


ROBOTIQUE ET PERFORMANCES

Avantages de la robotique :
▪ Gains de productivité,
▪ Garantie de qualité,
▪ Augmentation des performances,
▪ Adaptabilité,
▪ Travail en continu 24h s/ 24,
▪ Répétabilité,
▪ Etc.

Robots industriels : des performances en hausse !
Principales évolutions technologiques permettant l’accroissement des performances :
▪ la vitesse de déplacement des robots a doublé en moins de 10 ans.
▪ la "répétabilité" : une "répétabilité" de 0,1 mm est, aujourd’hui, une chose commune pour un robot, même avec une charge notable.
▪ l’augmentation de la charge maximale (300 kg est une charge commune dans les industries).
▪ la précision due à :
- la puissance des contrôleurs,
- l’amélioration des algorithmes de simulation,
- les progrès en matière de design mécanique permettent de pouvoir se fier aux précisions de déplacements et aux résultats des programmations hors lignes.
▪ la sécurité : grâce, là encore, à la puissance des contrôleurs, les risques et probabilités d’incidents sont réduits,
▪ les champs d’applications avec les fonctions complémentaires tels :
- le contrôle de process,
- la gestion du système,
- le contrôle des équipements périphériques,
- les systèmes de guidage.
▪ la fiabilité : l’augmentation du Mean Time Between Failure (MTBF) dépasse aujourd’hui les 50.000 heures. Une évolution qui permet d’affirmer que, dans la grande majorité des cas, en utilisation normale, le robot industriel est l’équipement de production qui présente la fiabilité la plus performante.