Évolution et avenir de la robotique industrielle

Les métiers industriels impliquent souvent d’effectuer sans cesse les mêmes tâches physiques, comme soulever et assembler des pièces lourdes. Ces tâches manuelles peuvent être risquées. En 2023, 5 283 accidents du travail mortels ont été signalés aux États-Unis seulement.

Cependant, avec l’utilisation croissante de robots industriels intelligents et de technologies comme l’intelligence artificielle (AI) et la vision par ordinateur, de nombreuses tâches à haut risque sont désormais effectuées par des machines. Les robots utilisés dans la fabrication peuvent désormais soulever des matériaux lourds, inspecter les équipements pour détecter d’éventuels problèmes et travailler aux côtés des humains afin d’améliorer la sécurité et l’efficacité dans les usines.

Dans cet article, nous allons voir comment les robots industriels transforment le fonctionnement des usines et contribuent à créer des lieux de travail plus sûrs et plus productifs. C’est parti !

Que sont les robots industriels ?#

Les robots industriels sont des machines intelligentes conçues spécifiquement pour aider à réaliser des tâches de fabrication. En particulier, les robots utilisés dans la fabrication sont généralement conçus soit pour soulever de lourds composants de produits, comme des pièces de voiture ou d’avion, soit pour effectuer très rapidement des tâches minutieuses, comme l’assemblage de circuits électroniques ou le conditionnement de produits.

Contrairement aux robots humanoïdes que l’on voit souvent dans des films de science-fiction comme The Terminator ou I, Robot, les robots industriels sont généralement fixes et dotés d’un seul bras robotisé. Celui-ci peut généralement se déplacer dans plusieurs directions et être programmé pour différentes tâches de fabrication, comme le soudage, l’assemblage ou le déplacement de matériaux.

Les robots industriels excellent dans l’exécution rapide et précise de tâches répétitives, sans avoir besoin de pauses, ce qui les rend idéaux pour les usines et les entrepôts. Ainsi, plus de 4 millions de robots sont utilisés dans les usines du monde entier.

Types de robots industriels#

Les robots sont de plus en plus courants dans les usines et prennent en charge un large éventail de tâches. Voici quelques types de robots industriels et la façon dont ils contribuent à rendre le travail en usine plus efficace et plus sûr :

• Robots cartésiens : également appelés robots portiques, ces robots se déplacent en ligne droite grâce à trois articulations coulissantes le long des 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 articulé imitent les mouvements d’un bras humain grâce à plusieurs articulations rotatives. Flexibles et dotés d’une grande amplitude de mouvement, ils sont couramment utilisés pour l’assemblage, la peinture et le conditionnement.

• Robots delta : dotés de trois bras légers reliés à une base triangulaire, les robots delta sont conçus pour la rapidité et l’agilité. Ils sont particulièrement adaptés aux opérations de prélèvement et de dépose à grande vitesse, notamment dans le secteur du conditionnement.

• Robots polaires : parmi les premiers types de robots industriels, les robots polaires combinent des articulations rotatives et linéaires pour offrir une amplitude de mouvement sphérique. Ils sont utiles pour les tâches qui nécessitent une grande portée dans plusieurs directions.

• Robots SCARA : abréviation de Selective Compliance Assembly Robot Arm, les robots SCARA utilisent deux articulations rotatives et une articulation linéaire. Ils sont idéaux pour les tâches qui nécessitent des mouvements horizontaux et verticaux rapides et précis, comme l’assemblage électronique et la transformation des aliments.

Histoire de la robotique dans la fabrication#

Avant d’examiner des exemples précis de l’impact des robots industriels, voyons comment les robots utilisés dans la fabrication ont évolué afin de mieux comprendre les changements survenus dans la robotique industrielle au fil des ans :

• Les débuts de la fabrication (avant l’ère de la robotique) : avant l’arrivée de la robotique, la fabrication reposait entièrement sur le travail manuel et des outils rudimentaires. La révolution industrielle a introduit la vapeur, les machines et les chaînes de montage, ce qui a stimulé la productivité, mais de nombreuses tâches sont restées 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 ; il est devenu le premier robot industriel utilisé. Cette étape a marqué un tournant majeur : les tâches dangereuses et répétitives étaient automatisées, en particulier dans la fabrication automobile.

• Expansion et perfectionnement (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 des aliments. L’automatisation flexible a permis aux robots d’effectuer plusieurs tâches avec un minimum de reprogrammation.

• Essor des robots collaboratifs (des années 2010 à aujourd’hui) : les robots collaboratifs, ou cobots, ont été conçus pour travailler en toute sécurité aux côtés des humains. Équipés de capteurs intégrés, d’IA et de systèmes de caméras, ils peuvent s’adapter à leur environnement et aider à réaliser des tâches complexes ou délicates.

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

À l’avenir, les robots industriels devraient devenir encore plus intelligents et adaptables. Des chercheurs et des ingénieurs travaillent activement sur des technologies qui permettent aux robots d’apprendre, de s’adapter à de nouvelles situations et de collaborer plus étroitement avec les humains, de manière utile et dynamique.

Exemples de robotique industrielle#

Nous allons maintenant examiner des exemples concrets de robots utilisés dans la fabrication et voir comment ils sont déployés dans les usines.

Robots industriels dans la fabrication aéronautique#

La fabrication aéronautique implique des processus complexes et délicats, en particulier pour les gros avions comme le Boeing 777. Par exemple, l’assemblage d’un seul 777 nécessite plus de 60 000 rivets. Traditionnellement, cette tâche mobilisait deux ouvriers : l’un utilisait le pistolet à riveter et l’autre tenait une barre d’acier derrière le panneau pour fixer l’attache.

Ces tâches peuvent être physiquement exigeantes et entraîner des blessures aux bras, au dos et aux épaules. De plus, la précision est essentielle dans la fabrication aéronautique, où la marge d’erreur est faible.

Pour améliorer ces processus, Boeing a adopté des robots industriels. Dans son usine de 777 à Everett, dans l’État de Washington, l’entreprise a mis en place le système Fuselage Automated Upright Build (FAUB), un processus d’assemblage robotisé conçu pour automatiser le perçage et le rivetage des sections du fuselage.

Fig. 2. Des robots FAUB travaillent 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 aux anciens dispositifs fixes, les robots FAUB sont mobiles et peuvent se déplacer le long des chaînes de montage sur des véhicules guidés. Après que les ouvriers ont positionné les panneaux du fuselage, les robots prennent en charge le perçage et le rivetage, ce qui augmente à la fois la vitesse et la précision. Cette approche s’inscrit dans les évolutions récentes du secteur de la robotique, qui continue de promouvoir des solutions plus intelligentes, plus sûres et plus efficaces pour la fabrication.

La fabrication alimentaire rendue possible par les robots industriels#

Les robots sont également largement adoptés dans l’industrie de la fabrication alimentaire. À l’usine Nestlé en Allemagne, par exemple, la production d’aliments pour bébés est gérée par une ligne de conditionnement entièrement automatisée. Les robots se chargent notamment de déplacer les barquettes alimentaires remplies et scellées vers des caisses de stérilisation, puis vers les emballages destinés à l’expédition. L’ensemble de l’opération est ainsi plus rapide, plus sûr et plus fiable.

Nestlé utilise également des robots mobiles comme Spot de Boston Dynamics pour surveiller les problèmes de maintenance sur ses sites. Contrairement aux capteurs fixes traditionnels, qui ne peuvent détecter les problèmes que dans certaines zones, Spot peut se déplacer librement dans l’usine. Cette automatisation mobile et flexible est une tendance croissante dans le secteur de la robotique.

Spot peut monter des escaliers, se déplacer dans des espaces restreints et parcourir des sols irréguliers. Il est équipé de capteurs spéciaux qui lui permettent de vérifier si les machines de l’usine, comme les moteurs et les compresseurs, présentent des signes de chaleur, de bruit ou d’autres anomalies. Spot peut aussi détecter rapidement les problèmes, ce qui permet de les résoudre avant qu’ils ne s’aggravent.

Fig. 3. Spot, un robot industriel, inspecte une usine de fabrication alimentaire. (Source)

La fabrication automobile avec l’aide de robots industriels#

Les robots industriels ont toujours joué un rôle essentiel dans la fabrication automobile. En fait, 33 % de toutes les installations de robots industriels aux États-Unis se trouvent dans le secteur automobile.

Un exemple intéressant remonte à 2013, à l’usine BMW de Spartanburg. Sur ce site, des humains et des robots travaillaient côte à côte sur la chaîne de montage des portières, sans barrières de sécurité. C’était le premier site BMW à utiliser ce type de collaboration directe entre humains et robots dans la production courante.

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

Le système était entièrement automatisé et pouvait mesurer précisément la pression appliquée pendant le processus, ce qui permettait un contrôle constant de la qualité. Si le travail du robot était interrompu, un ouvrier pouvait facilement prendre le relais et terminer la tâche manuellement, sans ralentir la production.

Fig. 4. Des robots travaillent aux côtés d’ouvriers dans une usine automobile. (Source)

Avantages de la robotique dans la fabrication#

Examinons maintenant de plus près certains des principaux avantages de l’utilisation des robots dans la fabrication.

• Précision et exactitude : les robots industriels offrent une grande précision et une vitesse élevée. Certains peuvent effectuer des tâches avec une précision de l’ordre du micron.

• Fiabilité : avec une durée de vie pouvant atteindre 100 000 heures sans défaillance, les robots industriels peuvent fonctionner longtemps sans interruption.

• Amélioration de la sécurité au travail : les robots prennent également en charge des tâches dangereuses, comme le travail dans des espaces confinés ou à proximité de matières dangereuses, contribuant ainsi à réduire de 35 % les journées de travail perdues en raison de blessures.

• Gain de productivité : contrairement aux humains, les robots n’ont pas besoin de pauses, de congés ni de repos. Ils peuvent fonctionner en continu, ce qui peut considérablement accroître la productivité.

• Rentabilité : l’achat et l’installation de ces robots peuvent coûter cher au départ, mais ils permettent de réaliser des économies importantes à long terme. Ils réduisent les coûts de main-d’œuvre, limitent les erreurs potentielles et diminuent les dépenses liées aux blessures.

• Évolutivité : une fois les robots installés, les fabricants peuvent augmenter plus facilement leur production sans embaucher de personnel supplémentaire ni apporter de changements majeurs. Ils peuvent ainsi répondre rapidement à la hausse de la demande et rester flexibles dans un marché en évolution.

Défis et limites de la robotique dans la fabrication#

Bien que les robots industriels présentent de nombreux avantages, ils posent aussi quelques défis, notamment en matière d’expertise et de maintenance. Ces robots utilisés dans les usines nécessitent des professionnels qualifiés pour les programmer, les faire fonctionner et les entretenir.

Même si de nombreux robots utilisés dans l’industrie font aujourd’hui appel à l’intelligence artificielle et à l’apprentissage automatique, ils nécessitent toujours un entretien régulier pour éviter les pannes. Si une équipe de fabricants ne possède pas déjà ces connaissances, former le personnel peut coûter cher et prendre beaucoup de temps.

Fait intéressant, l’IA visuelle, et plus précisément la vision par ordinateur, une branche de l’IA axée sur la compréhension des données visuelles, peut aussi contribuer à résoudre ces défis. Par exemple, les modèles de vision par ordinateur comme Ultralytics YOLO11 peuvent être entraînés à détecter et à suivre les robots industriels. Les informations tirées du suivi de ces robots avec YOLO11 peuvent aider à repérer rapidement les problèmes (ce qu’on appelle la maintenance prédictive). Cela réduit le besoin de supervision experte et limite les pannes imprévues.

De plus, la vision par ordinateur peut aussi favoriser la création de jumeaux numériques en temps réel. Les jumeaux numériques sont des modèles virtuels de machines et de robots physiques, créés à partir de données visuelles collectées dans l’environnement de fabrication.

Les jumeaux numériques permettent aux fabricants de surveiller les équipements en temps réel, de repérer les problèmes avant qu’ils ne provoquent des perturbations et de tester des améliorations de processus sans interrompre la production réelle. Cette technologie favorise des performances plus constantes, améliore la prise de décision et réduit les coûteux temps d’arrêt.

Technologies d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique#

En examinant les défis liés à l’utilisation des robots industriels, nous avons vu que beaucoup d’entre eux fonctionnent désormais grâce à l’IA et à l’apprentissage automatique. Mais comment cela fonctionne-t-il concrètement, et quel est le rôle de l’IA en robotique ?

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 chaîne de production. Ils sont donc moins efficaces dans les environnements où la flexibilité, la vitesse et la précision sont essentielles.

Sans 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 une hausse des temps d’arrêt. L’IA dans la fabrication permet aux robots d’aller au-delà des tâches simples et préprogrammées.

Plus précisément, grâce à l’apprentissage automatique dans la fabrication, les robots peuvent analyser les données de leur environnement, reconnaître des schémas et améliorer leurs performances au fil du temps. Par exemple, un robot doté de capacités de vision peut identifier différents objets sur une chaîne de montage, adapter ses mouvements en fonction de ce qu’il voit et même détecter des défauts ou des anomalies en temps réel. En coulisses, la vision par ordinateur est le moteur de cette innovation.

En général, un robot doté de capacités de vision est équipé du matériel nécessaire pour exécuter des modèles de vision par ordinateur comme Ultralytics YOLO11. Lorsqu’un robot est associé à des caméras et à la vision par ordinateur, il bénéficie des capacités du modèle sous-jacent. Avec YOLO11, cela signifie qu’un robot peut effectuer des tâches de vision par ordinateur comme la détection d’objets, le suivi et la segmentation.

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

Deux autres concepts liés aux robots industriels sont l’IoT dans la fabrication et l’informatique en périphérie. L’IoT désigne un réseau d’appareils connectés qui collectent et partagent des données, principalement sur Internet. L’informatique en périphérie, quant à elle, traite les données directement à la source, par exemple sur un robot ou un capteur, sans devoir d’abord les envoyer à un serveur central.

Lorsque les appareils de l’IoT industriel (IIoT) collectent de grandes quantités de données, leur envoi vers un système central dans le cloud pour analyse peut entraîner des délais (appelés latence) et ralentir les opérations. En combinant l’informatique en périphérie et l’IoT, les fabricants peuvent traiter les données instantanément, obtenir des réponses en temps réel et renforcer l’automatisation.

La maintenance prédictive est un exemple concret de la synergie entre l’IA et l’IoT dans la fabrication. Dans les usines intelligentes, 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’informatique en périphérie, l’IA et la vision par ordinateur, ces appareils peuvent surveiller en continu leur propre état, détecter quand une maintenance ou une recharge est nécessaire et déclencher automatiquement les actions requises. Les machines fonctionnent ainsi sans à-coups, les temps d’arrêt imprévus diminuent et l’efficacité globale s’améliore.

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

Maintenant que nous comprenons mieux des technologies comme l’IA, la vision par ordinateur, l’IoT et l’informatique en périphérie, voyons 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 afin de les rendre plus rapides, plus fiables et moins sujets aux erreurs humaines. Prenons l’exemple d’une usine qui assemble des appareils électroniques grand public, comme des smartphones. Les bras robotisés dotés de capacités de vision peuvent placer avec précision de minuscules composants sur des circuits imprimés, une tâche délicate.

Parallèlement, des systèmes de vision alimentés par l’IA peuvent inspecter chaque étape de l’assemblage et détecter en temps réel des défauts comme des pièces mal alignées ou des soudures défectueuses. Pendant ce temps, les capteurs IoT peuvent surveiller des facteurs environnementaux tels que la température, la poussière et les vibrations, susceptibles d’affecter la qualité des composants sensibles.

Grâce à l’informatique en périphérie, le système peut traiter instantanément ces données et effectuer des ajustements sur place, comme arrêter la chaîne ou recalibrer un robot, sans attendre une réponse du cloud. Ensemble, la fabrication automatisée peut créer une chaîne de production plus rapide, plus précise et très adaptable, qui améliore la qualité des produits et réduit les coûts d’exploitation.

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

L’avenir des robots industriels évolue rapidement, et des technologies comme l’IA visuelle dans la fabrication et l’IoT jouent un rôle majeur. Grâce à ces outils, les robots peuvent voir ce sur quoi ils travaillent, repérer les défauts, vérifier la qualité des produits et prévoir les problèmes au moment où ils surviennent. De nombreux fabricants utilisent déjà ces systèmes pour rendre leurs opérations plus efficaces et plus uniformes.

Le marché de la robotique industrielle connaît une croissance constante, portée par les progrès continus de la robotique, un accès facilité à des ingénieurs qualifiés et l’utilisation de la simulation et des tests virtuels. Ces évolutions accélèrent la conception et le réglage des robots en vue de leur utilisation dans le monde réel. À mesure que les usines adoptent des outils numériques et l’automatisation, elles gagnent en flexibilité et en fiabilité, et sont mieux préparées à relever les défis de demain.

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