1.1 Contexte de la recherche
Avec les progrès rapides de la science et de la technologie,capacités intelligentesL'industrie intelligente continue de progresser, s'imposant comme une tendance majeure du développement industriel. À titre d'exemple, les données publiées par le ministère chinois de l'Industrie de l'Information montrent que la production intelligente en Chine a connu une croissance remarquable de 11,6 % en 2023, témoignant des efforts soutenus et de l'innovation technologique du pays dans ce domaine. Par ailleurs, le nombre d'innovations au sein des entreprises de production intelligente a considérablement augmenté, touchant des secteurs tels que la fabrication d'équipements de pointe, les matériaux avancés et les technologies environnementales, reflétant ainsi le dynamisme et la profonde transformation de l'industrie. Cette tendance a non seulement révolutionné les méthodes de production traditionnelles, mais a également accéléré la modernisation industrielle, améliorant à la fois l'efficacité et la qualité. De plus en plus, les lignes de production automatisées et les robots industriels remplacent la main-d'œuvre humaine.
Avec le développement deère de la fabrication intelligenteLes caractéristiques technologiques hautement automatisées et intelligentes des robots industriels répondent parfaitement aux exigences croissantes de l'industrie manufacturière en matière de précision, de facilité d'utilisation et de flexibilité des processus de production. Ceci a renforcé leur importance dans la fabrication, en faisant un moteur essentiel de la transformation et de la modernisation industrielles. Les robots collaboratifs – dispositifs industriels capables de collaboration machine-machine et homme-robot – sont devenus un axe de recherche majeur en robotique grâce à leur comportement autonome et leurs capacités de collaboration, les préparant ainsi à jouer un rôle prépondérant dans la robotique industrielle de demain. Dans le domaine des robots collaboratifs, les performances des servomoteurs – notamment la vitesse de réponse du couple, la précision du couple, la précision de positionnement, la consommation d'énergie et la stabilité thermique – déterminent directement l'efficacité, la stabilité et la précision des mouvements d'un robot. Véritable cœur des robots, les performances des systèmes d'asservissement ont un impact critique sur la précision et la fiabilité des mouvements. Les servomoteurs d'articulation jouent un rôle crucial dans la précision du positionnement. Un servomoteur d'articulation performant garantit un positionnement précis et un mouvement stable lors de tâches complexes, améliorant ainsi l'efficacité opérationnelle et minimisant les erreurs.
Le « 14e plan quinquennal pour le développement de l’industrie robotique » met l’accent sur l’avancement de la recherche sur les articulations robotiques intelligentes et intégrées, particulièrement adaptées aux robots collaboratifs. Leur conception hautement intégrée incorpore les actionneurs, les capteurs et les variateurs directement dans l’articulation, transformant chaque articulation en une unité de contrôle autonome. Grâce à l’optimisation de la structure et de l’agencement internes, l’architecture de contrôle distribuée réduit considérablement le nombre de câbles entre les différents niveaux du système, diminuant ainsi les coûts de maintenance et améliorant la fiabilité globale. La conception modulaire facilite également le remplacement et la maintenance des articulations, renforçant sensiblement la compétitivité des robots collaboratifs sur le marché.
Leconcept de robots collaboratifsIntroduits pour la première fois en 1996, les robots collaboratifs ont révolutionné la robotique traditionnelle en permettant la coordination des opérations entre robots et humains sur les lignes de production. Cette approche collaborative tire parti de l'efficacité et de la précision des robots tout en intégrant l'intelligence et la flexibilité humaines, améliorant ainsi l'efficacité et la fluidité opérationnelles. Comparés aux robots industriels conventionnels, les robots collaboratifs présentent des caractéristiques distinctes, s'imposant comme une sous-catégorie majeure de la robotique. Leurs structures physiques et leurs systèmes de contrôle ont subi des modifications importantes. Les robots industriels traditionnels, tels que les bras robotisés illustrés sur la figure 1, sont principalement utilisés pour la palettisation, la manutention, le soudage et la découpe laser. Bien que ces robots se caractérisent par une grande rigidité, une stabilité structurelle et une capacité de charge élevées, ils présentent également des limitations : taille et masse relativement importantes, inertie de mouvement significative, conception encombrante et peu flexible, et incapacité à réaliser des tâches d'assemblage complexes. De plus, leur inertie importante et leurs mouvements à grande vitesse engendrent des risques considérables pour la sécurité du personnel se trouvant dans leur zone d'opération, ce qui impose leur utilisation dans des espaces confinés.
Figure 1 Bras robotiques industriels traditionnels et robots collaboratifs
Les robots collaboratifs permettent une intervention simultanée avec les humains dans des espaces partagés et facilitent les interactions rapprochées au sein des zones de collaboration. Contrairement aux bras robotiques traditionnels, les robots collaboratifs supportent généralement une charge maximale de 20 kg à leur extrémité, avec une portée comparable à celle d'un bras humain. Leur structure est plus simple que celle des bras robotiques industriels conventionnels dotés de mécanismes de transmission complexes, tout en offrant un retour de force précis, une grande flexibilité et d'excellentes capacités de perception. Ces caractéristiques leur permettent d'ajuster dynamiquement la force lors des interactions humaines, évitant ainsi les blessures. Par conséquent, les robots collaboratifs peuvent collaborer en toute sécurité avec les humains pour accomplir des tâches sans nécessiter les barrières de sécurité traditionnelles.
Les robots collaboratifs interagissent directement avec les humains ; la sécurité est donc primordiale dans la collaboration homme-robot. Il est essentiel de contrôler rigoureusement la puissance et le couple de rotation, et de mettre en œuvre des mesures techniques telles que le contrôle du courant et du couple, des capteurs de contact et la détection des collisions afin de prévenir les blessures. Les systèmes de commande intelligents des robots nécessitent également une optimisation plus poussée pour une gestion de la sécurité optimale, permettant un contrôle adaptatif et fluide grâce à des calculs dynamiques et une modélisation basée sur un observateur.
Dans une étude récente, la Fédération internationale de robotique (IFR) a souligné que le développement futur des robots s'orientera principalement vers la simplicité, la facilité d'utilisation, la flexibilité et la collaboration sécurisée. Les robots industriels atteindront progressivement des niveaux d'automatisation et d'intelligence plus élevés ; leur conception intuitive réduira les obstacles opérationnels, permettant ainsi à un plus grand nombre d'entreprises d'exploiter facilement la robotique pour améliorer leur productivité. Parallèlement, des conceptions alliant flexibilité et collaboration sécurisée permettront aux robots de mieux s'adapter à des environnements de production divers et complexes, facilitant la collaboration homme-robot et contribuant au développement intelligent et efficace de la production industrielle.
Figure 2 : Zone de travail du robot collaboratif
1.2 Importance de la recherche
Sur le marché actuel de la robotique collaborative, les robots à sept degrés de liberté sont privilégiés pour leur large gamme de mouvements et leur flexibilité. Ces robots offrent des degrés de liberté redondants, ce qui accroît le potentiel d'automatisation industrielle et de fabrication intelligente. Chaque degré de liberté est obtenu grâce à une articulation robotique, facteur déterminant de la performance du robot. Les quatre principaux fabricants – FANUC, ABB, Yaskawa et KUKA – utilisent chacun des systèmes de transmission distincts dans leurs bras robotiques industriels traditionnels ; toutefois, ils emploient essentiellement des servomoteurs associés à des engrenages coniques, des engrenages droits ou des courroies synchrones pour transmettre la puissance aux articulations et assurer leur rotation. Ces méthodes de transmission limitent la taille des articulations robotiques. Si une haute précision est possible, la miniaturisation reste un défi. Comme illustré sur la figure 3, les robots industriels traditionnels nécessitent des armoires de commande externes abritant les servomoteurs, chaque moteur étant relié à l'armoire par de nombreux câbles, ce qui restreint la flexibilité de déploiement des systèmes de commande.
Figure 3 Robot industriel traditionnel et armoire de commande
Face à l'inadéquation des configurations articulaires traditionnelles des bras robotiques industriels aux exigences des robots collaboratifs, ces articulations abandonnent les mécanismes de transmission conventionnels au profit d'une nouvelle philosophie de conception. Cette approche vise à obtenir des systèmes légers, basse tension et hautement intégrés grâce à l'intégration du contrôleur, du servomoteur et du moteur au sein même de l'articulation, les connexions électriques sous-jacentes étant également réalisées en interne. Seules quelques interfaces de commande externes sont exposées, simplifiant ainsi le câblage et réduisant la complexité d'ingénierie. Ce type de conception est appelé articulation intégrée.
Compte tenu des besoins et tendances actuels en matière d'articulations pour robots collaboratifs, la conception d'une articulation intégrée légère, basse tension, hautement intégrée et performante est cruciale. Cette articulation intègre tous les composants essentiels à son mouvement (actionneurs, contrôleurs, pilotes et capteurs) et peut fonctionner de manière autonome. Connectée au contrôleur principal ou à d'autres modules via des bus d'alimentation et de contrôle simples, cette conception à la fois très cohérente et peu couplée améliore considérablement l'évolutivité des robots collaboratifs. L'utilisation de cette articulation modulaire intégrée, associée à des bras robotiques et des effecteurs terminaux de taille appropriée, permet d'assembler facilement des robots collaboratifs adaptés à diverses exigences.
Figure 4 Schéma de l'assemblage modulaire
La recherche sur les articulations intégrées pour robots collaboratifs et leurs systèmes de servocommande revêt une importance capitale pour le développement de la robotique collaborative. Les technologies clés de ces articulations intégrées reposent sur deux composants essentiels : les réducteurs harmoniques et les systèmes de commande des moteurs d'articulation, ainsi que leurs algorithmes de commande respectifs. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. axe ses recherches sur les systèmes de commande des moteurs d'articulation pour robots collaboratifs, en menant des études approfondies sur les mécanismes de commande et d'entraînement des moteurs d'articulation. L'entreprise développe une gamme de moteurs d'articulation intégrés hautement intelligents pour robots, offrant des capacités de commande plus flexibles et fiables pour les articulations des robots collaboratifs. Ces produits intègrent des fonctionnalités essentielles telles que l'auto-perception, la prise de décision intelligente, une exécution précise et un contrôle de haute précision, répondant ainsi aux exigences du développement d'équipements intelligents.
2 État actuel de la recherche au niveau national et international
En 1956, le physicien américain Joe Engelberger et l'inventeur George Devol fondèrent une société de robotique nommée Unimation, qui développa avec succès le premier robot industriel au monde, l'Unimate, en 1959.
General Motors a déployé pour la première fois des robots dans sa production industrielle, au sein de son usine du New Jersey, en 1961. En 1969, le Japon a introduit des robots d'Unimation, puis a concédé des licences pour sa technologie à Kawasaki Heavy Industries et à la société britannique KUKAI Corporation, respectivement pour la fabrication de robots au Japon et au Royaume-Uni. Avec le développement de l'industrie automobile japonaise, un nombre croissant de robots ont remplacé la main-d'œuvre humaine dans la production, démontrant pleinement leur intérêt pratique. Par conséquent, le Japon a accordé une importance croissante au développement de la robotique industrielle. De Kawasaki Heavy Industries, pionnière dans l'adoption de cette technologie, à l'émergence d'entreprises de robotique de renommée mondiale telles que FANUC et Yaskawa, le Japon est devenu l'un des pays maîtrisant les technologies robotiques de pointe à l'échelle mondiale.
En 1973, la société allemande KUKA modifia le robot Unimate pour créer le Famulus, premier robot à six degrés de liberté, alimenté par un moteur électrique. En 1974, ASEA (ancêtre d'ABB), entreprise suédoise d'électronique générale, développa l'IRB 6, premier robot entièrement électrique au monde, contrôlé par un microprocesseur, améliorant considérablement l'intelligence robotique. En 1978, la société américaine Unimation déploya à grande échelle son robot industriel PUMA sur les chaînes de montage de General Motors, démontrant ainsi la praticité et la valeur des robots industriels et marquant la pleine maturité de la technologie robotique industrielle, jetant les bases des progrès technologiques ultérieurs.
Au cours des quatre dernières décennies de développement de la robotique industrielle, les progrès technologiques ont été constants. Cependant, pour des raisons de sécurité, les robots sont généralement fixés à des postes de travail spécifiques et isolés par des garde-corps, ce qui les empêche de travailler aux côtés des humains dans le même espace. Cette configuration traditionnelle limite la collaboration homme-robot, rendant difficile la mise en place d'opérations coopératives véritablement efficaces. Malgré de nombreuses tentatives et recherches, parvenir à une collaboration homme-robot sûre demeure un défi majeur dans le domaine de la robotique industrielle.
Ce n'est qu'en 2005 qu'un important projet financé par l'UE a introduit le concept de robots collaboratifs. Cette initiative a réuni des entreprises leaders en robotique industrielle telles qu'ABB, KUKA, Reis, Comau et Gudel afin de développer conjointement un robot abordable, compact et flexible, spécialement conçu pour les petites et moyennes entreprises, dans le but de réduire leur dépendance à la sous-traitance de main-d'œuvre. Ce projet a mis en lumière le potentiel de la collaboration homme-robot, jetant ainsi les bases du concept de robots collaboratifs.
Les premiers robots collaboratifs étaient principalement des modifications et des applications de robots industriels traditionnels, sans que leur philosophie de conception ni leurs modes de fonctionnement n'en soient fondamentalement modifiés. Depuis sa création en 2005, Universal Robots se consacre au développement de robots collaboratifs capables de travailler en toute sécurité aux côtés des opérateurs humains. En 2009, l'entreprise a lancé l'UR5, le premier robot collaboratif au monde, marquant ainsi le début de cette ère. Par la suite, Rethink a introduit le robot à deux bras Baxter et le nouveau robot à un seul bras Sawyer, contribuant progressivement à faire de la robotique collaborative une discipline reconnue et acceptée au sein de la robotique industrielle. Cette avancée a ouvert de nouvelles perspectives et orientations pour l'automatisation industrielle et le développement intelligent de demain.
Figure 5 : Robot UR5 et robot Sawyer Baxter
La société Siasun Robot, affiliée à l'Institut d'automatisation de Shenyang de l'Académie chinoise des sciences, a présenté pour la première fois un robot collaboratif flexible à sept axes, représentant le niveau technologique avancé de la Chine, lors de l'Exposition industrielle de novembre 2015. Depuis lors, de nombreux modèles de robots collaboratifs nationaux tels que Luoshi et Aobo ont progressivement gagné en notoriété.
Concernant les articulations robotiques, la principale différence entre celles des robots collaboratifs et celles des robots industriels lourds traditionnels réside dans leur flexibilité. Cette flexibilité se traduit par une rigidité mécanique moindre, une inertie réduite et la capacité de détecter le couple. Actuellement, la flexibilité articulaire des bras robotiques collaboratifs repose essentiellement sur un contrôle précis de la position et du couple.
Figure 6 Structure typique de l'articulation intégrée dans les robots collaboratifs
Un aperçu des recherches actuelles révèle que le développement de la robotique en Chine a débuté plus tardivement que celui de pays comme les États-Unis et le Japon. La recherche sur les robots collaboratifs accuse encore un retard important par rapport aux produits internationaux existants, les principaux obstacles résidant dans les réducteurs harmoniques et les systèmes de commande des moteurs d'articulation. Les robots collaboratifs chinois présentent actuellement une marge de progression considérable en matière de contrôle des articulations, notamment en termes de précision et d'intelligence. Par ailleurs, les tendances mondiales de la recherche en robotique indiquent que la sécurité, la flexibilité et l'intelligence sont des caractéristiques dominantes du progrès technologique. Les articulations des robots évoluent vers des systèmes de commande hautement intégrés et une intelligence accrue. Bien que les articulations des robots collaboratifs soient passées d'une commande centralisée traditionnelle à des architectures de commande distribuées, elles n'exécutent actuellement que des actions motorisées, sans capacités de perception autonome, de prise de décision intelligente ni d'exécution précise, ce qui se traduit par des niveaux d'intelligence relativement faibles. Le potentiel de croissance de la demande en systèmes robotiques intelligents demeure important.
Date de publication : 22 mai 2026
