Le MoMa est un infatigable petit indépendant

Polyvalent, puissant, flexible et autonome

Un manipulateur mobile est un système robotique avancé et polyvalent appartenant à la catégorie des robots mobiles autonomes (AMR). Combinant mobilité et manipulation, ils sont capables d'effectuer une variété de tâches complexes dans des environnements dynamiques et/ou dangereux. La législation est encore en pleine évolution et, en partie pour cette raison, assez complexe. Elle entraîne des obligations, mais les développements technologiques qui en découlent les compensent largement.

Caractéristiques

Un manipulateur mobile - surnom: MoMa - se compose d'une base mobile et d'un ou plusieurs bras robotisés, appelés manipulateurs. En combinant les avantages de la mobilité avec la précision et la flexibilité des bras robotisés, le MoMa est capable d'effectuer des tâches complexes dans un environnement dynamique.

La base mobile consiste en une plateforme ou un véhicule équipé, par exemple, de jambes mécaniques (leg based), de chenilles (tracked based) ou de roues (wheeled based). L'équipement présent sur la base mobile aide à la navigation et à l'évitement des obstacles. Pour effectuer des tâches complexes telles que la préparation de commandes et l'assemblage, les manipulateurs doivent être précis et disposer de plusieurs degrés de liberté. Les effecteurs terminaux, avec ou sans caméra, y contribuent.

Concept
- Les systèmes de retour haptique fournissent des informations tactiles et kinesthésiques par l'intermédiaire de capteurs et d'actionneurs, permettant au MoMa de "sentir" la force et le retour d'information lors de la manipulation d'objets.
- IMU - Inertial Measurement Unit (unité de mesure inertielle) - un système de gyroscopes et d'accéléromètres pour mesurer le mouvement et l'orientation.
- LIDAR - Light Detection and Ranging (détection et télémétrie par la lumière) - technologie de capteur permettant de créer des images environnementales tridimensionnelles à l'aide de la lumière laser.
- L'évitement d'obstacles est un système qui utilise des capteurs - notamment des capteurs à ultrasons, infrarouges, LIDAR ou des caméras - pour balayer l'environnement et détecter les obstacles.
- L'odométrie est une technique permettant de positionner et de déplacer avec précision le bras robotique sur la base de données en temps réel.
- La planification de trajectoire fait référence aux méthodes et aux algorithmes utilisés pour déterminer l'itinéraire optimal du bras robotisé afin d'éviter les obstacles.
- RFID - Radio Frequency Identification (identification par radiofréquence) - technique utilisée pour identifier et/ou suivre automatiquement des objets à l'aide d'ondes radio.
- La caméra RVB est un type de caméra numérique qui capture des images en utilisant les couleurs primaires rouge (R), vert (G) et bleu (B).
- Safety Integrity Levels (niveaux d'intégrité de la sécurité (SIL) est un système de classification permettant de déterminer le niveau de fiabilité qu'un système de sécurité doit fournir pour contrôler un niveau de risque spécifique. Plus le niveau SIL est élevé, plus les procédures de conception, de mise en œuvre, de test et de maintenance sont rigoureuses.
- Degrés de liberté - degrees of freedom (DOF) correspondent au nombre de mouvements indépendants que peut effectuer un bras robotisé. Pour 6 DOF, il s'agit des mouvements dans les directions x, y et z, et des rotations autour des axes x, y et z.

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Contrôle

Dans le MoMa, la base mobile et le bras manipulateur sont entraînés par des moteurs électriques, tandis que des encodeurs et des gyroscopes assurent la précision, la stabilité et le contrôle souhaités. Un logiciel sophistiqué contrôle la coordination entre eux, avec ou sans IA et/ou apprentissage machine. Le positionnement, la localisation et la navigation sont essentiels. Les techniques d'orientation spatiale comprennent le LIDAR, le RFID et le GPS;  pour la localisation, il s'agitr de SLAM et de l'odométrie. Et pour la navigation, ce sont la planification de la trajectoire et l'évitement des obstacles.

Les MoMa sont équipés de systèmes de contrôle avancés qui coordonnent à la fois la mobilité et la manipulation

Pour "détecter" l'environnement, on utilise le GPS et le LIDAR, complétés par des informations provenant de caméras RVB et de profondeur, de microphones, de capteurs à ultrasons, à infrarouges, de pression et tactiles, ainsi que d'unités de mesure inertielle (Inertial Measurement Unit, IMU) et de systèmes de retour d'information haptiques. Un système de contrôle central intègre toutes les données en temps réel, exécute les algorithmes de localisation et de navigation, et commande les actionneurs pour effectuer les mouvements prévus.

Lois et réglementations

Les lois et réglementations régissant les AMR sont en constante évolution. En outre, les pays sont libres d'adopter des lois et des réglementations supplémentaires en fonction de leurs propres exigences de sécurité, de leur droit du travail et de leurs normes industrielles.

Normes de sécurité générales

• ISO 10218-1 et ISO 10218-2 : norme internationale spécifiant les exigences de sécurité pour les robots industriels et les systèmes robotiques. Elles ont été adaptées pour mieux soutenir l'intégration des systèmes mobiles, en mettant davantage l'accent sur la sécurité de l'interaction homme-robot.
• ISO/TS 15066 : spécification technique avec directives pour les cobots où l'interaction avec les humains est facultative. Elle fournit des directives détaillées pour une interaction sûre, y compris des limites biomécaniques pour l'interaction directe et indirecte afin de prévenir les blessures.

Normes et directives en matière de sécurité fonctionnelle

• CEI 61508 : cette norme couvre la sécurité fonctionnelle dans l'intégration des technologies robotiques. Son champ d'application a récemment été étendu aux systèmes de contrôle des manipulateurs mobiles.
• CEI 62061 : norme pour la conception, la mise en œuvre et la maintenance des systèmes de sécurité électriques ou électroniques (programmables) dans les machines, ainsi que pour les procédures d'essai et de validation de ces systèmes. Cette norme introduit le concept de niveau d'intégrité de la sécurité (SIL).
• Les MoMa doivent faire l'objet d'une analyse de sécurité complète, y compris celle associée à la directive européenne sur les machines (2006/42/CE). Une machine doit satisfaire aux exigences qui y sont énoncées et doit faire l'objet d'une procédure d'évaluation de la conformité qui, si elle est concluante, aboutit à l'attribution d'un marquage CE.

Directives pour les systèmes autonomes

• ISO 3691-4: norme régissant les exigences de sécurité pour les véhicules industriels sans conducteur et les systèmes associés. Les points essentiels sont la conception, la construction, la performance et la sécurité opérationnelle.
• Marquage CE: exigences de marquage garantissant que le produit est conforme aux exigences de l'UE en matière de sécurité, de santé et de protection de l'environnement. Le marquage garantit que le produit est conforme à toutes les directives et à tous les règlements pertinents de l'UE.
• Directive européenne relative aux machines (2006/42/CE): les modifications apportées à cette directive ont entraîné des exigences de sécurité plus strictes en matière de conception et de construction. De surcroît, une harmonisation s'est opérée avec l'ISO et la CEI, entre autres.
• Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE) : il travaille sur des normes pour les systèmes (semi-)autonomes, y compris les MoMa, afin d'améliorer la sécurité et l'interopérabilité.

Réglementations et normes spécifiques

• ANSI/RIA R15.06: la norme pour la conception, la construction, l'intégration et le fonctionnement des systèmes robotiques. Elle a récemment été harmonisée avec les normes ISO 10218-1 et ISO 10218-2, tandis que les exigences relatives à l'évaluation des risques et à la mise en œuvre des mesures de sécurité ont été renforcées.
• UL 3100: norme élaborée par Underwriters Laboratories (UL), une entreprise mondiale indépendante spécialisée dans la science de la sécurité. La norme couvre les exigences et directives de sécurité pour la conception, la construction et l'exploitation de robots fonctionnant sans intervention humaine.

Responsabilité partagée
L'intégrateur fournit:
- les normes et prescriptions de sécurité pertinentes;
- une évaluation approfondie des risques;
- des tests fonctionnels des mesures mises en œuvre;
- un logiciel qui répond aux normes de sécurité fonctionnelle et qui est périodiquement mis à jour et corrigé;
- la documentation et la formation relatives à l'utilisation et à la maintenance en toute sécurité.

L'utilisateur final assure:
- l'installation et l'utilisation conformément aux instructions de l'usine, y compris la formation;
- l'évaluation des risques et la rédaction des procédures d'urgence;
- les inspections de sécurité et la maintenance périodique;
- le signalement des incidents/problèmes de sécurité et la limitation des dégâts;
- le contrôle continu de l'efficacité des mesures de sécurité.

Plan d'évaluation des risques étape par étape

L'évaluation des risques doit avoir lieu au début de la procédure de mise en œuvre et nécessite une expertise en matière de technologie MoMa, de mécanique et de sécurité. Elle comporte sept étapes:

1. Détermination des limites et des restrictions opérationnelles en fonction du type de MoMa et de l'environnement dans lequel il opère.
2. Inventaire des risques identifiant les dangers susceptibles de survenir sous l'influence des mouvements mécaniques, des systèmes électriques, des facteurs environnementaux, des défaillances des logiciels et des systèmes et/ou de l'erreur humaine.
3. Analyse des risques déterminant l'impact sur les personnes, le matériel et l'environnement pour chaque catégorie de danger. Une matrice des risques permet de quantifier les risques en fonction de leur gravité et de leur probabilité.
4. L'atténuation des risques par l'élaboration et la mise en œuvre de mesures de réduction des risques, dont des mesures de conception visant à améliorer la sécurité, des mesures techniques, administratives et/ou de protection.
5. La vérification et la validation, qui consistent à tester de manière approfondie l'efficacité des mesures d'atténuation des risques et à utiliser ensuite les résultats des tests pour déterminer si les risques résiduels sont acceptables ou non.
6. Documentation et communication: les dangers identifiés, l'analyse des risques et les mesures prises sont enregistrés; les dessins, les diagrammes et les résultats des essais figurent dans le rapport d'évaluation des risques. Le personnel est informé de ces deux éléments.
7. Évaluation périodique du fonctionnement de la MoMa et de l'efficacité des mesures de réduction des risques. Les résultats de cette évaluation, les nouveaux développements, les incidents et/ou les changements sont intégrés dans l'évaluation des risques, qui est ensuite affinée.

La méthodologie de l'indice de danger (Hazard Rating Number - HRN) en est un exemple. Elle attribue une note à des facteurs tels que la "probabilité", la "fréquence d'exposition", l' "inévitabilité" et les "conséquences possibles". Le HRN est son produit et permet de hiérarchiser les risques et de prendre les mesures de sécurité appropriées.

Exemples de gestion des risques
Collision avec le personnel
La probabilité d'une telle collision est relativement faible, mais le risque est élevé, car une collision peut entraîner des blessures graves. Travail préventif:
- capteurs de sécurité qui détectent la présence humaine et arrêtent le robot à temps;
- blindage physique pour maintenir le personnel hors de la zone de danger;
- formation du personnel aux procédures de travail sûres.

Risque de choc électrique
La probabilité que cela se produise est faible, à moins qu'il n'y ait des défauts de conception ou un mauvais entretien. Toutefois, les conséquences peuvent être graves, voire mortelles. Travail préventif:
- inspection et entretien périodiques des systèmes électriques;
- utilisation de matériaux isolants et mise à la terre;
- installation de panneaux d'avertissement et de boutons d'arrêt d'urgence.

Changements technologiques

En raison de lois et de réglementations de plus en plus strictes, les MoMa subissent toutes sortes de changements technologiques. Par exemple, les systèmes SLAM (SLAM signifie Simultaneous Localisation and Mapping) sont de plus en plus utilisés pour l'orientation spatiale et la navigation. Un tel système permet au robot de surveiller l'environnement et d'y déterminer sa propre position grâce à des caméras 3D qui l'aident à créer des cartes 3D en temps réel de l'environnement. Cela permet d'améliorer la navigation et d'éviter les collisions avec des obstacles et/ou des personnes.

Un logiciel avancé assure la coordination entre les deux systèmes, qu'il soit ou non associé à l'intelligence artificielle et/ou à l'apprentissage machine.

Tout cela nécessite des composants logiciels validés: des modules et/ou des composants logiciels testés de manière approfondie. Il s'agit par exemple de bibliothèques logicielles certifiées et de systèmes de contrôle conformes aux normes de sécurité fonctionnelle, notamment la norme CEI 61508. Grâce à l'utilisation de systèmes de surveillance et de retour d'information en temps réel - sans fil ou par retour haptique -, les MoMa sont de plus en plus sûrs. Les cobots sont désormais équipés de limites de force et de vitesse, ainsi que de systèmes avancés de détection des forces et des moments, qui permettent d'enregistrer des contacts et des forces minimes. Et si les choses tournent mal de manière inattendue, la logique de sécurité garantit que les MoMa s'arrêtent en toute sécurité.

Avec la collaboration de Pilz, Routeco et Schmersal