Capteurs de couple pour les cobots

Arthur Vignolles, responsable de l’ingénierie pour le développement des produits, TE Connectivity

Ricardo Garcia, Chef de produit – Capteurs de force et de couple, TE Connectivity

Au fur et à mesure que l’industrie 4.0 évolue, l’utilisation de robots sophistiqués, ainsi que de systèmes d’automatisation et de contrôle avancés, devient de plus en plus courante dans les applications industrielles, car les entreprises poursuivent leur objectif visant à accroître l’efficacité et la rentabilité de leurs activités. Les progrès de la technologie automatisée ont contribué au développement des robots collaboratifs. Les robots collaboratifs, ou cobots, sont des robots qui peuvent travailler aux côtés ou avec des humains. Ces cobots sont conçus pour interagir avec les travailleurs et les aider, plutôt que d’être des équipements automatisés autonomes avec peu ou pas d’interaction humaine. Dans le passé, cette interaction limitée était due à des problèmes de sécurité et au fait que les humains et les robots n’étaient pas en mesure de travailler ensemble efficacement.

Aujourd’hui, les cobots offrent une plus grande flexibilité sur le lieu de travail puisque les cages de protection ne sont plus nécessaires pour garantir la sécurité, et les cobots ont été développés pour travailler harmonieusement avec les humains. Ils peuvent effectuer des tâches avec les humains, que ni les humains ni les robots ne pourraient effectuer seuls. Cette flexibilité contribue également à accroître le retour sur investissement (ROI) grâce à une augmentation de la productivité et à la réduction des coûts de main-d’œuvre. Ces cobots peuvent également gérer des tâches complexes ou dangereuses que les humains ne peuvent pas accomplir ou ne peuvent pas effectuer en toute sécurité. Par exemple, les cobots peuvent effectuer des interventions chirurgicales avec un degré de précision et de stabilité qui dépasse les capacités du meilleur chirurgien. Côté sécurité, les cobots peuvent manipuler des matières toxiques et fonctionner dans des environnements qui ne conviennent pas aux humains. 

Des procédés de fabrication aux systèmes de conditionnement industriels, en passant par tout ce qui se trouve entre les deux, les cobots jouent un rôle important concernant l’augmentation de la productivité sur le lieu de travail. À mesure que les entreprises continuent de trouver de nouvelles façons d’intégrer les cobots et que les avantages de leur utilisation sont de mieux en mieux compris, cela se traduit par une énorme croissance de leur déploiement dans les usines et les sites de fabrication. Selon la Fédération internationale de robotique (IFR), 22 000 cobots ont été installés en 2020, soit une augmentation de 11 000 par rapport à 2017. De plus, les ventes mondiales de robots collaboratifs ont augmenté de plus de 25 % depuis 2018, même si le marché global des robots industriels a observé un ralentissement lié à la pandémie.  En termes de croissance avenir sur le marché chinois, les ventes de cobots devraient augmenter de 30 % au cours des 5 prochaines années. Avec cette augmentation de l’utilisation des cobots, l’accent a été mis sur les réglementations, permettant ainsi de valider qu’un environnement de travail est sûr et de protéger le personnel travaillant aux côtés de ces cobots.

Au fur et à mesure que les exigences de sécurité pour les cobots se développent et s’élargissent, des technologies permettant de surveiller et de contrôler les cobots sont intégrées dans ces machines. Un exemple de ce type de capteur est le capteur de couple qui surveille le couple mécanique dans divers points de rotation d’un cobot. Le capteur de couple est basé sur une cellule de charge MEM intégré capable de convertir le couple mécanique en un signal de sortie numérique proportionnel au couple appliqué. Ces capteurs de couple sont utilisés dans les cobots pour détecter les niveaux de couple suffisamment élevés qui pourraient potentiellement blesser un humain dans le cadre d’un travail en collaboration, ou qui pourraient endommager directement le cobot.

Le capteur de couple de sécurité de TE est constitué d’une flexion monobloc conçue pour traduire le couple de rotation en contrainte mécanique. Les jauges de déformation piézorésistives sont fixées aux zones de flexion et assemblées selon une configuration en pont de Wheatstone de sorte que la déformation mécanique puisse être convertie en sortie en type mV/V. Deux petits circuits imprimés abritent un ASIC et d’autres composants électriques. Le signal brut mV/V est compensé, amplifié et numérisé dans un format I2C et ces données sont disponibles sur le bus. En fonction de l’application, un seuil de couple peut être établi pour permettre au cobot de s’arrêter avant que des personnes ne soient blessés ou avant que le cobot lui-même ne subisse des dommages.

Les capteurs de couple de sécurité sont généralement intégrés dans les systèmes d’articulations du cobot. Ce sont des systèmes complets qui comprennent généralement un ou plusieurs capteurs angulaires, ainsi qu’un moteur et une boîte de vitesses. Le système d’articulation commande le mouvement de chaque bras du robot, tandis que le capteur est utilisé pour détecter le couple au sein du moteur et de la boîte de vitesses. Le niveau de couple est utilisé par le circuit de commande pour arrêter l’articulation afin d’éviter d’endommager le bras ou, en cas d’utilisation en collaboration, le travailleur correspondant.

La tendance à utiliser des capteurs de couple dans les cobots s’explique par les avantages qu’ils procurent au système. Les capteurs de couple permettent un temps de réponse plus rapide et une meilleure précision, ce qui rend les systèmes cobots plus sûrs et plus fiables, et contribuent à améliorer la sécurité des personnes. L’utilisation d’un capteur de couple dans chaque articulation du bras permet de détecter directement la force ou le couple externe exercé sur le bras, plutôt que de s’appuyer sur des calculs complexes dérivés des courants du moteur.  Cela permet un arrêt quasi instantané en cas de contact, et par conséquent autorise des mouvements plus rapides du bras dans les situations de collaboration où les forces exercées sur tout contact humain doivent être limitées. Le fonctionnement du cobot en mode compatible présente un autre avantage.  Une compatibilité « active » permet au bras d’être guidé à la main (programmation directe), ce qui simplifie le processus d’apprentissage des nouvelles tâches du cobot.  La détection directe du couple d’articulation permet un contrôle fluide et précis du mouvement du bras lorsqu’il est guidé. 

Les capteurs de couple de sécurité de TE ont été conçus pour fournir des données de couple précises tout en minimisant les erreurs de charge transversale (charge axiale, charge radiale et point de bascule) et peuvent servir de paroi d’étanchéité dans une boîte de vitesses. Pour se conformer aux exigences de sécurité opérationnelle jusqu’à la norme ISO13849 Catégorie 3 PL d, la conception est basée sur un système à double canal et comprend d’autres fonctionnalités pour détecter toute défaillance liée à la sécurité. Le capteur de couple de sécurité de TE joue un rôle primordial pour améliorer la sécurité et la fiabilité des cobots à mesure que ces machines continuent de faire évoluer l’industrie 4.0.