ROBOTIQUE : PRÉHENSEUR, L’INTERFACE ENTRE LE ROBOT ET LE MONDE

IL EXISTE DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE PRÉHENSEURS QUI VONT DE LA PINCE AUX MANIPULATEURS MAGNÉTIQUES EN PASSANT PAR LES SYSTÈMES À ASPIRATION OU À DÉFORMATION DE LA SURFACE DE CONTACT. LA TENDANCE FORTE QUI EST AUJOURD’HUI DANS LA LIGNE DE MIRE, C’EST ÉVIDEMMENT LA FLEXIBILITÉ.
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Pour l’homme, la main est à la fois le plus efficace, le plus fiable et le plus précis des outils. Elle lui apporte l’habileté permettant d’utiliser tous les objets dont il a su s’entourer et ce, quel que soit le niveau de développement de la société à laquelle il appartient. Il n’y a rien d’étonnant à ce que l’homme cherche à imiter les capacités dont la nature l’a doté lorsqu’il invente des machines. C’est évidemment le cas pour les robots dont l’unité de commande dispose déjà de fonctions logiques et d’une certaine puissance de calcul lui permettant, de réaliser des opérations conditionnelles relativement complexes. Demain, de réels systèmes reposant sur l’intelligence artificielle permettront aux robots de réagir à des situations inhabituelles. Mais la logique ne peut pas tout. Il faut pour interagir avec l’environnement être en mesure de manipuler des objets. C’est précisément ce que l’on attend au niveau le plus élémentaire d’un robot industriel. Sans rabaisser les exploits réalisés par les ingénieurs en matière de robotique collaborative, il faut bien qu’à l’extrémité d’un bras robotisé, on trouve un préhenseur permettant répétitivement de saisir des objets pour les déplacer, les positionner, les assembler, les trier, les rejeter, etc. Qu’il soit de type cartésien, hexapode, poly-articulé à un, voire deux bras ou Scara, le préhenseur remplit le rôle d’interface mécanique ou même, mécatronique entre le robot et l’objet qu’il est chargé de manipuler. Chaque préhenseur doit être adapté à l’application en garantissant la fiabilité de la prise et celle du maintien jusqu’à la dépose de l’objet. En ce sens, le préhenseur a un impact direct sur la performance de la cellule robotisée qui l’utilise.

Dans un grand nombre d’opérations de manutention, le préhenseur est spécifiquement adapté à la fois à l’application et au produit. Il est cependant possible d’introduire un certain niveau de flexibilité à une telle unité de production, en équipant l’extrémité du bras robotisé d’un équipement permettant de changer l’outil ou le préhenseur automatiquement. Il existe à cette fin, différentes approches mais toutes complexifient la cinématique de la production. Il faut aussi intégrer la durée du changement et éventuellement, l’étalonnage du préhenseur dans le temps de cycle global. L’immobilisation de plusieurs outils et préhenseurs inutilisés pendant parfois de longues périodes, pèse de plus sur le coût de la solution. Différentes techniques de préhension sont actuellement disponibles pour s’adapter aux besoins et aux produits. Ainsi, le préhenseur s’accommode de la variabilité géométrique du produit à condition qu’il présente des similarités au niveau de ses caractéristiques physiques comme sa dureté, sa rugosité, etc.

DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES DE PRÉHENSION

Les préhenseurs pneumatiques sont extrêmement utilisés pour accomplir des mouvements linéaires ou rotatifs. Ils sont alimentés par de l’air comprimé, une énergie réputée coûteuse en raison des pertes importantes qui découlent de sa production mais aussi de son transport et ce, même en présence de microfuites. Un réseau de distribution d’air comprimé nécessite donc une surveillance périodique rapprochée et des opérations de maintenance qu’il faut intégrer dans le coût global de la solution. Le préhenseur pneumatique est souvent une simple pince à deux positions : elle sera ouverte ou fermée. L’ajustement de la force de serrage s’effectue en contrôlant la pression d’air comprimé. De tels préhenseurs reposent sur une conception simple qui garantit un long cycle de vie. Ils sont aussi faciles à mettre en œuvre et d’un prix d’achat relativement faible puisque fabriqués en grande série. Leurs caractéristiques de montage peuvent être communes à plusieurs familles de produits chez un même constructeur. Parmi les inconvénients fréquemment relevés à leur encontre, on peut mentionner l’encombrement et la nécessité d’immobiliser les pièces afi n qu’elles puissent être saisies par le préhenseur avec précision. Pour sa part, un préhenseur électrique est actionné par un, voire plusieurs moteurs électriques… d’où son appellation. Comme les préhenseurs pneumatiques, leur utilisation principale réside dans l’accomplissement de déplacements linéaires ou rotatifs mais avec la capacité d’adapter facilement par programmation, l’amplitude de la fermeture et de l’ouverture de la pince. De tels préhenseurs ont en revanche une force de serrage limitée mais ils peuvent facilement être équipés d’un capteur qui va permettre d’ajuster la force et la vitesse de serrage. Ils sont donc largement utilisés dans les applications qui requièrent une certaine précision. Notons encore qu’il est à la fois aisé de distribuer l’énergie électrique et d’en maîtriser les pertes.

On peut remarquer une tendance forte qui est apparue depuis plusieurs mois chez certains grands concepteurs de préhenseurs. Certaines pinces de forme et de puissance équivalentes peuvent être proposées soit en version électrique, soit en version pneumatique avec des caractéristiques de montage absolument similaires, ce qui rend ces pinces totalement interchangeables. Notons encore que certains fournisseurs proposent des préhenseurs à trois doigts couvrant un plus large éventail d’applications. D’autres types de préhenseurs sont plus largement répandus dans certaines applications ou dans certains secteurs. C’est le cas des préhenseurs par aspiration que l’on rencontre dans la manutention d’emballage et la palettisation. Ils s’appuient sur un vide d’air créé au moyen de l’effet Venturi pour aspirer des bacs, des plateaux, des cartons, voire des barquettes de produits frais dans l’industrie agro-alimentaire. Un préhenseur à aspiration est composé de blocs comportant une ou plusieurs ventouses. Ces dernières sont conçues avec des matériaux qui ne laisseront aucune marque sur les objets déplacés. La forme et la puissance de la dépression qui donnent à la ventouse son efficacité, doivent être parfaitement adaptées aux produits manipulés. Globalement, il s’agit de préhenseurs de conception relativement simple donc peu coûteux, et qui s’adaptent à la forme, à la taille et à la matière des produits. Il est possible de réaliser un préhenseur par aspiration de grande taille capable de déplacer plusieurs objets similaires en une seule opération pour par exemple, compléter plus rapidement le remplissage d’une palette en y posant des cartons par groupes. En revanche, de tels préhenseurs sont inadaptés à la manipulation de produits présentant des surfaces grillagées, ouvragées ou perforées.

LA PRÉHENSION MAGNÉTIQUE

On identifie au moins deux types de préhenseurs magnétiques. D’une part, il y a ceux qui sont constitués d’aimants permanents associés à un dispositif assurant la séparation mécanique de la pièce manipulée. De l’autre, on trouve des préhenseurs électromagnétiques alimentés par une source d’énergie électrique. C’est la coupure de cette alimentation qui provoque la libération de l’objet. Ces types de préhenseurs ne peuvent évidemment manipuler que des objets contenant des métaux ferreux. Ils requièrent que la surface de contact soit propre et surtout, qu’elle soit exempte de graisse. Le champ magnétique diffusant dans un volume important, il y a le risque que des poussières ferreuses voire des copeaux polluent la surface de contact du préhenseur ou même, adhérent à la pièce transportée. Une telle situation rendra les déplacements rapides relativement périlleux pour les équipements qui pourraient se trouver dans la trajectoire au cas où la pièce se détacherait du préhenseur.

UN CHOIX GUIDÉ PAR DES IMPÉRATIFS STRICTS

Evidemment, la taille des pièces à manipuler permet de dimensionner celle de la pince qui sera utilisée. Mais elle conditionne aussi la taille de la zone qu’il faut libérer autour de la pièce ainsi que le couple de serrage appliqué par le préhenseur. La forme de la pièce ajoute des contraintes supplémentaires à l’adaptabilité du préhenseur qui peut avoir à s’accommoder de courbes et d’angles mais aussi d’un centre de gravité plus ou moins déporté. Lors du calcul de la force de serrage, il faut tenir compte des obligations de maintien lors des accélérations opérationnelles mais aussi de ce que seront les nécessités lors d’un arrêt d’urgence. Un autre élément important qui ne doit en aucun cas être négligé est le poids transporté. Dans le choix d’un robot, il faut évidemment sélectionner une capacité de charge adapté qui tiendra compte à la fois du poids de la pièce la plus lourde susceptible d’être manipulée mais aussi et c’est une évidence parfois négligée – du poids du préhenseur choisi.