Vers une interaction sûre avec l’opérateur humain
5.1 Robots collaboratifs et sécurité
Cette section introduit dans un premier temps les principaux critères entrant en jeu lors de l’évaluation des risques liés à l’interaction physique homme-robot. Dans un deuxième temps, les méthodes de détection de collisions existantes sont présentées.
5.1.1 Evaluation des risques
Différents critères d’évaluation des risques liés à une collision avec un robot ont été proposés ces dernières années dans la perspective d’une normalisation de l’interaction homme-robot dans le contexte industriel (Haddadin et al., 2009; Fryman et Matthias, 2012). L’objectif de cette section est de présenter quelques-uns de ces critères pour mettre en évidence ceux pouvant être minimisés par une stratégie de détection de collision adéquate.
Types de contacts
Une classification des scénarios de contact a été proposée par (Haddadin et al.,2009), rappelée ici Fig.5.1. Ces différents scénarios sont liés à des risques de nature différente, et influencés par des facteurs différents tels que la vitesse, la masse, et le couple maximal développé, mais aussi la rigidité du robot, la nature de l’outil manipulé ou encore la distance aux configurations singulières du robot dans le cas d’un contact avec contrainte. On s’intéressera dans la suite principalement aux impacts sans contrainte (scénario 1).
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Figure 5.1 – Scénarios de contact possibles (Haddadin et al., 2009) : 1) impact sans contrainte, 2) impact avec contrainte partielle, 3) impact avec contrainte, 4) coincement dans la structure du robot, 5) impact secondaire.
5.1. Robots collaboratifs et sécurité 119 Critères liés aux risques de dommages corporels
En complément aux normes existantes EN ISO 10218-1, -2 et ISO/TS 15066, qui définissent les mesures de prévention de risques de collision, l’organisme allemand IFA1 fournit des recommandations pour l’évaluation des risques des postes de travail comportant des robots collaboratifs (IFA,2009).
Ces recommandations établissent, à partir des caractéristiques biomécaniques du corps hu-main, les facteurs de risque en termes de force de compression (CSF), de force d’impact (IMF) et de pression par surface (PSP) exercés par le robot, et définit les valeurs limites indicatives correspondant à des lésions de niveau de gravité 1 selon l’échelle AIS 20052. Les critères fournis par l’IFA supposent que les collisions ne doivent provoquer ni pénétration profonde de la peau et des tissus sous-jacents accompagnée de plaies saignantes, ni fractures ou autres lésions du système musculo-squelettique. Les limites maximales des forces de compression s’échelonnent de 35N à 220N en fonction des parties concernées du corps, et celles des forces d’impact de 35N à 250N (voir tableauE.1en Annexe E).
Autres critères et discussion
Dans le cas où le contact dû à la collision ne cause pas de blessure directe, le niveau de douleur ressentie au contact a également été examiné. En particulier, plusieurs travaux ont cherché à établir le seuil de douleur physique tolérée en cas de collision avec un robot (Yamada et al., 1997;Povse et al.,2011).
– Dans (Yamada et al.,1997), les forces maximales tolérées Fm sont établies expérimentale-ment en fonction de la durée ∆td’application d’une force de contact supérieure ou égale à Fm. L’amplitude de la force tolérée diminue lorsque ∆t augmente, mettant en évidence la nécessité de détection rapide de collisions. La limite globale de 50N est proposée pour la force de contact tolérée.
– (Povse et al.,2011) établit expérimentalement le lien entre le niveau de douleur ressenti et la densité d’énergie de l’impact définie par e =Rttf in
deb Fimpact(t)dt/Seff, où Fimpact désigne la force de contact au niveau de l’effecteur, etSeff représente la surface de l’effecteur.
Notons enfin que le ressenti psychologique du danger en présence d’un robot a également été évalué. Yamada et al. (1997) rapporte notamment les valeurs indicatives maximales de la vitesse v et de l’accélérationa pour un mouvement sans contact ressenti comme sûr (v≤ 0,6m/s, a ≤ 4,9m/s2), ces valeurs étant cependant affectées d’une grande variabilité en fonction des individus.
Les critères précédents définissent des valeurs limites de forces de contact (compression, im-pact) entre l’humain et le robot en cas de collision. Devant la nécessité de supprimer rapi-dement les forces potentiellement dangereuses lors d’une collision, il est essentiel de pouvoir détecter tout contact du robot avec son environnementi)le plus rapidement possible,ii)avec la meilleure sensibilité de détection possible.
1. Institut pour la sécurité et la santé au travail de l’Assurance sociale allemande des accidents de travail et maladies professionnelles (DGUV).
2. L’échelle AIS (Abbreviated Injury Scale), publiée par l’AAAM (Association for the Advancement of Automotive Medicine) (AAAM, 2005), fournit une description et une classification de la gravité des lésions traumatiques. Le degré de sévérité s’échelonne de 1 (gravité mineure, blessures superficielles) à 6 (gravité maximale).
120 Chapitre 5. Vers une interaction sûre avec l’opérateur humain 5.1.2 Méthodes de détection de collision
Le problème de détection de collision d’un robot avec son environnement sans capteurs de force additionnels peut être englobé dans le cadre plus général de la détection et isolation de faute. Les stratégies de détection peuvent souvent être décomposées en deux étapes dis-tinctes (Chow et Willsky,1984), qui sont 1) la génération de résidu, 2) l’évaluation du résidu (Fig. 5.2). Dans la première étape, le signal appelé résidu et contenant la signature de la faute est généré par comparaison du comportement dynamique du système considéré avec les prédictions issues d’un modèle. Dans la deuxième étape, ce résidu est traité et évalué afin de produire la décision logique indiquant la faute détectée ou non.
Etat
Etape 1: Génération de résidu Etape 2: Evaluation du résidu Etape 3: Stratégie post-impact Résidu
Traitement du signal et comparaison
avec seuil Décision, signal d'alerte ROBOT
Modèle dynamique
du robot
ext
Arrêt / Evitement / Recalcul de la trajectoire / Passage en mode transparent sûr...
Figure 5.2 – Etapes d’un algorithme de détection de collision.
Différentes approches de génération de résidu sont issues du domaine de l’automatique puis-qu’une faute dans un système dynamique se traduit généralement par une variation de ses variables d’état ou de ses paramètres. Les méthodes de diagnostic quantitatives par modèle reposent ainsi sur l’observation de l’état, au moyen d’observateurs ou filtres de Kalman, ou sur l’estimation en ligne de paramètres, faisant par exemple usage de techniques de type moindres carrés (Frank et Ding,1997;Venkatasubramanian et al.,2003). Une méthode asso-ciant observateur et compensation de frottement non-linéaire est proposée pour la détection de couple extérieur appliqué à un robot industriel dans (Schneider et Frank,1996).
Une stratégie de génération de résidu classique en robotique consiste à comparer le coupleτ réellement appliqué au robot avec le couple ˆτ estimé à partir d’un modèle dynamique inverse embarqué (Haddadin et al.,2008). Une amélioration de cette approche consiste en une compa-raison des quantités de mouvements, dans une procédure ne nécessitant pas la connaissance des accélérations, importante source de bruit lorsque celles-ci sont estimées par dérivation numérique (De Luca et al.,2006;Haddadin et al.,2008). Une autre approche reposant sur un filtrage du couple et ne nécessitant pas de mesures ou estimées de l’accélération est présentée dans (Dixon et al.,2000a).
Toutes les méthodes de génération de résidu faisant usage d’un modèle peuvent être sensibles aux incertitudes de modélisation. Une étape d’évaluation du résidu robuste doit par