Dans tous les pays industrialisés, le nombre de robots construits augmente de 55% par an en moyenne, avec des pointes de 100% dans le secteur de l'assemblage. C'est que cette nouvelle main-d'oeuvre rend de nombreux services dans les industries manufacturières. Dotés de bras, de poignets, de mains, d'yeux ou de roulettes, les robots chargent et déchargent les marchandises, usinent, soudent, polissent, peignent et assemblent une multitude de pièces, inspectent les produits finis, les emballent et les évacuent...

La France occupe le quatrième rang mondial quant au nombre de robots industriels installés : 5.900 en 1985. Parmi eux, 1.400 sont des manipulateurs automatiques évolués, c'est-à-dire qu'ils comportent au moins trois axes de manipulation programmables, ou qu'ils sont capables d'analyser les modifications de l'environnement pour réagir en conséquence (1).

On estime que cinq cents chercheurs se consacrent à la robotique en France, dans les laboratoires publics et les entreprises. Nombre de leurs travaux s'inscrivent dans le cadre de programmes de recherche européens. Par ailleurs, la France et le Japon pilotent ensemble le programme international RAM, destiné à mettre au point des robots autonomes multiservices.

L'Institut de productique.

La Franche-Comté, où sont concentrées quantités d'industries manufacturières, joue pleinement son rôle dans le développement de la robotique française. Dès 1981, les spécialistes régionaux ont cherché à regrouper leurs moyens humains et matériels pour pouvoir répondre, de façon plus efficace, aux besoins de formation et d'information, d'innovation et de recherche exprimés par les entreprises. Quatre organismes ont travaillé sur la question : l'Agence nationale pour le développement de la productique appliquée à l'industrie (Adepa), le Centre technique des industries mécaniques (Cetim), l'Ecole nationale supérieure de mécanique et des microtechniques (ENSMM) et l'Université de Franche-Comté. En 1984, une convention entre ces partenaires fondait officiellement l'Institut de productique.

L'Etat, le Conseil régional, les quatre Conseils généraux, la Chambre de commerce et d'industrie du Doubs et la ville de Besançon ont soutenu le projet, en finançant l'acquisition d'une ancienne usine de 2.100 mètres carrés qui a été entièrement rénovée (coût total : 5 MF). Les équipements nécessaires ont été apportés par les organismes, financés sur des fonds propres, ou obtenus sur des contrats de recherche ou des dotations du ministère de la Recherche et du ministère de l'Education nationale.

Au début de l'année 1986, l'Institut de productique disposait de quatorze millions de francs d'équipements. Il serait par trop fastidieux d'en donner la liste ici. Signalons tout de même la présence d'un atelier expérimental, comprenant un robot de mesure tridimensionnelle, des robots industriels et pédagogiques. Le matériel informatique est lui aussi conséquent : mini et micro-ordinateurs, stations graphiques, logiciels de dessin, de fabrication et de gestion de production... Sans oublier, bien entendu, une impressionnante batterie de matériels d'automatismes allant des capteurs aux maquettes de processus industriels, en passant par les éléments de commande, les automates programmables et les systèmes informatiques d'aide à la conception d'automatismes.

L'Institut de productique rassemble aujourd'hui une cinquantaine de personnes qui, par leurs actions de formation, de recherche, d'innovation et de conseil, aident quotidiennement les industries manufacturières à améliorer leur compétitivité. Les effectifs sont répartis entre cinq départements, dont les noms suffisent à définir les différentes missions de l'Institut : formation initiale, formation continue, recherche finalisée, innovation technologique, action industrielle.

Dire que l'Institut de productique est ouvert sur l'entreprise relève quasiment du pléonasme. Parmi les quatre fondateurs, l'Adepa et le Cetim représentent directement l'industrie. Le conseil d'administration est composé de dix-huit membres, dont des industriels. La direction de l'Institut est assurée alternativement, pour deux ans, par un membre de l'Université et de l'Adepa. Enfin, l'Institut assure un rôle de correspondant pour la Franche-Comté de l'Association française de robotique industrielle (Afri) et procède à des expertises technico-économiques pour le compte de l'Anvar, du ministère de l'Industrie et de divers organismes de crédit.

Machine de mesure automatique multiprogrammes palettisable.

Mais, par-dessus tout, le mot d'ordre de l'Institut est de susciter des réalisations industrielles. Pour ce faire, tous les moyens sont mis en oeuvre. Y compris la présentation d'innovations issues d'autres régions aux industriels, experts et utilisateurs potentiels locaux. En janvier dernier, l'Institut de productique organisait une journée sur le thème « De l'idée au produit », au cours de laquelle était présentée une potence hydraulique adaptable sur chariot élévateur, mise au point par les établissements Labruche, implantés à Lillebonne (Seine-Maritime) et distribuée par la société Puma. Cette potence permet de transformer un chariot élévateur à fourches en une grue, sans avoir à démonter les fourches. Les potences manuelles habituellement employées nécessitent en effet un effort physique important pour leur adaptation. Leur mise en place et leur réglage exigent deux opérateurs, et le risque d'un accident au cours de ces opérations n'est pas exclu.

Cette journée de présentation était une « première ». Elle a permis aux établissements Labruche et à Puma de rencontrer des utilisateurs potentiels de ce matériel en Franche-Comté. Le lieutenant-colonel commandant la Place de Besançon, en particulier, a tout de suite vu l'intérêt d'une telle potence pour la réparation des moteurs de chars. Par ailleurs, l'expert technico-économique du dossier (M. Berget, du Cetim) et la délégation régionale de l'Anvar étaient présents tout au long de la journée pour guider et conseiller les industriels intéressés par des démarches similaires.

D'autres actions, plus classiques, sont entreprises par les partenaires (Adepa et Cetim) de l'Institut. L'organisation de journées d'information thématiques permet aux industriels de mieux connaître l'apport de la productique dans leurs secteurs d'activités. Les thèmes ne manquent pas : l'automatisation des scieries, l'amélioration des stockages intermédiaires (ou « transitique »), les automates programmables... L'Institut s'attache à présenter les dernières méthodes et techniques, comme la technologie de groupe assistée par ordinateur (TGAO). Venue principalement des Etats-Unis, cette nouvelle technique est actuellement testée par Renault, Peugeot, Thomson, la Snecma... Elle a pour but de répertorier l'ensemble des pièces et des produits fabriqués par une entreprise, évitant ainsi, comme cela arrive trop souvent dans les grands groupes industriels, de recréer des pièces déjà existantes.

Le conseil technico-économique est un mode d'intervention plus direct. Les spécialistes de l'Institut sont consultés pour mieux définir des projets d'automatisation que pour établir un cahier des charges ou évaluer les propositions transmises par les fournisseurs. Ils interviennent aussi pour améliorer la productivité d'équipement existants, qu'ils soient déjà automatisés ou non.

Les prestations d'assistance technique prolongent efficacement ce dispositif de conseil. L'assistance s'effectue dans l'entreprise même (faire démarrer une nouvelle installation) ou en laboratoire (simulation du fonctionnement d'une machine automatique). Parfois, la prestation est beaucoup plus importante. Ainsi, l'Institut de productique de Besançon a conçu et installé une application de CFAO intégrée pour le compte des Skis Lacroix, qui souhaitaient d'une part mieux concevoir leurs skis et, d'autre part, pouvoir fabriquer industriellement des skis sur mesure.

Le problème n'était pas mince. Un ski est un produit difficile à concevoir, du fait de ses nombreux composants. Il n'y en a pas moins d'une dizaine, de diverses natures : plastiques, aciers, résines, tissus... De plus, c'est un objet qui, par définition, est censé subir d'importantes contraintes mécaniques. Le savoir-faire des Skis Lacroix avait besoin du complément de la simulation numérique : le fait de pouvoir évaluer de façon précise le comportement futur d'un ski dès l'étape de sa conception représente un gain de temps et d'argent très appréciable. En tenant compte de ces spécificités, l'équipe « Logiciels pour la productique » de l'Institut a mis au point un logiciel de CFAO adapté à la production haut de gamme des Skis Lacroix.

Agréé au titre du 1% professionnel, l'Institut de productique de Besançon assure une mission de formation continue. Les stages proposés couvrent une palette assez large, allant de la commande numérique à la conception assistée par ordinateur. L'Institut peut également organiser des stages à la demande, dans l'entreprise même.

Il est étroitement impliqué, aussi, dans trois formations initiales supérieures : l'option automatisation et robitique de l'ENSMM, le DESS de productique appliquée et le DEA d'automatique, informatique et robotique de la faculté des sciences.

Les chercheurs

Les recherches menées par l'Institut sur les méthodes et les techniques de la productique s'appuient sur les travaux de deux unités associées au CNRS. La première est le Centre microsystèmes et robotique, qui regroupe le laboratoire d'automatique de l'ENSMM, le laboratoire d'intelligence artificielle de l'IUT de Belfort et le laboratoire d'informatique de la faculté des sciences de Besançon. La deuxième unité est représentée par l'équipe « mécanique et robotique » du laboratoire de mécanique de la faculté. En équivalent temps plein, le personne de recherche associé aux travaux de l'Institut de productique s'élève à trente personnes environ.

Les thèmes de recherche sont nombreux et variés : calcul parallèle, algorithmique, automates cellulaires, méthodologie de l'assemblage, systèmes flexibles, équilibre des robots, constituants et composants pour la robotique, architecture...

L'équipe « Logiciels pour la productique », par exemple, développe un ensemble d'outils logiciels baptisé LMAC, permettant de programmer « hors ligne » des robots ou des ensembles de machines. Jusqu'à présent, il n'existait aucun outil de programmation capable de spécifier une synchronisation entre les machines. LMAC comble ce vide, de même qu'il autorise la simulation du fonctionnement d'un système multi-machines et le test de validité des programmes. LMAC est un système modulaire « basé sur le concept de type abstrait ». En clair, cela signifie d'une part que l'on peut décomposer les problèmes en sous-problèmes, d'autre part que l'utilisateur peut définir lui-même de nouveaux types de langage et des opérations spécifiques à son application. Les chercheurs ont développé et implanté (implémenté, en langage informatique) cet outil logiciel sur différents équipements (IBM PC, SPS 7, PDP 11, VAX).

Du côté des collaborations industrielles, la même équipe « Logiciels pour la productique » ne chôme pas : études de robots pour Barras Provence, étude des aléas de la production de Technoption, analyse d'applications automatisées pour Renault Automation, implantation de LMAC à Sems Bull, interfaces entre logiciels de pilotage et ordonnanceur temps réel pour Thom'6 (filiale informatique de Thomson)...

Une compétence nationale dans le domaine de l'assemblage

Plate-forme d'assemblage.

Les technologies de l'assemblage sont un des grands points forts de l'Institut de productique. « La complémentarité des partenaires est remarquable dans ce domaine, explique Jean-Gabriel Schamelhout, délégué régional du Cetim pour la Franche-Comté et une des chevilles ouvrières de l'Institut. Nous avons, et c'est assez unique en France, des équipes qui oeuvrent déjà dans ce domaine spécifique de la productique qu'est l'assemblage. En recherche, formation, transfert et innovation, la compétence existe et nous participons déjà à de grands programmes (Ara, Famos, Eureka...). » Une des équipes s'attache à étudier la décomposition des tâches et l'établissement automatique de gammes d'assemblage en analysant, par exemple, le comportement des pièces les unes par rapport aux autres. C'est une étude méthodologique, soutenue par le groupe Peugeot entre autres, qui s'appuie sur un certain nombre de bases mathématiques, géométriques et algébriques. Il s'agit, au bout du compte, de fournir une aide à la programmation des systèmes d'assemblage et de simuler leur fonctionnement. Un logiciel interactif d'élaboration automatique de gammes d'assemblage est actuellement en cours de développement, certains modules étant déjà opérationnels.

Autre volet important : la conception d'équipements d'adaptation. Les préhenseurs des robots (leurs « mains ») doivent pouvoir s'adapter aux divers constituants de la pièce à assembler. Mais un léger défaut de positionnement de l'élément ne doit pas perturber le robot car la chaîne de montage s'arrêterait. Pour éviter ce problème, les chercheurs de l'Institut mettent au point des dispositifs qui permettent aux préhenseurs de se déplacer légèrement et, ainsi, de saisir correctement les pièces mal présentées.

L'Institut a également conçu un manipulateur pour matériaux textiles, pour lequel un brevet a été déposé par les établissements Weil. A partir de deux piles de tissus différents (le tissu apparent du vêtement d'un côté, la doublure de l'autre), ce manipulateur constitue une troisième pile mixte. Cette opération est très importante dans l'industrie de la confection. Elle intervient dès qu'il y a collage ou préparation à l'assemblage de tissus. Le robot de l'Institut est muni de deux bras, prolongés par des préhenseurs à aiguilles ou à aspiration, et d'un capteur de présence de tissu. Ce capteur lui permet de travailler avec toutes sortes de tissus diverses épaisseurs et, surtout, formant des piles de hauteur variable. Il ne nécessite donc pas, comme c'est le cas pour les manipulateurs de ce type existant sur le marché, l'emploi d'un mécanisme sophistiqué maintenant à un repère fixe le dessus de la pile.

L'équipe « Mécanique et robotique » a encore réalisé un manipulateur spatial à un degré de liberté. Cet automate est capable de décrire une trajectoire spatiale imposée avec seulement un degré de mobilité, au contraire des manipulateurs classiques qui nécessitent plusieurs éléments de commande pour décrire une courbe « gauche » (monter, avancer puis descendre pour aller saisir une pièce par-dessus un obstacle, par exemple). Il en résulte un gain important sur les masses en mouvement, les encombrements, les difficultés de commande et les coûts. Un premier prototype a été présenté lors de différents salons (Productique 84, Micronora 84, Inova 85, Midest 85) et la société Inadex de Besançon a déposé un brevet sur ce manipulateur.

Par la suite, la société horlogère Meyer et Grandgirard (Besançon) a demandé aux chercheurs un second automate de ce type, destiné à amener des fonds de boîtiers de montres à une machine-outil, puis à les évacuer dans un bac de récupération, après usinage, le tout devant s'accomplir dans un seul plan vertical. Le manipulateur est en service dans l'entreprise depuis plusieurs mois et donne entière satisfaction.

Parer aux pannes

En dépit de leurs nombreuses qualités, les robots ne sont pas infaillibles et leur sophistication peut, à l'usage, se révéler un point faible. Qu'il survienne un quelconque dysfonctionnement – cela arrive toujours un jour ou l'autre – et le robot a alors une fâcheuse tendance à décrire des mouvements désordonnés qui peuvent endommager des instruments et mécanismes délicats. Il faut donc prévoir sa neutralisation. De même, le maintien de l'équilibre d'un automatique est un facteur de sécurité essentiel. Généralement élancées et arborescentes, les structures robotisées sont soumises aux forces de la pesanteur. Ainsi, à l'intérieur même de son espace « professionnel », le robot subit d'importantes modifications de ses conditions de travail. De plus, une panne de courant peut suffire à le rendre « mou » : cela peut ne pas être trop grave dans le cas d'un petit manipulateur d'assemblage, mais quand il s'agit d'un robot capable de véhiculer plusieurs centaines de kilos, son affaissement peut devenir dramatique si, d'aventure, une personne se trouve dessous.

C'est la raison pour laquelle, soutenus par des contrats de la Dret (Direction des recherches, études et techniques de l'Armée) et de Midi-Robots, les chercheurs de l'Institut ont conçu des mécanismes d'équilibrage à ressorts qui, d'après les essais en laboratoire, pourraient constituer une solution d'avenir.

Trois autres contrats industriels, avec l'ex-Centre d'études et de recherches de la machine-outil (Cermo), la société AKR (robots de projection de peinture) et les établissements Sormel, portent sur les architectures de commande de multiprocesseurs. Les chercheurs développent notamment un système directeur de commandes pour machines numériques à très hautes performances, capable de garantir un positionnement au centimètre près sur une trajectoire parcourue à la vitesse de 60 mètres par seconde.

René-Luc Bénichou

(1) Statistiques 1986 de l'Association française de robotique industrielle.

Institut de Productique
15, impasse des Saint-Martin, ZI Trépillot, 25000 Besançon (France)
Tél : (16) 81 88 53 44

CETIM : (16) 81 53 72 22
ADEPA : (16) 81 50 41 63

Délégué général : Guy Maillard-Salin
Délégué adjoint : Alain Haurat
Délégué technique Adepa : Jean-Claude Grillier
Délégué régional Cetim : Jean-Gabriel Schamelhout