Un robot industriel Kawasaki FS-03N, robot de soudage

La robotique industrielle est officiellement définie par l'ISO comme un contrôle automatique, reprogrammable, polyvalent manipulateur programmable dans trois ou plusieurs axes.

Les applications typiques incluent des robots de soudage, de peinture et d'assemblage. La robotique industrielle inspecte les produits, rapidement et précisément.

Les robots industriels sont très utilisés en automobile. Leur conception nécessite une bonne connaissance et un très haut niveau dans le domaine de l'ingénierie.

Définition

Un robot industriel Motoman SDA10, robot d'assemblage

Un robot industriel est un système ayant plusieurs bras à l’image d’un bras humain souvent composé de 6 degrés de liberté, 3 axes destinés au positionnement et 3 axes à l’orientation permettant de déplacer et d'orienter un outil (organe effecteur) dans un espace de travail donné.

On peut distinguer :

les robots de montage de dimension souvent plus réduite,

les robots mobiles destinés à l’inspection souvent associés à de l’intelligence artificielle et capables, dans certains cas, de prendre en compte l’environnement.

Un robot se compose d'une partie mécanique, le bras lui-même, d'une armoire de commande composée d'une unité centrale qui pilote les électroniques de commande d'un ou plusieurs axes qui en assure l’asservissement, de variateurs de vitesse et d'un langage de programmation spécialisé qui permet de commander le robot (LM développé par l'Ensimag Grenoble, langage Adept type basic) qui intègre un transformateur de coordonnées pour transformer une valeur cartésienne en données codeur du moteur.

Certains robots disposent d'un mode d'apprentissage qui permet de répéter les mouvements réalisés librement à la main, l'élément essentiel étant la fidélité la capacité du robot à atteindre successivement la même position dans une tolérance définie, une procédure d'étalonnage permet de reprendre le zéro de chacun des axes. Ils peuvent être associés à un système de vision artificielle qui leur permet de corriger les déplacements.

Pour des raisons de sécurité, ces robots sont protégés par des cages ou des carters pour interdire à l'homme de les approcher de trop près.

La diffusion et amélioration des techniques robotiques permet de faire fonctionner des usines dans le noir.

Histoire

Les ancêtres des robots sont les automates, au XVII siècle. D'une certaine manière, dans la mesure où l'informatique les rend totalement interactifs avec les humains, les premiers robots sont les premiers ordinateurs, conçus pendant la Seconde Guerre mondiale et réalisés juste après. Mais leurs actions se limitant à des opérations intellectuelles, les premiers robots à proprement parler sont les appareils qui, synthèses des automates et des ordinateurs, peuvent effectuer de façon automatique des tâches physiques à la place des humains, ceci de façon plus efficace, en rapidité et en précision.

En 1954, l'Américain George Devol (en) dépose le brevet de Unimate, premier robot industriel. Il s’agit d’un bras articulé capable de transférer un objet d’un endroit à un autre et inspiré des téléopérateurs utilisés dans l’industrie nucléaire dans les années 1950 pour la manipulation d’éléments radioactifs.

En 1956, la société Unimation Inc., est créée par Joseph Engelberger, associée de Revol.

En 1961, Unimate est installé aux lignes d'assemblage de l'usine Ewing Township (appartenant General Motors et située dans la banlieue de Trenton, New Jersey), Unimate. Il est chargé de saisir des pièces de métal à très haute température et de les déplacer jusqu’à des bains de refroidissement. À l'époque, la direction de General Motors ne diffuse pas l'information, estimant qu'il s'agissait d'un procédé expérimental risquant de ne pas fonctionner. Elle finit cependant par passer commande de 66 exemplaires.

En 1968, Unimation est le leader du marché mondial de la robotique.

En 1976, la première entreprise à adopter ses produits en France est Renault en 1976.

En 1983, La société Westinghouse (à l’origine des premiers robots humanoïdes) rachète Unimation Inc. avant de la revendre à Staubli trois ans plus tard.

La robotique industrielle dans le monde

Selon le ministère de l'industrie, on peut estimer le nombre total de robots industriels dans le monde à au moins 1,15 million en 2010, et on en prévoit 1,58 million en 2016. Ces estimations sont basées sur l’hypothèse d’une durée de fonctionnement moyenne de 12 ans. Avec une durée moyenne de 15 ans, il y aurait 1,4 million de robots industriels en 2011.

Environ 69 000 robots industriels ont été produits dans le monde en 1998, 120 000 en 2005, mais 113 000 en 2008. La production baissait brutalement en 2009 (60 000) pour reprendre de plus belle (120 600 en 2010, 166 000 en 2011, 207 500 prévus en 2015).

En 2011, les ventes de robots industriels s’élevaient à 9,5 milliards de dollars. Si on inclut les logiciels, les périphériques et l’ingénierie-systèmes, le marché des systèmes robotiques industriels est estimé à 28,5 milliards de dollars en 2011 ; il devrait s’accroître dans le futur, mais à des taux moins élevés que dans le passé.

Domaines d'utilisation

Les robots industriels ont d'abord été développés pour intervenir dans les milieux à risques (nucléaire, forte corrosion...) puis dans l'automobile avec le robot Unimate, le premier robots industriel de la société américaine Unimation, au début des années soixante.

Ils servent aussi beaucoup dans le maniement d'objets lourds.

Le petit assemblage de précision sur des petites séries.

Types de robots industriels

Des robots industriels au travail dans une usine

Certains robots sont programmés pour exécuter fidèlement des actions spécifiques répétitives. Ils sont programmés avec un haut degré de précision.

D'autres robots sont beaucoup plus flexibles. Ils sont par exemple utilisés en peinture.

L'intelligence artificielle est en passe de devenir un facteur important dans la robotique industrielle.

Robots cartésiens

On appelle robot cartésien les robots ayant des articulations de type prismatique pour le déplacement de l'outil, mais forcément 3 rotoïdes pour l'orientation de celui-ci. Pour pouvoir déplacer et orienter l'organe effecteur dans toutes les directions en 3D, un tel robot a besoin de 6 axes : 3 prismatiques pour le déplacement, 3 rotoïdes pour l'orientation. Dans un environnement à 2 dimensions, il suffit de 3 axes : 2 pour le déplacement, 1 pour l'orientation.

Robot cartésien 5 axes pour la plasturgie

Robots polaires

On appelle robot polaire les robots ayant uniquement des articulations de type rotoïde. Pour pouvoir déplacer et orienter l'organe effecteur dans toutes les directions en 3D, un tel robot a besoin de 6 axes : 3 pour le déplacement, 3 pour l'orientation. Dans un environnement à 2 dimensions, il suffit de 3 axes : 1 pour le déplacement, 2 pour l'orientation.

Fonctionnement

Certains robots utilisent des moteurs électriques, d'autres utilisent des vérins hydrauliques. Les premiers sont plus rapides, les derniers sont plus forts et avantageux dans des applications telles que la pulvérisation de peinture.

Exemples d'utilisation

en 2D : table traçante.

en 3D : robot de chargement

Mouvements et singularités

Programmation des mouvements d'un robot sur un ordinateur

L'installation ou la programmation des mouvements et les séquences d'un robot industriel est généralement faite en liant le robot à un ordinateur portable ou à un ordinateur de bureau.

Exemple d'une séquence de programmation :

1. Déplacer vers P1

2. Déplacer vers P2

3. Déplacer vers P3

4. Fermer la pince

5. Déplacer vers P2

6. Déplacer vers P4

7. Déplacer vers P5

8. Ouvrir la pince

9. Déplacer vers P4

10. Déplacer vers P1 et finition

Constructeurs

Suisse : Stäubli

Suisse : ABB Robotics

États-Unis : Adept Technology

Allemagne : Bosch

Allemagne : Cloos GmbH

Allemagne : Festo

Allemagne : Dürr (peinture)

Italie : Comau

Japon : DENSO Robotics

Japon : Epson Robots

Japon : FANUC Robotics

Japon : Fuji Yusoki Robotics

Corée du Sud : Hyundai Robotics

Japon : Intelligent Actuator (IAI)

États-Unis : Intelitek

Japon : Janome

Japon : Kawasaki Heavy Industries

Allemagne : KUKA Robotics

Espagne : Loxin

France : LUCAS France

Japon : Mitsubishi Electric

Japon : Yaskawa-Motoman

Japon : Nachi Robotic Systems Inc.

Japon : Nidec Sankyo

Japon : OTC-Daihen

Japon : Panasonic Corporation

Allemagne : Reis Robotics

Corée du Sud : Samsung

France : SCEMI (ex-filiale d'Alsthom) dont l'activité robotique a pris fin dans les années 1980

France : SEPRO Group

Suisse: Stäubli Robotics

États-Unis : ST Robotics

Japon : Toshiba Machine

Japon : Yamaha Motor Company

France Slovaquie France Slovaquie : Robot-delta

Liste de robots industriels

Robots industriels :

Unimate, le 1 robot industriel

KUKA FAMULUS, le premier robot à 6 axes entraînés de façon électromécanique (1973)

Lemur, robot industriel à 6 pattes

Robot Delta, robot ayant un bras de manipulation formé de 3 parallélogrammes

Adept Quattro, robot doté de quatre bras

Air-Cobot, robot mobile collaboratif conçu pour effectuer l'inspection de l'extérieur d'un avion.

Motoman SDA10, un robot qui fait la cuisine

Robot-delta 360° en version 2D&3D : inventé par Peter Bambura en 2013 "Robot-delta" , ces robots sont conçus pour assembler des pièces de faible taille en copiant un mode d'assemblage d'un opérateur.

Robots de traite (agriculture) :

Les essais de traite automatisée ont été entrepris dès les années 1980, notamment par l'Institut de recherche pour l'ingénierie de l'agriculture et de l'environnement (CEMAGREF) en France. La difficulté principale, concerne le repérage des pis de la vache, qui présentent une grande variabilité, d'une vache à l'autre, mais aussi pour la même vache en fonction de la période. Les robots de traites sont développés soit par les principaux constructeurs de matériel de traite, soit par des entreprises spécialisées.

Robot de traite Proflex BouMatic

Robot de traite VMS Delaval

Robot de traite Astronaut Lely

Robot de traite Titan Westfalia Surge

Robot de traite Merlin Fullwood

Robot de traite RDS Futureline SAC Christensen, utilisant un robot industriel pour la manipulation des faisceaux de traite.

在工厂里的运行的机器人。

工业机器人按照ISO 8373定义，它是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的进程运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

工业机器人的典型应用包括焊接、刷漆、组装、采集和放置（例如包装、码垛和 SMT）、产品检测和测试等; 所有的工作的完成都具有高效性、持久性、速度和准确性。

形式和特色

一些机器人系透过编程而能忠实、无变异、高度准确的一再运行特定动作（反复动作）。这些动作取决于程序设置的常式，这些常式订定一系列协同动作的方向、加速度、速度、减速度、距离。

其他机器人则更有弹性，因为这些机器人可能连作业目标的方位，甚或对目标所需完成的作业，都需要进行辨识。例如，为了更精确的导引，机器人常包含机器视觉子系统做为其视觉传感器，连接到强大的电脑或控制器。对于现代工业机器人而言，人工智能、或者任何被误认为人工智能的东西，成为日益重要的因素。

工业机器人历史

乔治·戴沃尔 (George Devol), c. 1982 乔治·戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并在1954年申请了专利。 (专利批准在1961年). 在1956年，戴沃尔和约瑟夫·恩盖尔柏格基于戴沃尔的原先专利，合作创建了Unimation公司。1959年Unimation公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 Unimation公司以后授权其技术给川崎重工和GKN，分别在日本和英国生产Unimates工业机器人。在一段时间以来，Unimation的唯一竞争对手是美国俄亥俄州的辛辛那提米拉克龙公司(Cincinnati Milacron Inc.)。但是，在1970年代后期，在几家大型日本企业集团开始生产类似的工业机器人之后，这局面从根本上改变了。 工业机器人在欧洲兴起得相当快，在1973年ABB机器人公司和库卡机器人(KUKA)公司就把机器人带入市场。 在70年代末，对于机器人技术的兴趣在增加，许多美国公司进入该领域，包括例如通用电气和通用汽车公司（其成立的与日本发那科公司合资的发那科(FANUC)机器人公司等大型公司。美国的创业公司包括Automatix和Adept Technology。在1984年的机器人热潮时期，Unimation公司被西屋电气公司以$1.07亿美元收购。西屋电气公司于1988年将Unimation公司出售给法国史陶比尔Faverges SCA公司，这家公司仍然制造关节型机器人适用于一般工业和洁净室的应用，并且于2004年底甚至收购博世公司的机器人事业部。

市场结构

根据国际机器人联合会（IFR）发布的在2012年世界机器人研究报告，在2011年年底为至少有1,153,000个运行的工业机器人。预计这个数字到2015年年底将达到1,575,000个。 根据国际机器人联合会2011年度的估计，工业机器人全球销售额为85亿美元。包括软件，外围设备和系统工程的成本后，机器人系统的年度营业额估计在2011年达到255亿美元。 日本政府估计，该行业可能从约在2006年52亿美元到在2010年接近260亿美元，并在2025年激增至700亿美元。在2005年，日本已有超过370,000个正在运行的工业机器人。在2007年的国家技术发展路线图中，贸易部呼吁到2025年要在全国各地安装100万台工业机器人。 估计全世界每年供应的工业机器人数量（台）： 年份 供应 1998 69,000 1999 79,000 2000 99,000 2001 78,000 2002 69,000 2003 81,000 2004 97,000 2005 120,000 2006 112,000 2007 114,000 2008 113,000 2009 60,000 2010 118,000 2012 159,346 2013 178,132 2014 (forecast) 205,000

技术说明

轴数 – 在一平面中取得任意点需要两个轴；在空间中取得任意点需要三个轴。要完全控制手臂终端（意即手腕）的指向，需要另外三个轴（平摆、俯仰及横摇）。某些设计（例如SCARA机器人）牺牲运动性以换取成本、速度、精度。

自由度 – 通常跟轴数一样。

工作包络面 – 在空间中机器人可触及的区域。

运动学 – 机器人的刚体组件及关节的实际配置，决定了机器人所有可能的动作。机器人运动学的类别包含关节型、卡式座标型、平行型及SCARA。

承载量或载重量 – 机器人能举起多少重量。

速率 – 机器人能多快使其手臂终端就定位。本参数可由各轴的角速率或线速率定义，或者以复合速率，意即以手臂终端速率来定义。

加速度 – 一轴能多快加速。此系一限制因素，因为在进行短距离移动或需要常常改变方向的复杂路径时，机器人可能无法达到其最大速度。

准确度 – 机器人可以多接近要求位置。准确度的度量方式即机器人的绝对位置与要求位置的差距。利用外部传感设备如视觉系统或红外线，可改善准确度。