L'automatisme et la robotique

L'automatisme est l'ensemble des techniques et des dispositifs qui permettent à une machine ou un système de fonctionner de manière autonome, sans intervention humaine directe et continue. Le but principal est de remplacer ou d'assister l'homme dans des tâches répétitives, dangereuses ou complexes.

Exemples d'automatismes quotidiens :

• Le lave-linge : il effectue un cycle complet (lavage, rinçage, essorage) de manière autonome une fois programmé.
• Le feu de signalisation : il régule le trafic en changeant de couleur selon une séquence prédéfinie ou la détection de véhicules.
• Le distributeur de boissons : il délivre un produit spécifique après une sélection et un paiement.
• Les portes automatiques des supermarchés : elles s'ouvrent et se ferment lors de la détection d'une personne.

Intérêt et enjeux de l'automatisation :

• Augmentation de la productivité : Les systèmes automatisés peuvent fonctionner 24h/24, 7j/7, avec une vitesse et une efficacité constantes.
• Amélioration de la qualité : Réduction des erreurs humaines et reproductibilité des tâches avec une grande précision.
• Sécurité accrue : Éloignement des opérateurs des environnements dangereux ou des tâches pénibles.
• Réduction des coûts : À long terme, l'automatisation peut entraîner des économies sur la main-d'œuvre et les déchets.
• Flexibilité : Possibilité de reconfiguration rapide pour s'adapter à de nouvelles productions ou tâches.

Tout système automatisé peut être décomposé en deux grandes parties fonctionnelles qui interagissent constamment : la chaîne d'information et la chaîne d'énergie.

Rôle de la chaîne d'information

La chaîne d'information est le "cerveau" du système. Elle a pour mission de :

1. Acquérir des données sur l'environnement (température, présence, position...).
2. Traiter ces données pour prendre des décisions.
3. Communiquer les ordres à la chaîne d'énergie.

Elle est composée des éléments suivants :

• Capteurs : Ils perçoivent l'environnement et transforment une grandeur physique (température, pression) en un signal électrique.
  • Exemple : un capteur de présence détecte qu'une personne est devant la porte.
• Partie commande (ou contrôleur) : C'est l'intelligence du système (API, microcontrôleur). Elle reçoit les informations des capteurs, les compare à des consignes et élabore des ordres.
  • Exemple : l'API reçoit l'information de présence et décide d'envoyer l'ordre d'ouverture à la porte.
• Actionneurs : Ils reçoivent les ordres de la partie commande et les transmettent à la chaîne d'énergie. On parle parfois de pré-actionneurs car ils préparent l'énergie pour les actionneurs finaux.
  • Exemple : un relais reçoit l'ordre de l'API et active le moteur de la porte.

Rôle de la chaîne d'énergie

La chaîne d'énergie est la "musculature" du système. Elle a pour mission de :

1. Distribuer l'énergie nécessaire (électrique, pneumatique, hydraulique).
2. Convertir cette énergie en une autre forme (mécanique, thermique...).
3. Agir sur le système pour en modifier l'état.

Elle est composée des éléments suivants :

• Actionneurs (finaux) : Ils reçoivent l'énergie et la convertissent pour réaliser une action physique.
  • Exemple : le moteur électrique de la porte transforme l'énergie électrique en mouvement rotatif.
• Effecteurs (ou pré-actionneurs finaux) : Ce sont les éléments qui agissent directement sur la matière ou l'environnement.
  • Exemple : les roues ou le mécanisme d'engrenage qui ouvrent physiquement la porte.
• Source d'énergie : Alimentation électrique, compresseur d'air, pompe hydraulique, etc.
• Distributeurs d'énergie : Ils acheminent l'énergie vers les actionneurs (câbles électriques, tuyaux pneumatiques, etc.).

Interaction entre les deux chaînes

Les deux chaînes fonctionnent en boucle :

1. La chaîne d'information acquiert des données de l'environnement (état du système).
2. La partie commande traite ces données et décide d'une action.
3. Elle transmet un ordre à la chaîne d'énergie.
4. La chaîne d'énergie agit sur le système.
5. Cette action modifie l'état du système, qui est à nouveau perçu par la chaîne d'information, bouclant ainsi le cycle. Cette boucle est appelée "boucle de régulation" ou "boucle d'asservissement".

Les automatismes peuvent être classés selon la manière dont ils traitent l'information et le temps.

Automatisme séquentiel

Un automatisme séquentiel est caractérisé par une suite d'étapes qui se déroulent dans un ordre précis. Le passage d'une étape à l'autre est conditionné par la réalisation de certaines conditions (événements ou réceptivités).

• Exemple : Le cycle d'une machine à laver (remplissage eau, lavage, rinçage, essorage). Chaque étape doit être terminée avant de passer à la suivante.
• Outil de représentation : Le Grafcet est l'outil privilégié pour décrire les automatismes séquentiels.

Automatisme combinatoire

Un automatisme combinatoire est un système dont l'état des sorties dépend uniquement de l'état présent des entrées. Il n'y a pas de notion de temps ou de séquence. Pour chaque combinaison d'entrées, il y a une et une seule combinaison de sorties.

• Exemple : Un circuit d'éclairage avec deux interrupteurs va-et-vient. La lampe s'allume ou s'éteint en fonction de la position des deux interrupteurs, sans mémoire des états précédents.
• Outil de représentation : Les tables de vérité, les équations logiques ou les logigrammes.

Automatisme à événements

Ce type d'automatisme réagit à des événements (détection d'un capteur, appui sur un bouton, fin d'un temps). Le système attend qu'un événement se produise pour déclencher une action ou passer à une nouvelle étape. C'est le principe fondamental des automatismes séquentiels décrits par le Grafcet.

• Exemple : Une porte automatique qui s'ouvre seulement lorsqu'un capteur de présence détecte quelqu'un.

Automatisme à temps

Dans un automatisme à temps, certaines actions ou transitions sont déclenchées après une période de temps prédéfinie.

• Exemple : La durée d'un cycle de lavage, le temps d'attente avant la fermeture d'une porte automatique, ou le clignotement d'un feu de signalisation.
• Ces temporisations sont souvent intégrées aux automatismes séquentiels pour rythmer les étapes.

Définition et rôle d'un capteur

Un capteur est un organe de la chaîne d'information qui détecte une grandeur physique (température, pression, présence, position, lumière, etc.) et la convertit en un signal utilisable par la partie commande, généralement un signal électrique. Son rôle est fondamental : il permet au système automatisé de "percevoir" son environnement et l'état de la machine. Sans capteurs, l'automatisme serait "aveugle" et ne pourrait pas s'adapter.

Types de capteurs

• Capteurs Tout ou Rien (TOR) : Ils ne fournissent que deux états possibles (0 ou 1, ouvert ou fermé, vrai ou faux). Ils indiquent la présence ou l'absence d'un événement.
  • Exemples :
    • Contacteur de position : Détecte la présence d'une pièce en étant actionné mécaniquement.
    • Détecteur de proximité inductif : Détecte la présence d'un objet métallique sans contact.
    • Détecteur de proximité capacitif : Détecte la présence de tout type de matériau (métal, plastique, liquide).
    • Cellule photoélectrique : Détecte la présence d'un objet coupant un faisceau lumineux.
    • Bouton-poussoir : Indique un appui.
• Capteurs analogiques : Ils fournissent un signal dont la valeur est proportionnelle à la grandeur physique mesurée. Le signal peut prendre une infinité de valeurs au sein d'une plage donnée.
  • Exemples :
    • Capteur de température (sonde Pt100, thermocouple) : Fournit une tension ou une résistance qui varie avec la température.
    • Capteur de pression : Fournit un signal électrique proportionnel à la pression.
    • Capteur de niveau : Mesure la hauteur d'un liquide.
    • Capteur de force : Mesure une contrainte mécanique.
    • Potentiomètre : Mesure une position angulaire ou linéaire.

Exemples de capteurs courants

• Capteurs de position :
  • Fin de course mécanique (TOR)
  • Détecteur de proximité (inductif, capacitif, optique) (TOR)
  • Codeur rotatif (analogique ou numérique) : mesure l'angle d'une rotation.
• Capteurs de température :
  • Thermistance, Thermocouple, Sonde Pt100 (analogiques)
• Capteurs de lumière :
  • Photorésistance (LDR), photodiode, phototransistor (analogiques)
• Capteurs de force/pression :
  • Jauge de contrainte (analogique)

Caractéristiques d'un capteur

• Précision : Capacité du capteur à donner une mesure proche de la valeur réelle.
• Étendue de mesure (ou plage de mesure) : Intervalle des valeurs de la grandeur physique que le capteur peut mesurer (ex: de 0°C à 100°C).
• Sensibilité : Rapport entre la variation du signal de sortie et la variation de la grandeur mesurée (ex: $10 \text{ mV/°C}$).
• Résolution : Plus petite variation de la grandeur mesurée que le capteur peut détecter.
• Temps de réponse : Durée nécessaire au capteur pour réagir à une modification de la grandeur mesurée.
• Linéarité : Capacité du capteur à produire un signal de sortie directement proportionnel à la grandeur d'entrée sur toute son étendue de mesure.

Définition et rôle d'un actionneur

Un actionneur est un organe de la chaîne d'énergie qui reçoit un ordre de la partie commande et le transforme en une action physique sur le système. Il convertit une énergie (électrique, pneumatique, hydraulique) en une autre forme d'énergie (mécanique, thermique, lumineuse). Son rôle est de réaliser concrètement les actions décidées par la partie commande, permettant ainsi au système automatisé de modifier son environnement ou son propre état.

Types d'actionneurs

• Actionneurs électriques : Utilisent l'énergie électrique.
  • Exemples :
    • Moteurs électriques (à courant continu, asynchrones, pas à pas) : Transforment l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation. Utilisés pour le déplacement, la rotation, l'entraînement.
    • Résistances chauffantes : Transforment l'énergie électrique en énergie thermique. Utilisées pour le chauffage.
    • Électro-aimants, ventouses électromagnétiques : Génèrent un champ magnétique pour attirer ou maintenir des objets.
    • Lampes, LED : Transforment l'énergie électrique en énergie lumineuse.
• Actionneurs pneumatiques : Utilisent l'énergie de l'air comprimé.
  • Exemples :
    • Vérins pneumatiques (simple ou double effet) : Transforment l'énergie pneumatique en énergie mécanique de translation (mouvement linéaire). Utilisés pour pousser, tirer, serrer.
    • Moteurs pneumatiques : Transforment l'énergie pneumatique en énergie mécanique de rotation.
    • Ventouses à vide : Utilisent l'aspiration pour saisir des objets.
• Actionneurs hydrauliques : Utilisent l'énergie d'un fluide sous pression (huile). Ils sont utilisés pour des forces importantes et des mouvements précis.
  • Exemples :
    • Vérins hydrauliques : Similaires aux vérins pneumatiques mais pour des forces beaucoup plus grandes.
    • Moteurs hydrauliques : Pour des rotations à couple élevé.

Exemples d'actionneurs courants

• Moteur électrique : Pour animer un tapis roulant, un bras robotique, une pompe.
• Vérin pneumatique : Pour pousser une pièce, soulever un couvercle, serrer une pince.
• Résistance chauffante : Pour maintenir une température dans un four ou un moule.
• Électrovanne : Pour ouvrir ou fermer le passage d'un fluide (air, eau).

Conversion d'énergie

Le principe clé des actionneurs est la conversion d'énergie.

L'interface est la zone de connexion entre les capteurs/actionneurs et la partie commande (ex: API). Elle assure la compatibilité des signaux et la sécurité.

Conditionnement des signaux

Les signaux provenant des capteurs ou destinés aux actionneurs ne sont pas toujours directement exploitables par la partie commande. Le conditionnement des signaux vise à les adapter :

• Amplification : Augmenter l'amplitude d'un signal faible (ex: signal de thermocouple).
• Filtrage : Éliminer le bruit ou les interférences du signal.
• Conversion analogique-numérique (CAN ou ADC) : Transformer un signal analogique (tension, courant) en un signal numérique (binaire) interprétable par l'API. Les API ont des entrées analogiques dédiées à cela.
• Conversion numérique-analogique (CNA ou DAC) : Transformer un signal numérique de l'API en un signal analogique pour certains actionneurs (ex: variateur de vitesse pour un moteur).

Pré-actionneurs (relais, contacteurs)

Les pré-actionneurs sont des interfaces de puissance entre la partie commande et les actionneurs finaux. La partie commande (API) délivre des signaux de faible puissance, insuffisants pour alimenter directement les actionneurs.

• Relais : Interrupteur électromécanique commandé par un faible courant (de l'API) pour commuter un courant plus fort (vers un actionneur de faible puissance).
• Contacteurs : Similaires aux relais mais conçus pour commuter des courants beaucoup plus importants, typiquement pour les moteurs triphasés ou les résistances de puissance.
• Variateurs de vitesse, démarreurs : Pour commander précisément la vitesse ou le démarrage progressif de moteurs. Les pré-actionneurs protègent la partie commande en isolant électriquement les circuits de puissance.

Compatibilité des signaux

Il est crucial que les signaux échangés soient compatibles en termes de :

• Niveaux de tension/courant : Un capteur 24V ne peut pas être directement connecté à une entrée 5V sans adaptation.
• Type de signal : Analogique ou numérique.
• Fréquence : Pour les signaux pulsés.
• Protocole de communication : Pour les capteurs ou actionneurs "intelligents" (bus de terrain).

Sécurité des interfaces

La sécurité est primordiale. Les interfaces doivent :

• Assurer l'isolation galvanique : Séparer électriquement les circuits de commande et de puissance pour éviter les dommages en cas de défaut.
• Protéger contre les surintensités/surtensions : Fusibles, disjoncteurs.
• Intégrer des fonctions de sécurité : Arrêt d'urgence câblé, circuits de sécurité redondants pour éviter les démarrages intempestifs ou les arrêts critiques.

Rôle et architecture d'un API

Un Automate Programmable Industriel (API) est un ordinateur industriel robuste, conçu pour contrôler des processus de fabrication ou des machines. C'est le "cerveau" de nombreux systèmes automatisés. Son rôle principal est :

1. Acquérir les informations des capteurs (entrées).
2. Traiter ces informations selon un programme défini (logique de commande).
3. Commander les actionneurs (sorties).

Architecture typique d'un API :

• Unité Centrale (CPU) : Le microprocesseur qui exécute le programme et gère les calculs logiques.
• Mémoire :
  • Mémoire programme : Stocke le programme utilisateur.
  • Mémoire de données : Stocke les valeurs des entrées/sorties, les variables internes, les temporisations, les compteurs.
• Modules d'Entrées/Sorties (E/S) :
  • Modules d'entrées (digitales/analogiques) : Reçoivent les signaux des capteurs.
  • Modules de sorties (digitales/analogiques) : Envoient les ordres aux pré-actionneurs/actionneurs.
• Alimentation : Fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'API.
• Interfaces de communication : Pour la programmation (PC) et la communication avec d'autres équipements (réseaux industriels).

Langages de programmation (Ladder, Grafcet)

Les API sont programmés à l'aide de langages spécifiques, standardisés par la norme IEC 61131-3.

• Langage Ladder (LD - "Langage à Contacts") : C'est un langage graphique inspiré des schémas électriques à relais. Il est très intuitif pour les électriciens.
  • Il représente des circuits logiques avec des contacts (entrées) et des bobines (sorties).
  • Exemple simple :

    ---[ I0.0 ]------( Q0.0 )---
    

    Signifie : "Si l'entrée I0.0 est active, alors la sortie Q0.0 est activée."
• Grafcet (SFC - Sequential Function Chart) : Un langage graphique pour décrire le comportement séquentiel d'un automatisme. Il est idéal pour la conception et la documentation des automatismes séquentiels.
  • Il utilise des étapes, des transitions et des réceptivités.
  • On le verra plus en détail dans la section suivante.
• Liste d'Instructions (IL - Instruction List) : Un langage textuel de bas niveau, proche de l'assembleur.
• Texte Structuré (ST - Structured Text) : Un langage de haut niveau, proche du Pascal ou du C. Idéal pour des calculs complexes.
• Diagramme Fonctionnel par Blocs (FBD - Function Block Diagram) : Un langage graphique utilisant des blocs fonctionnels prédéfinis.

Entrées/Sorties d'un API

Les E/S sont les points de connexion physiques de l'API avec le monde extérieur.

• Entrées digitales (TOR) : Reçoivent des signaux Tout ou Rien (0 ou 1) des capteurs (boutons, fins de course, détecteurs de proximité).
• Sorties digitales (TOR) : Envoient des ordres Tout ou Rien aux pré-actionneurs (relais, contacteurs, voyants).
• Entrées analogiques : Reçoivent des signaux variables (tension, courant) des capteurs analogiques (température, pression). Ces signaux sont convertis en valeurs numériques par l'API.
• Sorties analogiques : Envoient des signaux variables aux actionneurs (variateurs de vitesse, vannes proportionnelles). Ces valeurs numériques sont converties en signaux analogiques.

Applications des API

Les API sont omniprésents dans l'industrie :

• Lignes de production : Contrôle des convoyeurs, robots, machines d'assemblage.
• Machines-outils : Gestion des mouvements, des outils.
• Systèmes de chauffage, ventilation, climatisation (CVC).
• Ascenseurs, portes automatiques.
• Systèmes de traitement de l'eau, centrales électriques. Leur robustesse, fiabilité et flexibilité les rendent indispensables en milieu industriel.

Le Grafcet (GRAphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions) est un outil graphique normalisé (IEC 60848) pour la description du comportement séquentiel des systèmes automatisés. Il est particulièrement adapté pour modéliser les automatismes à événements.

Étapes, transitions, réceptivités

Un Grafcet est constitué de trois éléments fondamentaux :

• Étapes : Représentées par des carrés. Une étape représente une situation stable du système où des actions sont réalisées.
  • L'étape initiale est doublement encadrée et est active au début du fonctionnement.
  • Une étape peut être active (le système est dans cet état) ou inactive.
• Transitions : Représentées par des traits horizontaux. Une transition indique la possibilité de passer d'une étape à une autre (ou plusieurs) si une condition est remplie.
• Réceptivités : Ce sont les conditions logiques associées aux transitions. Elles sont inscrites à côté du trait de transition et doivent être vraies pour que la transition soit validée.
  • Exemple : BP_Marche (bouton poussoir Marche pressé), Capteur_Presence (capteur de présence actif), t1/X3/5s (temporisation de 5 secondes après l'activation de l'étape 3).

Actions associées aux étapes

Les actions sont les ordres émis par la partie commande lorsque l'étape à laquelle elles sont associées est active. Elles sont inscrites dans des rectangles liés à l'étape.

• Actions continues : Réalisées tant que l'étape est active (ex: Moteur_ON).
• Actions conditionnelles : Réalisées si l'étape est active ET si une condition est vraie (ex: [Capteur_Niveau_Max] > Electrovanne_Fermer).
• Actions mémorisées (à l'activation ou à la désactivation) : Peuvent être des impulsions ou des actions maintenues jusqu'à un autre événement.

Séquences simples et simultanées

• Séquence simple (ou linéaire) : Les étapes se succèdent une par une, sans embranchement ni convergence.

  +---+
  | 1 |
  +---+
    |
    v
   --- r1 ---
    |
    v
  +---+
  | 2 |
  +---+
  

• Séquences simultanées (ou parallélisme) : Le système se divise en plusieurs séquences qui se déroulent en même temps et de manière indépendante. Elles sont représentées par une double ligne de divergence et de convergence.

  +---+
  | 1 |
  +---+
    |
    v
   --- r1 ---
    |
  =====<mark>
  |     |
  v     v
  +---+ +---+
  | 2 | | 3 |
  +---+ +---+
    |     |
    v     v
   --- r2 ---
  |    --- r3 ---
  </mark>===<mark>
    |
    v
  +---+
  | 4 |
  +---+
  

  La divergence est validée si r1 est vraie. Les étapes 2 et 3 deviennent actives simultanément. La convergence est validée si r2 ET r3 sont vraies.==

Règles d'évolution du Grafcet

Le Grafcet suit des règles très précises pour son évolution :

1. Initialisation : Au début, seules les étapes initiales sont actives.
2. Franchissement d'une transition : Une transition est franchissable si :
   • Toutes les étapes immédiatement précédentes sont actives.
   • Sa réceptivité associée est vraie.
3. Activation/Désactivation : Le franchissement d'une transition entraîne l'activation de toutes les étapes immédiatement suivantes et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes.
4. Simultanéité : Toutes les transitions qui peuvent être franchies simultanément le sont.
5. Conflits : Si plusieurs transitions sont franchissables à partir d'une même étape, la transition à franchir est déterminée par une priorité ou une condition supplémentaire.
6. Égalité des dates : Si plusieurs réceptivités sont vraies au même instant, elles sont traitées comme simultanées.

Traduction d'un Grafcet en programme

Une fois le Grafcet établi, il doit être traduit en un programme compréhensible par l'API. Pour un API, le Grafcet est souvent traduit en langage Ladder ou Texte Structuré.

• Traduction en Ladder : Chaque étape du Grafcet correspond généralement à une mémoire interne de l'API (un bit M). Les transitions sont réalisées par des combinaisons de contacts (capteurs, temporisateurs) qui activent ou désactivent ces bits mémoire. Les actions sont ensuite associées à l'activation de ces bits mémoire.
  • Exemple (simplifié) :
    • Activation de l'étape N+1 : (ETAPE_N) AND (RECEPTIVITE_N_VERS_N+1) -> SET ETAPE_N+1
    • Désactivation de l'étape N : (ETAPE_N) AND (RECEPTIVITE_N_VERS_N+1) -> RESET ETAPE_N
• Traduction en Texte Structuré : Utilisation de structures IF...THEN...ELSE ou CASE pour gérer les étapes et les transitions.

Outils de développement et de simulation

• Logiciels de programmation d'API : Chaque fabricant d'API propose son propre environnement de développement (ex: TIA Portal pour Siemens, Unity Pro pour Schneider Electric, Studio 5000 pour Rockwell Automation). Ces logiciels permettent d'écrire le programme, de le compiler et de le transférer à l'API.
• Simulateurs d'API : Intégrés aux logiciels de programmation ou standalone, ils permettent de tester le programme de l'API sans matériel physique. On peut simuler les entrées et observer le comportement des sorties et des variables internes.
• Logiciels de simulation de processus : Permettent de simuler l'environnement physique du système (moteurs, vérins, capteurs) et de le connecter au simulateur d'API pour une validation plus réaliste.

Tests et débogage d'un programme

Le processus de mise au point est crucial :

1. Tests unitaires : Vérifier le fonctionnement de chaque partie du programme (une séquence, une action).
2. Tests d'intégration : Vérifier l'interaction entre les différentes parties du programme.
3. Tests en situation réelle (ou sur maquette) : Mettre en œuvre le programme sur le système physique pour valider son comportement.
4. Débogage : Identifier et corriger les erreurs (bugs). Les outils de programmation d'API offrent des fonctions de débogage (visualisation de l'état des variables en temps réel, points d'arrêt).

Mise en œuvre pratique

La mise en œuvre comprend :

• Câblage : Connexion physique des capteurs et actionneurs aux modules d'E/S de l'API.
• Configuration de l'API : Paramétrage des modules, des adresses d'E/S, des communications.
• Téléchargement du programme : Transfert du programme compilé de l'ordinateur vers la mémoire de l'API.
• Mise en service : Démarrage du système automatisé et vérification de son bon fonctionnement.
• Maintenance : Surveillance, diagnostic et correction des pannes.

Définition et caractéristiques d'un robot

Un robot est une machine programmable, capable d'effectuer des tâches de manière autonome ou semi-autonome. Selon l'ISO 8373, un robot est un "manipulateur polyarticulé, asservi, reprogrammable, capable d'exécuter des tâches variées".

Caractéristiques clés :

• Polyarticulation : Composé de plusieurs articulations (axes) permettant une grande liberté de mouvement.
• Reprogrammable : Sa tâche peut être modifiée par un nouveau programme, contrairement à une machine spécialisée.
• Autonomie : Capable d'exécuter des séquences de mouvements sans intervention humaine constante.
• Interactivité : Certains robots peuvent interagir avec leur environnement et/ou avec des humains.
• Perception : Équipé de capteurs pour percevoir son environnement.
• Action : Doté d'actionneurs pour agir sur son environnement.

Différence entre automatisme et robotique

Bien qu'étroitement liés, l'automatisme et la robotique présentent des distinctions :

Classification des robots

Les robots peuvent être classés de différentes manières :

• Selon leur environnement :
  • Robots industriels : Destinés à l'environnement de production.
    • Exemples : Robots manipulateurs (bras articulés), robots cartésiens, robots SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm).
  • Robots de service : Destinés à assister l'homme dans divers domaines.
    • Exemples : Robots d'exploration (Rover martien), robots médicaux (chirurgie, assistance), robots domestiques (aspirateurs), robots de sécurité, drones.
• Selon leur architecture mécanique :
  • Robots articulés : Les plus courants, avec des "bras" et des "articulations" (ex: KUKA, ABB).
  • Robots cartésiens : Mouvements selon des axes X, Y, Z (ex: portiques).
  • Robots SCARA : Mouvements principalement dans un plan horizontal, avec un axe vertical.
  • Robots parallèles : Plateformes où plusieurs chaînes cinématiques relient la base à la plateforme mobile (ex: Delta robot pour le pick-and-place rapide).
• Selon leur degré d'autonomie :
  • Téléopérés : Contrôlés directement par un humain.
  • Semi-autonomes : Exécutent des tâches avec une supervision humaine.
  • Autonomes : Peuvent prendre des décisions et s'adapter sans intervention humaine directe.

Évolution historique de la robotique

• Antiquité : Premiers automates (Héron d'Alexandrie).
• XVIIe-XVIIIe siècles : Automates mécaniques complexes (Vaucanson).
• Années 1950 : Apparition des premiers bras manipulateurs programmables (George Devol, Joseph Engelberger - "Pères de la robotique").
• 1961 : Premier robot industriel, Unimate, installé chez General Motors.
• Années 1970-80 : Développement des robots industriels (assemblage, soudure, peinture).
• Années 1990-2000 : Miniaturisation, développement des robots de service, robots mobiles, chirurgie robotique.
• Années 2010-aujourd'hui : Intelligence artificielle, apprentissage machine, robotique collaborative (cobots), robotique humanoïde, drones, véhicules autonomes.

L'architecture d'un robot peut être divisée en plusieurs sous-systèmes interdépendants.

Partie opérative (bras, effecteur)

C'est la partie physique du robot qui interagit avec le monde.

• Bras manipulateur (ou structure mécanique) : Composé de plusieurs segments rigides (liens) reliés par des articulations (axes ou degrés de liberté). Le nombre d'articulations détermine la flexibilité et la portée du robot.
  • Exemple : Un robot à 6 axes peut atteindre n'importe quelle orientation dans son espace de travail (6 degrés de liberté).
• Effecteur terminal (ou outil) : C'est l'élément fixé à l'extrémité du bras qui réalise la tâche spécifique.
  • Exemples :
    • Pinces : Pour saisir des objets.
    • Ventouses : Pour manipuler des surfaces lisses.
    • Outils de soudage, de peinture, de perçage.
    • Caméras, capteurs de force.
    • Main robotique.
  • Il est souvent interchangeable pour adapter le robot à différentes tâches.

Partie commande (contrôleur)

C'est le "cerveau" qui gère l'ensemble du robot.

• Contrôleur robotique : Un système informatique puissant (souvent un API ou un PC industriel spécialisé) qui exécute le programme du robot.
  • Il calcule les trajectoires, gère la cinématique (relation entre les mouvements des articulations et la position de l'effecteur), et contrôle les moteurs.
• Logiciel de commande : Le système d'exploitation et les applications qui permettent de programmer le robot, de gérer ses mouvements, de communiquer avec d'autres systèmes.

Capteurs et actionneurs spécifiques aux robots

Les robots intègrent une multitude de capteurs et d'actionneurs pour leur fonctionnement :

• Capteurs internes (proprioceptifs) : Mesurent l'état interne du robot.
  • Codeurs (encodeurs) : Mesurent l'angle de rotation de chaque articulation (position angulaire). Essentiels pour la précision du mouvement.
  • Capteurs de courant/tension : Surveillent les moteurs.
  • Capteurs de force/couple : Intégrés aux articulations ou à l'effecteur pour détecter les efforts.
• Capteurs externes (extéroceptifs) : Perçoivent l'environnement du robot.
  • Vision artificielle (caméras 2D/3D) : Pour identifier des pièces, guider le robot, inspecter des produits.
  • Capteurs de proximité (laser, ultrasons, inductifs) : Pour détecter des obstacles ou la présence d'objets.
  • Capteurs de force/pression : Sur l'effecteur pour la manipulation délicate ou la collaboration.
• Actionneurs :
  • Servomoteurs : Moteurs électriques précis (souvent brushless) avec un réducteur et un codeur intégré, permettant un contrôle fin de la position, de la vitesse et du couple de chaque articulation.

Système de communication

Les robots ne sont pas isolés, ils communiquent avec :

• L'opérateur : Via une console de programmation (teach pendant), un écran tactile, une interface PC.
• Autres machines : API, autres robots, convoyeurs, machines-outils.
• Systèmes de supervision (SCADA, MES) : Pour le monitoring et la gestion de la production.
• Réseaux industriels (Ethernet/IP, Profinet, Modbus, CANopen) : Pour échanger des données à haute vitesse et de manière fiable.

La robotique a révolutionné de nombreux secteurs et continue de se développer.

Industrie manufacturière (assemblage, soudure)

C'est le domaine historique et le plus vaste de la robotique.

• Assemblage : Robots précis pour l'assemblage de petites pièces (électronique) ou de grandes structures (automobile).
• Soudure : Robots réalisant des soudures de haute qualité et répétables (soudure à l'arc, par points, laser).
• Peinture : Robots pour une application uniforme et sans défaut de peinture.
• Palettisation/Dépalettisation : Robots manipulateurs pour empiler ou désempiler des produits sur des palettes.
• Charge/Décharge de machines-outils : Robots pour alimenter les tours, fraiseuses, presses.
• Contrôle qualité : Robots avec caméras pour l'inspection visuelle des produits. L'automobile est le secteur le plus robotisé au monde.

Logistique et transport

• Robots mobiles autonomes (AMR - Autonomous Mobile Robots) et Véhicules à Guidage Automatique (AGV - Automated Guided Vehicles) : Pour le transport de marchandises dans les entrepôts, usines.
• Drones : Pour la livraison de colis, l'inventaire en entrepôt, l'inspection d'infrastructures.
• Systèmes de tri automatisés : Dans les centres postaux ou de distribution.
• Robots de préparation de commandes (picking) : Pour sélectionner des articles dans les entrepôts.

Santé et assistance à la personne

• Chirurgie robotique : Systèmes comme le robot Da Vinci pour des opérations mini-invasives et précises (ex: prostatectomie).
• Rééducation et prothèses robotisées : Exosquelettes pour la rééducation, prothèses bioniques.
• Robots d'assistance aux personnes âgées ou handicapées : Pour l'aide aux tâches quotidiennes, la surveillance, la compagnie.
• Robots de désinfection : Dans les hôpitaux.
• Robots de pharmacie : Pour la préparation et la distribution des médicaments.

Exploration et sécurité

• Exploration spatiale : Rovers (Curiosity, Perseverance sur Mars) pour explorer des environnements hostiles.
• Exploration sous-marine : Robots sous-marins autonomes (AUV - Autonomous Underwater Vehicles) pour l'exploration des fonds marins, l'inspection de pipelines.
• Robots de déminage et de neutralisation d'engins explosifs (EOD - Explosive Ordnance Disposal).
• Robots de surveillance et de patrouille : Dans les zones sensibles (frontières, centrales nucléaires).
• Robots de recherche et sauvetage : Pour intervenir dans des zones sinistrées (tremblements de terre, effondrements).

Programmer un robot consiste à lui enseigner une séquence de mouvements et d'actions pour réaliser une tâche.

Apprentissage par guidage (apprentissage direct)

C'est une méthode intuitive, souvent utilisée pour des tâches simples ou pour définir des points de passage.

• Apprentissage par conduite (Teach Pendant) : L'opérateur utilise une console de programmation (boîtier à boutons et joystick) pour déplacer manuellement le robot (en mode ralenti pour la sécurité) et enregistrer les positions clés (points de passage). Le robot mémorise ces points et les enchaîne ensuite automatiquement.
• Apprentissage par démonstration (Lead-Through) : L'opérateur saisit directement le bras du robot et le guide physiquement à travers la trajectoire souhaitée. Le robot enregistre les mouvements. C'est courant pour les cobots. Cette méthode est rapide pour des tâches répétitives mais manque de flexibilité pour des ajustements complexes.

Programmation hors ligne (langages spécifiques)

La programmation hors ligne (offline programming) est réalisée sur un ordinateur, indépendamment du robot physique.

• Logiciels de simulation 3D : L'environnement de travail est modélisé en 3D. Le programmeur définit les trajectoires et les actions dans cet environnement virtuel.
• Langages spécifiques aux robots : Chaque fabricant de robots a son propre langage de programmation, souvent de haut niveau et structuré.
  • Exemples : KRL (KUKA Robot Language), RAPID (ABB), AS (Fanuc), VAL (Universal Robots).
  • Ces langages permettent de définir :
    • Les mouvements (linéaires, circulaires, point à point).
    • Les actions (ouvrir/fermer pince, activer un outil).
    • Les logiques conditionnelles (IF/ELSE), boucles (FOR/WHILE).
    • L'intégration de capteurs (attendre un signal, réagir à une mesure).
• Avantages :
  • Le robot reste en production pendant la programmation.
  • Permet la simulation et l'optimisation des trajectoires avant la mise en œuvre.
  • Plus adapté aux tâches complexes et aux ajustements fins.

Coordonnées cartésiennes et articulaires

Pour décrire la position et l'orientation du robot, on utilise différents systèmes de coordonnées :

• Coordonnées articulaires (ou joint) : Décrivent la position de chaque articulation (angle de rotation ou translation). C'est la manière la plus directe de contrôler le robot.
  • Exemple : J1=30°, J2=-45°, J3=90°...
• Coordonnées cartésiennes (ou monde/outil/base) : Décrivent la position (X, Y, Z) et l'orientation (Rx, Ry, Rz, ou Euler/Quaternion) de l'effecteur terminal dans un repère de référence (base du robot, repère de l'outil, repère utilisateur).
  • Exemple : P(X=100, Y=200, Z=50, Rx=0, Ry=90, Rz=0)
  • Le contrôleur du robot effectue des calculs de cinématique directe (angles des articulations -> position de l'effecteur) et cinématique inverse (position de l'effecteur -> angles des articulations) pour passer d'un système à l'autre.

Trajectoires et points de passage

• Points de passage (Waypoints) : Ce sont des positions clés que le robot doit atteindre.
• Types de trajectoires :
  • Point à point (PTP - Point To Point) : Le robot se déplace d'un point à un autre en optimisant le temps de déplacement. Les trajectoires intermédiaires ne sont pas contrôlées (mouvements non linéaires, souvent en "courbes").
  • Linéaire (LIN) : L'effecteur terminal se déplace en ligne droite entre deux points, avec une orientation constante ou interpolée.
  • Circulaire (CIRC) : L'effecteur suit un arc de cercle.
• Vitesse et accélération : Ces paramètres sont cruciaux pour la performance et la sécurité. Ils définissent la rapidité et la douceur des mouvements.

La sécurité est une préoccupation majeure en robotique, étant donné la puissance et la vitesse des robots industriels.

Risques liés à l'utilisation des robots

• Impact physique : Collision avec l'opérateur ou d'autres machines.
• Écrasement/Cisaillement : Pièces en mouvement du robot.
• Projection : De pièces, outils.
• Piégeage : L'opérateur est coincé entre le robot et un obstacle.
• Risques électriques : Haute tension des armoires de commande.
• Risques liés aux outils : Brûlures (soudure), coupures (découpe).

Normes de sécurité (ISO 10218)

Pour garantir la sécurité, des normes internationales sont établies :

• ISO 10218 (Partie 1: Robots, Partie 2: Systèmes robotiques et intégration) : Spécifie les exigences de sécurité pour la conception, l'intégration et l'installation des robots industriels.
• ISO/TS 15066 : Spécifie les exigences de sécurité pour les robots collaboratifs (cobots) et leurs applications.
• Ces normes définissent les zones de travail du robot, les modes de fonctionnement (manuel, automatique), les arrêts d'urgence, etc.

Dispositifs de sécurité

• Arrêt d'urgence (arrêt coup de poing) : Boutons rouges bien visibles qui coupent immédiatement l'alimentation du robot en cas de danger.
• Barrières physiques : Clôtures autour de la zone de travail du robot pour empêcher l'accès humain pendant le fonctionnement automatique.
• Capteurs de présence :
  • Tapis sensibles : Détectent la présence d'une personne sur une zone.
  • Rideaux lumineux : Crée un champ de lumière invisible ; la rupture du champ arrête le robot.
  • Scanners laser de sécurité : Détectent les intrusions dans la zone de travail et peuvent ralentir ou arrêter le robot.
  • Radar, vision de sécurité.
• Interverrouillage des portes : Empêche l'ouverture d'une porte d'accès tant que le robot est en mouvement, ou arrête le robot si la porte est ouverte.
• Limites logicielles et matérielles : Définissent les zones où le robot peut (ou ne peut pas) aller.
• Mode de fonctionnement sécurisé : Limitation de la vitesse et de la puissance du robot en présence humaine ou lors de l'apprentissage.

Collaboration homme-robot (cobots)

Les cobots (robots collaboratifs) sont conçus pour travailler aux côtés des humains, sans barrières de sécurité physiques. Cela implique des exigences de sécurité beaucoup plus strictes :

• Limitation de puissance et de force : Le cobot doit s'arrêter ou réduire sa force si un contact est détecté.
• Détection de contact : Capteurs de force/couple très sensibles sur les articulations.
• Guidage manuel : L'opérateur peut guider le robot à la main.
• Arrêt de sécurité supervisé : Le robot s'arrête en toute sécurité et redémarre facilement.
• Surveillance de la vitesse et de la distance : Le cobot adapte sa vitesse à la présence humaine. L'objectif est d'exploiter les forces de l'homme (dextérité, intelligence) et du robot (force, répétabilité) ensemble.

L'intégration croissante des robots dans nos vies soulève des questions profondes.

Impact sur l'emploi

• Destruction d'emplois : Les robots remplacent souvent des tâches répétitives et manuelles, ce qui peut entraîner des suppressions d'emplois dans certains secteurs.
• Création d'emplois : De nouveaux emplois sont créés dans la conception, la programmation, la maintenance, et l'intégration de robots.
• Transformation des emplois : Les travailleurs doivent acquérir de nouvelles compétences pour collaborer avec les robots.
• Débat : Faut-il taxer les robots ? Comment gérer la transition et la formation des travailleurs ?

Questions éthiques (autonomie, responsabilité)

• Autonomie des robots : Jusqu'où peut-on laisser un robot prendre des décisions sans supervision humaine ? Notamment pour les robots militaires ou les véhicules autonomes.
• Responsabilité : Qui est responsable en cas d'accident ou d'erreur ? Le fabricant, le programmeur, l'opérateur, l'IA ?
• Vie privée : Les robots de service ou de surveillance collectent des données personnelles. Comment sont-elles utilisées et protégées ?
• Manipulation émotionnelle : Les robots humanoïdes ou d'assistance peuvent créer des liens émotionnels. Est-ce éthique ?

Acceptation sociale des robots

• Confiance : Les humains doivent faire confiance aux robots pour qu'ils soient adoptés (ex: véhicules autonomes, robots chirurgicaux).
• Peur de l'inconnu : Les représentations culturelles (science-fiction) peuvent influencer la perception publique des robots.
• Adaptation : La société doit s'adapter à la présence croissante des robots dans les lieux publics et privés.
• Interactions homme-robot : Comment concevoir des interfaces naturelles et intuitives ?

Perspectives d'évolution

• Intelligence Artificielle et Apprentissage Machine : Les robots deviendront plus intelligents, capables d'apprendre de l'expérience, de s'adapter à des situations imprévues, de comprendre le langage naturel.
• Robotique douce (Soft Robotics) : Développement de robots flexibles et adaptables, inspirés de la biologie, pour des interactions plus sûres et délicates.
• Miniaturisation et Nanorobotique : Robots de très petite taille pour la médecine (diagnostics, chirurgie à l'échelle cellulaire) ou l'inspection.
• Robots humanoïdes : Pour des tâches complexes dans des environnements conçus pour les humains, ou pour l'assistance personnelle.
• Essaims de robots : Collaboration de nombreux robots simples pour des tâches complexes (exploration, construction). La robotique est un domaine en constante évolution, avec des promesses de progrès mais aussi des défis éthiques et sociétaux à relever.