Singularité robotique : guide complet pour bras robotiques industriels

L'utilisation des bras robotiques dans l'industrie manufacturière est en pleine expansion, de plus en plus d'entreprises profitant des avantages de l'automatisation. Si vous prévoyez d'intégrer des bras robotiques dans vos processus, vous devez être bien informé. Recherchez un fabricant de bras robotiques de qualité pour des résultats optimaux.

Le bras robotique comprend le corps, le poignet et l'effecteur final. Ce dernier sert à saisir différents produits ou à effectuer diverses tâches. Dans la plupart des cas, l'effecteur final doit se déplacer dans différentes directions avec précision. C'est là qu'intervient la singularité robotique et son impact sur les performances de votre bras robotique. Dans cet article, nous approfondissons la singularité robotique et son importance cruciale.

Qu'est-ce que la singularité robotique ?

La singularité robotique désigne une configuration où le mouvement de l'effecteur final est bloqué dans certaines directions. Cette configuration limite l'efficacité et la précision du bras robotique. Généralement, les bras robotiques à 6 axes se déplacent selon des mouvements relatifs aux axes X, Y et Z dans un plan 3D ou cartésien. Ils comportent 6 articulations contribuant aux 6 degrés de liberté du bras robotique en action.

Ces degrés de liberté permettent au bras de se mouvoir dans diverses directions et d'accomplir aisément ses tâches. Si l'effecteur final ne peut pas atteindre les pièces ou se déplace dans la mauvaise direction, c'est là qu'apparaît le problème de singularité. Certaines singularités sont faciles à identifier et à résoudre, permettant de reprendre rapidement le travail. D'autres, en revanche, sont plus difficiles à détecter sans formules complexes et longues.

Facteurs influençant la singularité robotique

La singularité robotique présente des effets et des défis variables selon le bras robotique utilisé. La complexité et la sévérité dépendent du nombre d'articulations, du type de robot (linéaire ou rotatif) et de l'arrangement géométrique.

Un bras robotique industriel dispose de deux espaces de contrôle : l'espace articulaire (joint space) et l'espace cartésien (cartesian space). Avec ces différents espaces, le bras robotique propose deux ensembles de commandes de mouvement en position.

Pour les commandes en espace articulaire, le robot reçoit des instructions spécifiques avec les positions articulaires désirées. Il se déplace ensuite pour amener chaque articulation à la position suggérée par une translation linéaire et simultanée. Pour les commandes en espace cartésien, l'instruction au robot comporte la pose désirée de l'effecteur final avec un chemin cartésien spécifique, conçu pour être linéaire ou circulaire.

Pour aligner précisément les articulations et les commandes cartésiennes, le contrôleur calcule la cinématique inverse de position et de vitesse du robot. Cela assure le bon positionnement de l'effecteur final. Si les calculs sont erronés, des singularités surviennent où l'effecteur final n'est pas positionné avec précision. Cela montre les configurations à éviter pour prévenir les problèmes de singularité qui entraveraient vos processus d'automatisation.

Fonctions de la singularité robotique

Les singularités robotiques doivent être évitées à tout prix pour garantir que votre bras robotique industriel fonctionne au mieux. Comprendre leurs fonctions permet de mieux saisir pourquoi les éviter. La singularité robotique est principalement associée à deux fonctions distinctes.

Déclin du mapping de vélocité

Considérons deux robots cartésiens orientant leurs effecteurs finaux dans différentes directions. Les deux robots disposent d'un positionnement à six axes avec des empilements de trois guides linéaires orthogonaux et trois étages de rotation. Lorsque le robot maintient les axes et articulations à leur place, l'orientation de l'effecteur final est aisée. Il peut utiliser continûment l'effecteur le long du chemin 6D dans son espace de travail tout en maintenant précision et exactitude. Cependant, lorsque les axes et articulations coïncident, une singularité se produit et le robot ne peut plus se mouvoir avec ses 6 degrés de liberté.

Le robot ne peut alors plus faire pivoter son effecteur final autour des axes coïncidant avec les articulations rotatives. Ce type de singularité est souvent appelé "gimbal lock" (blocage de cardan). Étant donné que la plupart des singularités se résolvent par des équations, il devient plus difficile de déterminer la vélocité de certains vecteurs cartésiens. Lors d'une singularité, la capacité à quantifier les vitesses est entravée.

Pouvoir mesurer les vélocités d'un bras robotique est essentiel pour la sécurité. Face à un problème de singularité, on observe un grand risque pour la robotique même si le point de rupture n'est pas encore atteint. Cela entraîne des vélocités articulaires élevées pouvant être dangereuses, surtout avec des robots industriels gros et rapides. C'est pourquoi le mapping des vélocités est si important.

Limites des frontières de l'espace de travail interne

La singularité robotique n'affecte pas seulement la cinématique inverse de vélocité, mais aussi les équations de cinématique inverse de position. Avec les robots industriels, on trouve des équations et solutions pour différentes positions articulées. Ces solutions sont étroitement liées aux différents types de configuration.

Par exemple, si votre robot propose 8 solutions uniques pour les positions articulées de l'effecteur final, il comportera aussi 8 types de configuration différents. Pour changer de type de configuration, il faut traverser une singularité. Les singularités sont les frontières entre les entités 6D de l'espace de travail cartésien d'un robot typique à 6 axes. Cela limite les configurations atteignables et les frontières de l'espace de travail disponibles pour votre robot industriel.

Types de singularité dans un robot à articulation verticale

Les singularités robotiques peuvent survenir dans tout bras robotique industriel. Il est important de réaliser qu'il en existe différents types. Tout comme le bras robotique comporte différentes parties, les singularités affectent ces parties différemment, créant divers problèmes.

Il faut garder à l'esprit les différents axes d'articulation des bras robotiques industriels verticaux : les axes 2 et 3 sont parallèles, les axes 1 et 4 sont normaux aux axes 2 et 3, l'axe de l'articulation 5 est normal aux axes des articulations 4 et 6. Voici les types de singularités les plus apparents :

Singularité de poignet

Les bras robotiques à articulation verticale avec poignets alignés (inline wrists) présentent la singularité de poignet comme problème le plus fréquent. Elle se produit lorsque les axes des articulations 4 et 6 coïncident. Dans ce cas, le poignet ne peut pas déplacer l'effecteur final dans la direction de l'axe de l'articulation 5. En application, pour qu'un bras robotique industriel suive une ligne à travers la singularité, les articulations 4 et 6 doivent pivoter simultanément à 90 degrés dans des directions opposées pour assurer la précision. Cela montre qu'il est possible de franchir une singularité de poignet. Cependant, une fois à la singularité, l'effecteur final reste immobile pendant que les deux articulations tournent. Pour le franchir, l'effecteur doit d'abord s'arrêter. En application, cela nuirait à la précision du bras industriel. Il existe de nombreuses solutions pour corriger ce problème.

Singularité de coude

Le second type de singularité dans les bras à articulation verticale avec poignets alignés est la singularité de coude. Elle survient principalement lorsque le centre du poignet se trouve sur le plan passant par les axes des articulations 2 et 3. Le centre du poignet désigne le point d'intersection des axes des articulations 4, 5 et 6. Dans la singularité de coude, le bras est totalement étendu et peut ne pas pouvoir se plier complètement. Ce type est principalement déterminé par l'axe et la position de l'articulation 3. Elle survient souvent et peut être facilement prédite et évitée.

Singularité d'épaule

La singularité d'épaule se produit lorsque le centre du poignet du robot se trouve sur la ligne passant par les axes des articulations 1 et 2. C'est la plus complexe car elle ne dépend pas d'une seule position articulaire. Elle limite le mouvement dans la direction de l'axe de l'articulation 2. Pour suivre une ligne à travers cette singularité, les articulations 1 et 4 doivent pivoter simultanément à 90 degrés dans des directions opposées tandis que l'effecteur final reste constant. Comme pour la singularité de poignet, le franchissement est possible mais l'effecteur doit s'arrêter. Des solutions existent pour remettre le bras robotique en état optimal.

Types de singularité dans un robot collaboratif à six axes (Cobot)

Pour les robots collaboratifs, les axes des articulations 2, 3 et 4 sont parallèles, l'axe de l'articulation 1 intersecte et est normal à l'axe de l'articulation 2. L'axe de l'articulation 5 intersecte et est normal aux axes des articulations 4 et 6. Comme pour les robots articulés, ces robots présentent différentes solutions selon les types de configuration. Les types de singularités incluent :

Singularité de poignet

Elle se produit lorsque les axes des articulations 4 et 6 deviennent parallèles. Dans cette situation, les axes des articulations 2, 3, 4 et 5 peuvent bouger tandis que l'effecteur final reste immobile.

Singularité de coude

Elle survient lorsque les axes des articulations 2, 3 et 4 sont dans le même plan. Cela limite fortement le mouvement de l'effecteur final et affecte les performances du bras robotique.

Singularité d'épaule

Elle se produit lorsque le point d'intersection des axes des articulations 5 et 6 se trouve dans le plan passant par les axes des articulations 1 et 2. Quelques solutions peuvent remédier à cette singularité.

Comment éviter la singularité en robotique

Au vu des effets de la singularité sur les processus de fabrication, disposer de moyens pour l'éviter est essentiel. Comme les types de singularités varient selon le robot, une compréhension de base de leur prévention assure le bon déroulement des processus. Généralement, les singularités ne peuvent être évitées qu'en concevant correctement vos cellules robotiques. Cela s'étend aussi à la conception de la plaque d'adaptation choisie pour votre effecteur final.

Par exemple, si vous configurez votre bras robotique et attribuez mal une position de prise correspondant à une singularité de poignet, il y a peu de solutions. Il faut vérifier si la pose peut être utilisée dans une application non singulière. De plus, les singularités peuvent être évitées en ajoutant de petits angles à l'outillage. Cela réduit considérablement les chances que le robot entre en singularité. C'est une technique utilisée par les techniciens comprenant la mécanique.

Enfin, les singularités peuvent être évitées par l'approche de programmation et les mathématiques. On réduit le nombre d'axes pour éviter la singularité, car un plus grand nombre d'axes augmente les chances d'alignement et de blocage du mouvement du bras robotique dans certaines directions. Réduire le nombre d'axes diminue aussi les risques d'alignement causant des blocages.

Conclusion

La singularité robotique est un problème majeur dans diverses applications industrielles de bras robotiques et d'équipements d'automatisation. La gérer seul peut s'avérer fastidieux, d'où l'importance de la prévenir. Si vous la rencontrez, vous pouvez trouver une solution ou engager un technicien averti. Alternativement, établissez une relation de travail étroite avec un fabricant réputé d'équipements d'automatisation qui vous aidera face aux singularités. Prenez le temps d'assurer le bon fonctionnement de vos équipements robotiques pour en tirer pleinement parti pour votre entreprise.