L’avenir de la production : un prototype de robot autonome

L’encliquetage se fait entendre quand la main place la pièce sur le rail profilé. La main se retire, saisit une nouvelle pièce et la passe à l’autre main, qui la place à son tour sur le rail au terme d’une séquence de mouvements précis. Des spectateurs fascinés observent la scène avec attention.

Car ces « mains » ne sont pas celles d’un opérateur. Ce sont les préhenseurs montés au bout des deux bras d’un robot. La scène se déroule dans le laboratoire de Siemens Corporate Technology (CT), le département chargé de l’innovation au sein de l’entreprise, implanté sur le site de Munich-Perlach. Le robot monte des pièces pour fabriquer une armoire électrique. Il s’agit d’un prototype de démonstration : il préfigure l’avenir de la production, un avenir où des installations industrielles seront commandées de manière entièrement autonome.

Dans une certaine mesure, ces principes s’appliquent déjà à la production de masse, comme en témoigne notamment l’usine Siemens située à Amberg (Allemagne). Le site fait figure de pionnier. Automatisée à 75 %, l’usine produit des automates programmables Simatic avec un niveau de qualité de 99,99885 %. Des automates y sont fabriqués en grandes séries. Chaque année, 12 millions d’automates Simatic sont livrés à plus de 60 000 clients dans le monde. Pour la production en grandes séries, l’automatisation avancée est déjà une réalité concrète.

En revanche, la situation est tout autre pour la production en petites séries. Pourtant, de nos jours, de nombreux industriels doivent pouvoir fabriquer de multiples variantes d’un même produit pour répondre à une demande toujours croissante de versions personnalisées. Les solutions techniques actuelles ne permettent pas de produire des petites séries de manière rentable avec les systèmes d’automatisation classiques. La demande de personnalisation peut même aller jusqu’à la fabrication d’une série en lot de taille 1 (fabrication à la pièce).

L’équipe Corporate Technology dirigée par Kai Wurm et Georg von Wichert, spécialisée dans les systèmes autonomes, s’est attelée à la tâche. « Notre prototype de robot intelligent à deux bras démontre que l’objectif n’est pas inaccessible », déclare Kai Wurm. « À l’avenir, il ne sera plus nécessaire de prévoir une étape longue et coûteuse de programmation et de produire des pages de code pour permettre aux robots d’effectuer une séquence de mouvements et d’actions pour assembler des pièces. Il suffira de définir la tâche à accomplir pour que le système traduise automatiquement les spécifications en programme. »

« Le technicien dit simplement au robot de monter la pièce sur le profilé symétrique, et le robot exécute l’instruction », poursuit Kai Wurm. Ce mode de fonctionnement répond précisément aux impératifs de la production d’une série en lot de taille 1 : fabriquer ou assembler un produit dans un grand nombre de variantes. Pour cela, le robot collecte les données nécessaires à la fabrication du produit dans un modèle logiciel. Ce modèle ne contient pas des instructions écrites dans un langage illisible pour les robots classiques, mais intègre le jumeau numérique du produit conçu avec des outils de CFAO (Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur). Le prototype de robot est capable de comprendre les données du jumeau numérique et d’exécuter des instructions pour fabriquer la pièce voulue. D’une certaine manière, le robot est donc doté d’une capacité à comprendre des « langues étrangères » afin de pouvoir exécuter des mouvements et des opérations sans avoir été préprogrammé par un opérateur.

À partir du schéma de conception, le robot décompose le procédé de fabrication en une séquence d’opérations successives. La commande « assemble », qui assure l’assemblage du produit, comporte plusieurs tâches distinctes : la préhension (« pick » - saisir une pièce) et la dépose de la pièce (« hand over » - transférer la pièce). Le robot détermine l’ordonnancement des mouvements pour les bras et les préhenseurs. Par ailleurs, il décide de manière autonome de la répartition des tâches à accomplir par chacun des deux bras. Pour cela, les développeurs ont doté le prototype d’une fonctionnalité lui permettant d’extraire du logiciel de développement du produit des informations au niveau sémantique.

« Les pièces et les données sur le procédé de fabrication sont converties en modèles ontologiques et en graphes de connaissance (knowledge graphs) », explique Kai Wurm. « Cela permet de reformuler de manière explicite des informations implicites. Jusqu’à présent, pour fixer une pièce X sur un rail Y, il fallait enseigner aux robots sous forme de code des informations que les programmeurs ont acquis par expérience. Avec notre prototype, le système est capable d’analyser le problème de manière autonome et de trouver une solution appropriée. »

Dans le cas du prototype de démonstration, ce processus est illustré de manière synoptique sur un écran situé à droite des bras robotiques. L’écran affiche deux colonnes de tuiles colorées sur lesquelles figurent des mots tels que « assemble » (colonne de gauche) ou « pick » (colonne de droite). Progressivement, ces tuiles glissent vers le haut de l’écran, à la manière du défilement d’un site Internet. Elles représentent les différentes étapes de l’assemblage. Sur l’écran de gauche, le prototype de démonstration affiche les informations que les bras robotiques reçoivent au début du processus : une modélisation en 3D de l’espace de travail, où les objets et les bras sont repérés dans l’espace. Au-dessus du prototype, deux écrans supplémentaires diffusent la vidéo capturée par les caméras intégrées aux bras robotiques.

Le prototype de Siemens Corporate Technologies peut également corriger les erreurs sans qu’il soit nécessaire de lui enseigner au préalable cette possibilité. Si une pièce lui échappe, par exemple, l’un des bras peut localiser et ramasser la pièce, à condition que la pièce soit dans le champ de vision de sa caméra. Le système adapte ensuite l’ensemble des mouvements ultérieurs afin d’assurer le bon déroulement de l’assemblage. Et si la pièce doit être mise en place de l’autre côté de l’espace de travail, elle est transférée à l’autre bras robotique.

Dotées d’une super-intelligence, ces machines sont développées dans le cadre d’un programme Company Core Technology (CCT) appelé Future of Automation. Avec les programmes CCT, Siemens concentre ses efforts de recherche dans des domaines d’innovation porteurs tels que les jumeaux numériques, l’intelligence artificielle, et la fabrication additive.

Bien entendu, le champ d’application de cette technologie ne se limite pas à l’assemblage d’armoires électriques. Pour les chercheurs du CT, l’objectif est de parvenir à concevoir des sites de production entiers dotés de fonctions d’organisation autonome : des usines capables de s’adapter de manière autonome à des critères de production évolutifs, d’optimiser en continu leurs processus, et où les robots qui y travaillent peuvent s’aider mutuellement. Au final, il s’agit de réaliser tout le potentiel du nouveau prototype. Un système capable d’alimenter son propre développement de données de conception, de corriger les erreurs et de calculer les mouvements et les opérations par lui-même constituerait une formidable avancée pour les sites de production. « Nous ne sommes pas les seuls à essayer de résoudre ce problème. Mais pour l’heure, notre prototype n’a pas d’égal sur le marché », déclare Kai Wurm.

2017-12-11

Sandra Zistl