L'évolution et l'avenir de la robotique dans la fabrication

Les tâches industrielles consistent souvent à répéter les mêmes actions physiques, comme soulever et assembler des pièces lourdes. Ce type de tâche manuelle peut comporter des risques. En 2023, on a dénombré 5 283 fatal work injuries rien qu'aux États-Unis.

Cependant, grâce à l'utilisation croissante des robots industriels intelligents et de technologies telles que l'intelligence artificielle (IA) et la computer vision, nombre de ces tâches à haut risque sont désormais confiées à des machines. Les robots de fabrication sont aujourd'hui capables de soulever des matériaux lourds, d'inspecter les équipements à la recherche d'anomalies et de travailler aux côtés des humains pour améliorer la sécurité et l'efficacité dans l'atelier.

Dans cet article, nous examinerons comment les robots industriels transforment le fonctionnement des usines et contribuent à créer des lieux de travail plus sûrs et plus productifs. Commençons !

Que sont les robots industriels ?#

Les robots industriels sont des machines intelligentes conçues spécifiquement pour assister les tâches de manufacturing. En particulier, les robots de fabrication sont généralement construits soit pour soulever des composants lourds, tels que des pièces de voitures ou d'avions, soit pour exécuter très rapidement de petites tâches minutieuses, comme l'assemblage de circuits électroniques ou l'emballage de produits.

Contrairement aux robots humanoïdes que l'on voit souvent dans les films de science-fiction comme Terminator ou I, Robot, les robots industriels sont généralement stationnaires et dotés d'un seul bras robotique. En règle générale, ce bras robotique peut se déplacer dans plusieurs directions et être programmé pour différents travaux de fabrication, tels que le soudage, l'assemblage ou le déplacement de matériaux.

Les robots industriels excellent dans l'exécution rapide et précise de travaux répétitifs sans avoir besoin de pauses, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les usines et les entrepôts. Par conséquent, plus de 4 million robots sont utilisés dans les usines du monde entier.

Types de robots industriels#

Les robots dans les usines deviennent de plus en plus courants et prennent en charge une large gamme de tâches. Voici quelques différents types de robots industriels et comment ils sont utilisés pour rendre le travail en usine plus efficace et plus sûr :

• Robots cartésiens : Également connus sous le nom de robots à portique, ces robots se déplacent le long de lignes droites en utilisant trois joints coulissants sur les axes X, Y et Z. Leur conception simple permet une grande précision, ce qui les rend idéaux pour les tâches de fabrication et d'automatisation.

• Robots articulés : Ces robots à bras articulés imitent le mouvement d'un bras humain à l'aide de multiples joints rotatifs. Ils offrent une flexibilité, une large amplitude de mouvement et sont couramment utilisés dans l'assemblage, la peinture et l'emballage.

• Robots delta : Dotés de trois bras légers reliés à une base triangulaire, les robots delta sont conçus pour la vitesse et l'agilité. Ils sont bien adaptés aux opérations de prélèvement et de placement à grande vitesse, en particulier dans l'industrie de l'emballage.

• Robots polaires : Parmi les premiers types de robots industriels, les robots polaires utilisent une combinaison de joints rotatifs et linéaires pour offrir une gamme de mouvements sphériques. Ils sont utiles pour les tâches qui nécessitent une portée large et multidirectionnelle.

• Robots SCARA : Abréviation de Selective Compliance Assembly Robot Arm, les robots SCARA utilisent deux joints rotatifs et un joint linéaire. Ils sont idéaux pour les tâches nécessitant des mouvements horizontaux et verticaux rapides et précis, comme l'assemblage électronique et la transformation alimentaire.

Histoire de la robotique dans le secteur manufacturier#

Avant de nous plonger dans des exemples spécifiques de la façon dont les robots industriels font la différence, examinons l'évolution des robots dans la fabrication et comprenons mieux comment la robotique industrielle a changé au fil des ans :

• Fabrication précoce (ère pré-robotique) : Avant la robotique, la fabrication reposait entièrement sur le travail manuel et des outils de base. La révolution industrielle a introduit la vapeur, les machines et les chaînes de montage, ce qui a stimulé la productivité mais a laissé de nombreuses tâches répétitives, dangereuses ou exigeantes en main-d'œuvre.

• Introduction des robots industriels (années 1950 - 1980) : En 1954, George Devol a inventé Unimate, le premier robot programmable. En 1961, General Motors l'avait déployé pour le moulage sous pression et le soudage, et il est devenu le premier robot industriel en service. Cela a marqué un tournant majeur, automatisant les tâches dangereuses et répétitives, en particulier dans la construction automobile.

• Expansion et raffinement (années 1990 - 2000) : Les robots sont devenus plus rapides, plus précis et plus abordables. Leur utilisation s'est étendue à des secteurs comme l'électronique, l'industrie pharmaceutique et la transformation alimentaire. L'automatisation flexible a permis aux robots de gérer plusieurs tâches avec un minimum de reprogrammation.

• Essor des robots collaboratifs (années 2010 à aujourd'hui) : Les robots collaboratifs, ou cobots, ont fait leur apparition pour travailler en toute sécurité aux côtés des humains. Grâce à des capteurs intégrés, à l'IA et à des camera systems, ils peuvent s'adapter à leur environnement et participer à des tâches complexes ou délicates.

Fig 1. Le robot Unimate de George Devol. (Source)

À l'avenir, il est probable que les robots industriels deviennent encore plus intelligents et adaptables. Les chercheurs et les ingénieurs travaillent activement sur des technologies qui permettent aux robots d'apprendre, de s'ajuster à de nouvelles situations et de collaborer plus étroitement avec les personnes de manière solidaire et dynamique.

Exemples de robotique industrielle#

Ensuite, nous explorerons des exemples concrets de robots dans la fabrication et la manière dont ils sont utilisés sur le site de production.

Robots industriels dans la fabrication aéronautique#

La Aircraft manufacturing implique des processus complexes et délicats, en particulier pour les grands avions comme le Boeing 777. Par exemple, l'assemblage d'un seul 777 nécessite plus de 60 000 rivets. Auparavant, cette tâche mobilisait deux ouvriers : l'un pour actionner le pistolet à rivets et l'autre pour tenir une barre en acier derrière le panneau afin de fixer l'élément.

Ces types de tâches peuvent être physiquement exigeants et entraîner des blessures aux bras, au dos et aux épaules. De plus, la précision est critique dans la fabrication aéronautique et il n'y a que peu de marge d'erreur.

Pour optimiser ce type de flux de travail, Boeing a adopté des robots industriels. Dans son usine de 777 à Everett, dans l'État de Washington, l'entreprise a introduit le système Fuselage Automated Upright Build (FAUB), un processus d'assemblage robotisé conçu pour automatiser le perçage et le rivetage des sections de fuselage.

Fig 2. Des robots FAUB travaillant sur le fuselage d'un avion Boeing. (Source)

Une fois programmés, ces robots peuvent percer des dizaines de milliers de trous parfaits pour les rivets. Contrairement à l'ancienne installation avec des plates-formes fixes, les robots FAUB sont mobiles et peuvent se déplacer le long des chaînes de montage sur des véhicules guidés. Une fois que les ouvriers ont positionné les panneaux du fuselage, les robots prennent le relais pour le perçage et le rivetage, augmentant ainsi la vitesse et la précision. Cette approche s'inscrit dans les récents développements de l'industrie de la robotique, qui continue de privilégier des solutions plus intelligentes, plus sûres et plus efficaces dans la fabrication.

Fabrication alimentaire rendue possible par les robots industriels#

Les robots de fabrication sont également largement adoptés dans l'industrie food industry. Dans l'usine Nestlé en Allemagne, par exemple, la baby food production est gérée par une ligne d'emballage entièrement automatisée. Les robots s'occupent de tâches telles que le transfert de plateaux de nourriture remplis et scellés dans des caisses de stérilisation, puis dans des emballages destinés à l'expédition. L'ensemble des opérations gagne ainsi en rapidité, en sécurité et en fiabilité.

Nestlé utilise également des robots mobiles comme Boston Dynamics' Spot pour surveiller les problèmes de maintenance dans ses installations. Contrairement aux capteurs fixes traditionnels qui ne peuvent détecter des anomalies que dans des zones spécifiques, Spot peut se déplacer librement dans toute l'usine. Ce concept d'automatisation mobile et flexible est une tendance forte dans l'industrie de la robotique.

Spot peut monter des escaliers, naviguer dans des espaces restreints et gérer des sols inégaux. Il est équipé de capteurs spéciaux qui l'aident à vérifier les machines d'usine telles que les moteurs et les compresseurs pour détecter la chaleur, le bruit ou d'autres signes avant-coureurs. Spot peut également identifier facilement les problèmes tôt, ce qui permet de les résoudre avant qu'ils ne deviennent graves.

Fig 3. Spot, un robot industriel, inspectant une usine de transformation alimentaire. (Source)

Fabrication de voitures avec l'aide de robots industriels#

Les robots industriels ont toujours joué un rôle clé dans l'industrie automobile. En effet, 33 % de l'ensemble des industrial robot installations aux États-Unis concernent le secteur automobile.

Un exemple intéressant est l'usine BMW de Spartanburg en 2013. Dans cette installation, les humains et les robots travaillaient côte à côte sur la ligne d'assemblage des portes sans barrières de sécurité, ce qui en fait la première installation BMW à utiliser ce type de collaboration directe homme-robot dans la production régulière.

Quatre robots étaient utilisés pour installer l'isolation phonique et contre l'humidité à l'intérieur des portières des modèles BMW X3. Les ouvriers positionnaient d'abord légèrement le film adhésif, puis les robots prenaient le relais, utilisant des têtes de rouleaux pour terminer le travail avec une grande précision.

Le système était entièrement automatisé et pouvait mesurer la pression exacte appliquée pendant le processus, permettant une surveillance constante de la qualité. Si le travail du robot était interrompu, un opérateur humain pouvait facilement intervenir et terminer la tâche manuellement, maintenant la production sans retard.

Fig 4. Des robots travaillant aux côtés d'employés dans une usine de fabrication automobile. (Source)

Avantages de la robotique dans le secteur manufacturier#

Ensuite, examinons de plus près certains des principaux avantages de l'utilisation des robots dans la fabrication.

• Précision et exactitude : Les robots industriels offrent des niveaux élevés de précision et de vitesse. Certains sont capables d'effectuer des tâches avec une précision au micron près.

• Fiabilité : Avec des durées de vie atteignant jusqu'à 100 000 heures sans panne, les robots industriels peuvent fonctionner pendant de longues périodes sans interruption.

• Sécurité renforcée sur le lieu de travail : Les robots prennent également en charge les tâches dangereuses, telles que le travail en espace confiné ou à proximité de matières dangereuses, contribuant à réduire de 35 % le nombre de workdays lost en raison de blessures.

• Boost de productivité : Contrairement aux humains, les robots n'ont pas besoin de pauses, de jours de congé ou de repos. Ils peuvent travailler 24h/24, ce qui peut augmenter considérablement la productivité.

• Rapport coût-efficacité : Bien que l'achat et l'installation de ces robots puissent être coûteux au départ, ils génèrent des économies importantes au fil du temps. Ils réduisent les coûts de main-d'œuvre, diminuent les erreurs potentielles et réduisent les dépenses liées aux blessures.

• Évolutivité : Une fois les robots configurés, les fabricants peuvent augmenter la production plus facilement sans avoir besoin d'embaucher des travailleurs supplémentaires ou d'apporter des modifications majeures. Cela signifie que les fabricants peuvent réagir rapidement à la demande croissante et rester flexibles dans un marché en évolution.

Défis et limites de la robotique dans la fabrication#

Bien que les robots industriels offrent de nombreux avantages, ils présentent également quelques défis, notamment en matière d'expertise et de maintenance. Ces robots dans les usines nécessitent des professionnels qualifiés pour les programmer, les utiliser et les entretenir.

Même si de nombreux robots utilisés aujourd'hui dans l'industrie intègrent l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique, ils nécessitent toujours un entretien régulier pour éviter les pannes. Si une équipe de fabricants ne dispose pas déjà de ces connaissances, la formation du personnel peut être à la fois coûteuse et chronophage.

Il est intéressant de noter que la solution à ces défis réside également dans la vision par IA, plus précisément dans la computer vision, une branche de l'IA axée sur la compréhension des données visuelles. Par exemple, des modèles de computer vision comme Ultralytics YOLO11 peuvent être entraînés pour détecter et suivre des robots industriels. Les informations issues du suivi de ces robots par YOLO11 permettent de repérer les problèmes en amont (ce que l'on appelle la maintenance prédictive). Cela réduit le besoin de supervision experte et limite les pannes imprévues.

Au-delà de cela, la vision par ordinateur peut également soutenir la création de jumeaux numériques en temps réel. Les jumeaux numériques sont des modèles virtuels de machines et de robots physiques, construits à l'aide de données visuelles collectées dans l'environnement de fabrication.

Les jumeaux numériques permettent aux fabricants de surveiller l'équipement en temps réel, d'identifier les problèmes avant qu'ils ne causent des perturbations et de tester les améliorations de processus sans interrompre la production réelle. Cette technologie favorise une performance plus constante, améliore la prise de décision et réduit les temps d'arrêt coûteux.

Technologies d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique#

En évoquant les défis liés à l'utilisation des robots industriels, nous avons vu que nombre d'entre eux sont désormais propulsés par l'IA et le machine learning. Mais comment cela fonctionne-t-il concrètement, et quel est le AI’s role in robotics ?

Les robots industriels traditionnels sont limités à des tâches fixes et répétitives. Ils suivent des instructions préprogrammées et ne peuvent pas facilement s'adapter aux changements sur la ligne de production. Cela les rend moins efficaces dans des environnements où la flexibilité, la vitesse et la précision sont essentielles.

Sans l'IA, les robots ne peuvent pas détecter les défauts des produits en temps réel ni s'adapter aux légères variations des matériaux ou du positionnement, ce qui entraîne souvent des processus plus lents, davantage d'erreurs et des temps d'arrêt accrus. L'AI in manufacturing permet aux robots d'aller au-delà de tâches simples et préprogrammées.

Plus précisément, grâce au machine learning appliqué à la fabrication, les robots peuvent analyser les données de leur environnement, reconnaître des motifs et améliorer leurs performances au fil du temps. Par exemple, un vision-enabled robot peut identifier différents objets sur une chaîne de montage, ajuster ses mouvements en fonction de ce qu'il perçoit et même détecter des défauts ou des anomalies en temps réel. En arrière-plan, la computer vision constitue le moteur de cette innovation.

Généralement, un robot doté de la vision est équipé de l'infrastructure matérielle nécessaire pour exécuter des modèles de computer vision tels qu'Ultralytics YOLO11. Lorsqu'il est couplé à des caméras et à la computer vision, un robot acquiert les capacités du modèle sous-jacent. Dans le cas de YOLO11, cela signifie qu'un robot peut réaliser des computer vision tasks telles que la détection d'objets, le suivi et la segmentation.

L'impact de l'Internet des objets (IoT)#

D'autres concepts sont étroitement liés aux robots industriels : l'IoT dans la fabrication et l'edge computing. L'IoT désigne un réseau d'appareils connectés qui collectent et partagent des données (principalement via Internet). D'un autre côté, l'edge computing traite les données directement à la source, comme un robot ou un capteur, sans avoir à les envoyer d'abord vers un serveur central.

Lorsque les appareils de l'IIoT collectent de grandes quantités de données, l'envoi vers un système central sur le cloud pour analyse peut entraîner des retards (appelés latence) et ralentir les choses. Mais en utilisant l'edge computing conjointement avec l'IoT, les fabricants peuvent traiter les données instantanément, ce qui permet d'obtenir des réponses en temps réel et d'optimiser l'automatisation.

Un exemple concret de la synergie entre l'IA et l'IoT dans la fabrication est la maintenance prédictive. Dans les smart factories, l'un des principaux objectifs de l'Industrie 4.0 est d'anticiper les pannes d'équipement avant qu'elles ne surviennent.

Pour y parvenir, les appareils IIoT doivent rester pleinement fonctionnels et fiables. En combinant l'edge computing, l'IA et la vision par ordinateur, ces appareils peuvent surveiller en permanence leur propre état, détecter quand une maintenance ou une recharge est nécessaire et déclencher automatiquement les actions requises. Cela permet aux machines de fonctionner sans problème, réduit les temps d'arrêt imprévus et améliore l'efficacité globale.

Comment l'automatisation et la robotique améliorent l'efficacité de la fabrication#

Maintenant que nous comprenons mieux les technologies telles que l'IA, la vision par ordinateur, l'IoT et l'edge computing, explorons comment elles peuvent fonctionner ensemble pour rendre l'automatisation de la fabrication plus efficace.

L'objectif principal de l'automatisation est de rationaliser les processus pour les rendre plus rapides, plus fiables et moins sujets à l'erreur humaine. Prenons par exemple une usine qui assemble de l'électronique grand public, telle que des smartphones. Les Vision-enabled robotic arms peuvent gérer la tâche délicate qui consiste à placer de minuscules composants sur des cartes de circuits imprimés avec précision.

Parallèlement, les systèmes de vision alimentés par l'IA peuvent inspecter chaque étape de l'assemblage, identifiant en temps réel des défauts comme des pièces mal alignées ou des joints de soudure défectueux. Pendant ce temps, les capteurs IoT peuvent surveiller des facteurs environnementaux tels que la température, la poussière et les vibrations, qui pourraient avoir un impact sur la qualité des composants sensibles.

Grâce à l'edge computing, le système peut traiter instantanément ces données et effectuer des ajustements immédiats, comme mettre la ligne en pause ou recalibrer un robot, sans attendre de réponses basées sur le cloud. Ensemble, l'automated manufacturing permet de concevoir une ligne de production plus rapide, plus précise et hautement adaptative, ce qui se traduit par une meilleure qualité de produit et une réduction des coûts opérationnels.

Comment la robotique transforme-t-elle l'avenir de la fabrication ?#

Le future of industrial robots évolue rapidement, porté par des technologies telles que la vision par IA dans la fabrication et l'IoT. Grâce à ces outils, les robots peuvent voir sur quoi ils travaillent, repérer les défauts, contrôler la qualité des produits et anticiper les problèmes en temps réel. De nombreux fabricants utilisent déjà ces systèmes pour gagner en efficacité et en régularité dans leurs opérations.

Le marché de la robotique industrielle connaît une croissance constante, alimentée par des améliorations continues en robotique, un accès plus facile à des ingénieurs qualifiés et l'utilisation de la simulation et des tests virtuels. Ces développements permettent de concevoir et d'ajuster plus rapidement les robots pour une utilisation dans le monde réel. À mesure que davantage d'usines adoptent des outils numériques et l'automatisation, elles deviennent plus flexibles, plus fiables et prêtes à relever les défis futurs.

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