Contexte de l’étude

1.1.1 Assistant robotique en milieu industriel . . . . 2 1.1.2 Des robots légers et flexibles . . . . 4 1.2 Objectifs de la thèse. . . . 5 1.2.1 Dispositif expérimental - le robot ASSIST . . . . 5 1.2.2 Cahier des charges . . . . 8 1.2.2.1 Commande de mouvement . . . . 8 1.2.2.2 Interaction sûre . . . . 8 1.2.3 Problématiques de recherche . . . . 9 1.3 Organisation du document . . . . 10

1.1 Contexte de l’étude

Les nombreuses applications potentielles dans les domaines industriel, spatial, médical ou de service placent aujourd’hui l’interaction homme-robot (Human Robot Interaction, HRI) au cœur de la recherche robotique (Goodrich et Schultz, 2007). Au croisement de domaines d’ingénierie, d’informatique, des sciences sociales et cognitives, ce champ de recherche pluri-disciplinaire a pour objectif la conception de systèmes robotiques dédiés à un fonctionnement interactif, ainsi que l’étude et l’évaluation de ces systèmes dans leur usage par l’homme.

La notion d’interaction est indissociable d’une communication entre l’homme et le robot, qui peut prendre différentes formes selon le contexte et s’établir notamment par le biais de signaux visuels ou auditifs, interfaces haptiques (à retour d’effort ou tactiles) ou neuronales.

La proximité spatiale entre l’humain et le robot est l’un des critères fondamentaux définissant les modalités de cette communication. Ainsi, on parle de télé-opération ou télé-manipulation en cas d’interaction à distance, tandis que le partage d’un même espace par l’homme et le robot pose le problème de l’interaction physique (De Santis et al.,2008).

Cette dernière forme d’interaction présente un fort potentiel d’application dans le milieu industriel pour la réalisation collaborative de tâches complexes (EUROP, 2009). En effet, tandis que les machine-outils et les robots traditionnels sont utilisés pour effectuer des tâches spécialisées pré-programmées de façon autonome et dans un environnement isolé, certains

2 Chapitre 1. Introduction

coût / unité produite

volume de production annuel travail manuel

robots

poste de travail

manuel poste de travail automatisé

1000 10 000 100 000 1 000 000

collaboration homme-robot

100

réduction du coût unitaire

plus grande adaptabilité

systèmes automatisés spécialisés, machines-outils

Figure 1.1 – Coûts de production selon le volume et le type d’automatisation du poste (Hägele et al.,2002).

procédés ne sont que partiellement automatisables. Ils requièrent par exemple des reconfi-gurations ou interventions fréquentes de la part de l’opérateur humain, et dépendent de ses capacités de perception, d’interprétation, de décision et d’apprentissage qui constituent son savoir-faire. Sont concernées en particulier les productions de faible ou moyen volume qui ne justifient pas le développement d’un robot spécialisé (Fig. 1.1) ou des tâches présentant une forte variabilité intrinsèque (Hägele et al.,2002).

Les applications visées par la robotique interactive dans le milieu industriel sont donc fon-damentalement différentes de celles qui ont motivé la conception des robots industriels tra-ditionnels. Les besoins spécifiques de l’interaction, vis-à-vis notamment de la sécurité, ont conduit au développement d’une catégorie particulière de robots manipulateurs. Ces robots se distinguent par leurs caractéristiques mécaniques et posent également des problèmes de commande spécifiques.

1.1.1 Assistant robotique en milieu industriel

Afin d’étudier plus en détail les fonctionnalités attendues des robots manipulateurs dans le contexte d’assistance dans le milieu industriel, nous considérerons dans la suite un fonction-nement de type « troisième bras » sur un poste de travail, où le robot peut réaliser des tâches aussi bien en mode autonome qu’en collaboration directe avec l’opérateur (Fig. 1.2).

Tandis que les manipulateurs industriels sont traditionnellement conçus dans l’objectif prin-cipal de précision et de rapidité dans un environnement structuré et isolé de l’homme, les robots interactifs destinés à évoluer dans un environnement ouvert doivent avant tout être sûrs. Sont notamment recherchées des propriétés de sécurité intrinsèque du robot et une ré-activité vis-à-vis de son environnement physique (Table 1.1). Ces spécifications ont à la fois des conséquences sur la conception mécanique de robots manipulateurs interactifs et leur commande.

Le risque principal que subit l’opérateur lors d’une collaboration avec un système robotique

1.1. Contexte de l’étude 3

Figure1.2 – Assistant robotique sur chaîne de production.

est celui de collisions pouvant entraîner des dommages corporels. Afin de prévenir les collisions inattendues, une planification en ligne de la trajectoire suivie par le robot en fonction de son environnement peut être envisagée, associée à un système de supervision intégrant simulation 3D et capteurs extéroceptifs¹ permettant de localiser l’opérateur humain (Kulić et Croft, 2007). Toutefois, en cas de contact imprévu, ce sont les propriétés intrinsèques du robot, ainsi que celles de la trajectoire et de la stratégie de commande, qui influent sur le niveau de danger encouru par l’opérateur.

Plusieurs études portant sur l’évaluation et la classification des blessures potentielles en cas d’interaction physique homme-robot sont actuellement en cours afin de déterminer les facteurs de risques principaux et d’établir à terme des normes de sécurité applicables dans le milieu industriel (Haddadin et al.,2009;Fryman et Matthias,2012). Il a été montré que les risques associés à des contacts de différents types (quasi-statique ou dynamique, dans un espace libre ou contraint, contact avec le corps du robot ou un outil potentiellement pointu ou coupant) sont influencés principalement par la vitesse de collision, la masse et la rigidité du

1. Les capteursextéroceptifsfournissent des informations permettant de situer le robot par rapport à son environnement, tandis que les capteursproprioceptifs donnent l’accès à l’état interne du robot.

Tableau1.1 – Particularités des robots interactifs dans les fonctionnalités recherchées

Robot traditionnel Robot interactif

Fonctionnement en environnement isolé ↔ Partage sûr de l’espace de travail avec l’opé-rateur humain

Programmation en langage informatique par un spécialiste

↔ Programmation intuitive par l’opérateur (ap-prentissage par démonstration, lead-through programming)

Positionnement précis à vitesses élevées ↔ Positionnement précis et robuste à des vitesses compatibles avec la présence humaine Pas d’interaction physique en fonctionnement ↔ Interaction fréquente avec l’opérateur,

pos-sible coopération et assistance au geste Spécialisation pour un type de tâche fixe, peu

de reconfigurations

↔ Adaptabilité à des tâches et des espaces de travail variés

4 Chapitre 1. Introduction

Mode de sécurité

- Réaction à une collision détectée Mode interactif

- Apprentissage de trajectoire - Assistance / collaboration Positionnement ou suivi de

trajectoire

- Commande en position

Collision inopinée - Détection de collision

Figure 1.3 – Scénario de fonctionnement interactif avec détection de collision, réaction à une collision détectée et reprise du fonctionnement nominal.

robot, ainsi que le couple maximal développé. Les exigences envers les robots manipulateurs interactifs portent donc à la fois sur leur structure mécanique, le type de capteurs employé et la commande : (i) une structure mécanique du robot plus légère et plus souple présente moins de risques ;(ii)une sensibilité proprioceptive¹ du robot aux contacts extérieurs permet la mise en place de stratégies de détection de collision rapides et efficaces ; (iii)des stratégies de réaction adéquates doivent être mises en place dès qu’une collision est détectée.

Un scénario de fonctionnement tenant compte des particularités évoquées ci-dessus est pré-senté Fig.1.3. Le comportement nominal inclut un mode de suivi de trajectoire pour les tâches autonomes et un mode interactif pour la collaboration. Une collision avec l’environnement provoque le passage dans un mode de sécurité, à partir duquel le fonctionnement nominal peut être repris sans danger.

1.1.2 Des robots légers et flexibles

En réponse aux exigences spécifiques formulées précédemment, des bras manipulateurs in-novants se distinguant par leur conception légère et flexible (lightweight robots) ont connu récemment un essor considérable. Parmi les prototypes de recherche ou les manipulateurs légers commercialisés, citons le robot à deux bras Frida d’ABB (ABB,2013), le Whole Arm Manipulator (WAM) de Barrett Technology (Barrett, 2013), le bras réversible ASSIST du CEA-LIST (Bonnemason et al., 2010), le robot à câbles ALEXA du Frauenhofer Institute (IFF, 2013), le Light-Weight Robot (LWR) de KUKA-DLR (KUKA, 2013; Bischoff et al., 2010), le modèle PA-10 de Mitsubishi (Higuchi et al.,2003), les robots Cyton de Robai (Robai, 2013), et les bras robotisés de Universal Robots (Universal Robots,2013).

Malgré la grande diversité de conceptions mécaniques des manipulateurs précités, plusieurs caractéristiques communes peuvent être mises en évidence. En plus d’une masse réduite, ces robots présentent souvent une cinématique redondante et anthropomorphe à 7 ddl, proche de celle d’un bras humain, qui leur confère une dextérité accrue et une capacité d’intégra-tion dans les espaces restreints. La sensibilité au contacts extérieurs, permettant la détecd’intégra-tion d’anomalies (collision avec l’environnement) et rendant possible la manipulation du robot par