Facteurs clés utilisés pour la classification des robots industriels

Des millions de robots industriels sont actifs dans les usines de l'Industrie 4.0 à travers le monde. Ils sont utilisés pour augmenter les taux de production, améliorer la qualité, réduire les coûts et soutenir des opérations plus flexibles et durables. En raison de l'importance des robots industriels, l'Organisation internationale de normalisation (ISO) a développé la norme 8373:2021, Robotique — Vocabulaire, pour définir les termes utilisés en robotique et fournir un langage commun pour discuter des nombreux types de robots et de leurs applications.

L'IFR (International Federation of Robots) a utilisé des termes clés définis dans la norme ISO 8373:2021 pour déterminer six classifications de robots basées sur leur structure mécanique, notamment :

• Articulé
• Cartésien
• Cylindrique
• Parallèle/Delta
• Polaire
• SCARA

Cet article passe en revue la norme ISO 8373:2021 et examine les quatre termes clés qui définissent un robot, en se concentrant sur le besoin de reprogrammabilité et les types et nombres d'articulations de robots utilisés par l'IFR pour développer des classifications de robots. Il se penche ensuite sur les détails et les nuances de chaque classification de robot et présente des exemples de robots de plusieurs fabricants. Il examine également les systèmes appelés robots qui ne répondent pas à toutes les exigences ISO.

La norme ISO 8373:2021 définit un robot industriel comme un « manipulateur multi-application, reprogrammable à commande automatique, programmable sur trois axes ou plus, pouvant être fixe ou fixé sur une plateforme mobile pour une utilisation dans les applications d'automatisation dans un environnement industriel ».

La reprogrammabilité est un différenciateur crucial. Certaines machines industrielles peuvent être équipées de manipulateurs et se déplacer sur plusieurs axes, ce qui leur permet d'effectuer des tâches spécifiques, comme saisir des bouteilles sur une ligne d'embouteillage et les placer dans une caisse. Mais on ne peut pas parler de robot si la machine est dédiée à cette seule tâche et n'est pas reprogrammable. Le terme « reprogrammable » est défini dans la norme ISO 8373 comme « conçu de telle sorte que les mouvements programmés ou les fonctions auxiliaires puissent être modifiés sans altérations physiques ».

Types et nombres d'articulations de robots

La norme ISO 8373 définit deux types d'articulations de robots :

• L'articulation prismatique, ou coulisse, est une liaison entre deux maillons qui permet à l'un d'avoir un mouvement de translation par rapport à l'autre.
• L'articulation pivot, ou articulation simple, est une liaison entre deux maillons qui permet à l'un d'avoir un mouvement de rotation par rapport à l'autre autour d'un axe fixe.

L'IFR a utilisé ces définitions ainsi que d'autres définitions de la norme ISO 8373 pour identifier six classifications de robots industriels, sur la base de leur structure mécanique ou de leur topologie. De plus, différentes topologies de robots ont différents nombres d'axes et, par conséquent, différents nombres d'articulations.

Le nombre d'axes est une caractéristique clé des robots industriels. Le nombre d'axes et leurs types déterminent l'amplitude de mouvement du robot. Chaque axe représente un mouvement indépendant ou degré de liberté. Un plus grand nombre de degrés de liberté permet au robot de se déplacer dans des espaces plus grands et plus complexes. Certains types de robots ont un nombre fixe de degrés de liberté, tandis que d'autres peuvent avoir différents nombres de degrés de liberté.

Les effecteurs terminaux, également appelés EOAT (end-of-arm tooling) ou « manipulateurs polyvalents » dans la norme ISO 8373, constituent un autre élément important dans la plupart des robots. Il existe un large éventail d'effecteurs terminaux, notamment des préhenseurs, des outils de traitement dédiés tels que des tournevis, des pulvérisateurs de peinture ou des appareils de soudage, ainsi que des capteurs, notamment des caméras. Ils peuvent être pneumatiques, électriques ou hydrauliques. Certains effecteurs terminaux peuvent tourner, ce qui confère au robot un degré de liberté supplémentaire.

Les sections suivantes commencent par la définition IFR pour chaque topologie de robot, puis étudient leurs capacités et applications.

Les robots articulés ont trois articulations pivots ou plus.

Il s'agit d'une grande catégorie de robots. Les robots articulés peuvent avoir dix axes ou plus, six étant la version la plus courante. Les robots à six axes peuvent se déplacer dans les plans x, y et z et effectuer des rotations de tangage, roulis et lacet, leur permettant d'imiter le mouvement d'un bras humain.

Ils sont également disponibles avec une large plage de capacités de charge utile allant de moins de 1 kg à plus de 200 kg. Les capacités de portée de ces robots varient également considérablement, de moins d'un mètre à plusieurs mètres. Par exemple, le KR 10 R1100-2 de KUKA est un robot articulé à six axes avec une portée maximum de 1101 mm, une charge utile maximum de 10,9 kg et une répétabilité de pose de ±0,02 mm (Figure 1). Il se caractérise également par des mouvements haute vitesse, de courts temps de cycle et un système d'alimentation en énergie intégré.

Figure 1 : Robot articulé à six axes avec répétabilité de pose de ±0,02 mm. (Source de l'image : DigiKey)

Les robots articulés peuvent être montés de manière permanente au sol, au mur ou au plafond. Ils peuvent également être montés sur des rails au sol ou en hauteur, sur un robot mobile autonome ou une autre plateforme mobile, et déplacés entre les postes de travail.

Ils sont utilisés pour diverses tâches, notamment la manutention, le soudage, la peinture et l'inspection. Les robots articulés constituent la topologie la plus courante pour mettre en œuvre des robots collaboratifs (cobots) destinés à travailler avec des humains. Alors qu'un robot conventionnel fonctionne dans une cage de sécurité équipée de barrières de sécurité, un cobot est conçu pour une interaction étroite avec l'homme. Par exemple, le cobot LXMRL12S0000 de Schneider Electric a une portée maximum de 1327 mm, une charge utile maximum de 12 kg et une répétabilité de pose de ±0,03 mm. Les cobots présentent souvent une protection contre les collisions, des bords arrondis, des limites de force et un poids réduit pour une sécurité accrue.

Le robot cartésien (parfois appelé robot rectangulaire, robot linéaire ou robot portique) possède un manipulateur à trois articulations prismatiques dont les axes forment un système de coordonnées cartésiennes.

Des robots cartésiens modifiés sont disponibles avec deux articulations prismatiques. Pourtant, ils ne répondent pas à l'exigence ISO 8373 selon laquelle ils doivent être « programmables sur trois axes ou plus » et ils ne sont donc pas techniquement des robots.

Il existe plusieurs façons de configurer trois articulations prismatiques et, par conséquent, plusieurs façons de configurer un robot cartésien. Dans une topologie cartésienne de base, les trois articulations sont à angle droit, l'une se déplaçant sur l'axe x, reliée à une deuxième se déplaçant sur l'axe y, reliée à une troisième se déplaçant sur l'axe z.

Bien que souvent utilisée comme synonyme de robot cartésien, la topologie de portique n'est pas identique. Comme un robot cartésien de base, les robots portiques prennent en charge les mouvements linéaires dans un espace tridimensionnel. Mais les robots portiques sont configurés avec deux rails de base sur l'axe x, un rail supporté sur l'axe y couvrant les deux axes x et un axe z en porte-à-faux relié à l'axe y. Par exemple, le DLE-RG-0012-AC-800-800-500 d'Igus est un robot portique avec une zone de travail de 800 mm x 800 mm x 500 mm pouvant transporter jusqu'à 5 kg et se déplacer jusqu'à 1,0 m/s avec une répétabilité de ±0,5 mm (Figure 2).

Figure 2 : Robot portique avec une zone de travail de 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Source de l'image : Igus)

Le robot cylindrique comporte un manipulateur avec au moins une articulation pivot et au moins une articulation prismatique, dont les axes forment un système de coordonnées cylindriques.

Les robots cylindriques sont relativement simples et compacts, et leur amplitude de mouvement limitée les rend faciles à programmer. Ils sont moins répandus que leurs cousins plus complexes. Néanmoins, ils sont particulièrement adaptés aux applications telles que le meulage, la palettisation, le soudage (en particulier le soudage par points) et la manutention, par exemple le chargement et le déchargement de plaquettes de semi-conducteurs dans des cassettes lors de la fabrication de circuits intégrés (Figure 3).

Figure 3 : Ce robot cylindrique possède une articulation pivot et une articulation prismatique. (Source de l'image : Association for Advancing Automation)

Les robots cylindriques se déplacent généralement à des vitesses de 1 à 10 m/s et ils peuvent être conçus pour transporter de lourdes charges. Les robots cylindriques sont utilisés dans les industries automobile, pharmaceutique, agroalimentaire, aérospatiale, électronique et plus.

Le robot parallèle/Delta est un manipulateur dont les bras ont des maillons qui forment une structure en boucle fermée.

Alors que d'autres robots, comme les topologies cylindriques ou cartésiennes, tirent leur nom de leur mouvement, le robot Delta doit son nom à sa forme triangulaire inversée. Les robots Delta ont de 2 à 6 axes, les conceptions à 2 et 3 axes étant les plus courantes. Comme les robots cartésiens à 2 axes, les robots Delta à 2 axes ne répondent pas techniquement aux exigences de la norme ISO 8373 pour être qualifiés de robots.

Les robots Delta sont conçus pour la vitesse plutôt que pour la force. Ils sont montés au-dessus de la zone de travail et remplissent des fonctions telles que le prélèvement et le placement, le tri, le démontage et l'emballage. On les trouve souvent au-dessus d'un convoyeur, déplaçant des pièces sur une ligne de production. Le préhenseur est relié à des jonctions mécaniques longues et fines. Ces jonctions mènent à trois ou quatre gros moteurs à la base du robot. L'autre extrémité des jonctions est reliée à une plaque d'usinage où se fixe l'EOAT.

Le RBTX-IGUS-0047 d'Igus est un exemple de robot Delta à 3 axes. Il a un diamètre d'espace de travail de 660 mm et peut supporter une charge maximum de 5 kg. Lors de la manipulation d'une charge de 0,5 kg, il peut effectuer 30 prélèvements par minute à une vitesse maximum de 0,7 m/s et une accélération de 2 m/s². Il a une répétabilité de ±0,5 mm (Figure 4).

Figure 4 : Robot Delta à trois axes et contrôleur (à gauche). (Source de l'image : DigiKey)

Le robot polaire (robot sphérique) est un manipulateur doté de deux articulations pivots et d'une articulation prismatique, dont les axes forment un système de coordonnées polaires.

L'une des articulations pivots permet à un robot polaire de tourner autour de l'axe vertical qui s'étend depuis la base. La deuxième articulation pivot est perpendiculaire à la première articulation pivot et permet au bras du robot de bouger vers le haut et le bas. Enfin, l'articulation prismatique permet au bras du robot de s'étendre ou de se rétracter par rapport à l'axe vertical.

Les robots polaires, bien que simples dans leur construction, présentent des inconvénients qui limitent leur utilisation par rapport à d'autres topologies comme les robots articulés, cartésiens et SCARA :

• Le système de coordonnées sphériques rend la programmation plus complexe.
• Ils ont généralement une capacité de charge utile plus limitée que les autres types de robots.
• Ils sont plus lents que les autres robots.

Les principaux avantages des robots polaires incluent un grand espace de travail et une haute précision. Ils sont utilisés pour l'entretien des machines-outils, les opérations d'assemblage, la manutention des matériaux dans les chaînes d'assemblage automobile et le soudage au gaz et à l'arc.

Le robot SCARA (pour « Selectively Compliant Arm for Robotic Assemblies ») est un manipulateur avec deux articulations pivots parallèles pour assurer la conformité dans un plan sélectionné.

Un robot SCARA de base a trois degrés de liberté, le troisième provenant d'un effecteur terminal rotatif. Les robots SCARA sont également disponibles avec une articulation pivot supplémentaire pour un total de quatre degrés de liberté, permettant des mouvements plus complexes.

Les robots SCARA sont souvent utilisés dans les applications de prélèvement/ placement ou d'assemblage dans lesquelles une haute vitesse et une haute précision sont requises. Par exemple, le M1-PRO de Dobot est un robot SCARA à 4 axes avec un rayon de travail de 400 mm, une charge utile maximum de 1,5 kg et une répétabilité de ±0,02 mm. Il est doté d'une détection de collision sans capteur et d'une programmation drag-to-teach, ce qui permet de l'utiliser aussi bien comme cobot que comme robot autonome (Figure 5).

Figure 5 : Robot SCARA à 4 axes avec répétabilité de ±0,02 mm. (Source de l'image : DigiKey)

Conclusion

Tous les robots industriels répondent aux exigences de la norme ISO 8373 leur imposant d'être automatiquement contrôlés avec un manipulateur polyvalent reprogrammable. Cependant, toutes les conceptions ne disposent pas d'un nombre défini d'axes pour une topologie spécifiée. Les robots Delta et cartésiens sont disponibles avec moins d'axes que le nombre défini, tandis que certains robots SCARA ont plus d'axes que le nombre défini par l'IFR.