# Etat de l'art des architectures des cellules robotisées pour le contrôle par Ultrasons

Antoine AIGUEPERSE<fnref n="1" />, Wilfrid BAROCHE<fnref n="2" />,

## Résumé

Dans beaucoup d'applications industrielles, l'inspection des pièces en composite est réalisée par la méthode Through Transmission Ultrasonics (TTU) par jet d'eau. Généralement, ces méthodes sont déplacées avec des systèmes de mise en position simple (robot cartésien) ou complexe (cellule robotisée).

Pour les petites pièces, des outillages spéciaux, pouvant être onéreux, sont conçus permettant de disposer les 2 transducteur de chaque côté de la pièce. Cette méthode n'est pas aisément transposable aux pièces de grandes dimensions ou à l'inspection en petite série. L'autre solution consiste à utiliser 2 robots disposés de part et d'autre de la pièce à inspecter. Les robots doivent être parfaitement synchronisés en position, ce qui complexifie énormément la programmation des robots.

Cet article présente plusieurs cellules d'inspection – en réflexion ou transmission – robotisées composées d'un robot ou de 2 robots fonctionnant en mode Leader/Follower. Les architectures matérielles sont analysées et comparées. En seconde partie, une méthode de programmation pour cellule Leader/Follower est présentée à partir de l'application e-hub NDI. Ce logiciel de programmation hors ligne de robots industriels basée sur la CAO intègre des fonctions spécifiques à ce type de cellules telles que la modélisation des outils jet d'eau ou bien le couplage des robots en fonction de l'épaisseur de la pièce à contrôler. Il assiste l'opérateur de contrôle dans la création des programmes robots sans besoin d'expertise en robotique.

## 1. Introduction

La COFREND a mis en place un Groupe de Travail sur les END Robotisés. Un sous-groupe composé d'experts en robotique a travaillé pour identifier une cartographie des sous-systèmes d'une machine robotisée d'inspection. Parmi eux, le bloc cinématique a pour fonction la mise en mouvement de la pièce et/ou de la sonde pour réaliser l'acquisition des données. Ce bloc est directement en lien avec le sous-système *programmation* qui s'attache à définir les mouvements que doit faire la cinématique pour réaliser l'inspection.

Cette article s'attache à présenter un état de l'art des différentes cinématiques à base de robots industriels ainsi que leurs méthodes de programmation.

## 2. Cinématique des machines d'inspection

La question de la cinématique qui est décrite dans cette section est : qui bouge quoi et comment ?

Nous limitons volontairement notre étude aux systèmes robotisés comprenant un robot qui est selon la norme ISO : *système commandé automatiquement, multi-applicatif, reprogrammable, polyvalent, manipulateur et programmable sur trois axes ou plus*.

Les quatre grandes familles de cinématique machine font l'objet d'une section chacune.

### 2.1. Cinématique avec un robot Fixe

Il s'agit bien évident des architectures machines les plus simples possibles. Elles comprennent un robot qui déplace le capteur ou la pièce. Il existe trois possibilités d'architecture.

Pour l'inspection en réflexion, le robot déplace le capteur et la pièce est fixe (figure. 1.a).

Pour l'inspection en transmission, deux possibilités existent : Soit le robot déplace l'émetteur et le récepteur grâce à un outil en C ou U ou fork en anglais (figure. 1.b). Ce dispositif est envisageable seulement pour les pièces ayant des géométries simples. Le risque de collision complexifie sensiblement la programmation de la machine. L'inverse est possible à savoir, avoir un robot qui déplace la pièce devant un outil fixe (figure. 1.c). Cette architecture est moins évolutive que les deux premières car elle nécessite un montage adapté à chaque pièce à inspecter.

Les principaux avantages de cette cinématique sont la simplicité dans l'architecture machine et par répercussion dans leur programmation. Cependant, l'espace de travail est limité ce qui ne permet pas d'inspecter de grandes pièces. Dans cette cinématique, le robot peut être un robot collaboratif, appelé aussi Cobot, qui permet à un opérateur de travailler à proximité et est conforme aux exigences de sécurité décrite dans la norme [1].

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

<footnote n="1">¹ Twin Robotics, France;</footnote>

<footnote n="2">² Applied Computing & Engineering, France;</footnote>

<footnote>*corresponding author, E-mail: antoine.aigueperse@twin-robotics.com</footnote>
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>a. Robot déplaçant un capteur fonctionnant en échographie</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>b. Robot déplaçant un outil en C/U pour les capteurs fonctionnant en transmission</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>c. Robot déplaçant la pièce devant un capteur fonctionnant en transmission</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>a. Inspection en échographie avec un robot déplaçant les capteurs et monté sur un axe linéaire</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>b. Inspection en transmission avec deux robots déplaçant les capteurs et montés sur le même axe linéaire</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>c. Inspection en transmission avec deux robots déplaçant les capteurs et montés sur deux axes linéaires
Figure 2: Architectures machine avec un axe linéaire</figcaption></figure>
## 2.2. Cinématique avec un axe linéaire

L'objectif principal de cette cinématique est d'augmenter significativement la taille de la pièce pouvant être inspectée par la machine. Généralement, le robot principal déplace le capteur et non la pièce (cf. Figure 2).

Les figures 2.b et 2.c présentent des architectures de cellules pour l'inspection en transmission. Les capteurs sont déplacés par deux robots distincts. Les trajectoires des deux robots doivent être parfaitement synchronisées pour maximiser le signal ultrason acquis. Pour ce faire, il est usuel de définir la trajectoire d'inspection pour le robot, portant l'émetteur. Le robot récepteur est alors mis dans un mode follower avec sa position calculée en réaction au déplacement du robot émetteur qui est leader. La troisième partie de cet article détaille comment programmer cette architecture.

Il est important de noter que le déplacement du (des) robot(s) doit pouvoir être fait en même temps que le déplacement sur le (les) axe(s) linéaire(s).

Dans le cas de la figure 2.b, nous attirons l'attention sur le fait que le portique doit être conçu de manière à avoir une rigidité importante. La masse transportée et les inerties dues au déplacement peuvent introduire des déformations dynamiques et venir corrompre la mesure, ou son traitement/interprétation.

L'architecture de la figure 2.c est intéressante car elle permet de gagner en flexibilité dans l'utilisation de la machine. Trois zones de travail peuvent être définies :

* 1 zone d'inspection en transmission ou les deux robots vont collaborer ensemble.

* 2 zones d'inspection en échographie où les robots peuvent travailler de manière indépendante.

## 2.3. Cinématique avec robot et table tournante

Une autre manière d'agrandir l'espace d'inspection d'une machine est de lui adjoindre une table tournante sur laquelle poser la pièce. Nous retrouvons principalement cette cinématique pour des pièces de révolution et un contrôle en échographie (cf. Figure 3).

La table et le robot peuvent interagir de plusieurs manières :

* La table est fixe pendant l'acquisition des données. Elle permet alors juste de présenter une zone à inspecter devant le robot.

* La table et le robot coordonnent leurs déplacements. Ce mode permet de réaliser des inspections en spirale ou suivant l'axe de révolution de la pièce.

Cependant, cette cinématique est peu présente dans les cas industriels d'inspection par ultrasons. Il est plus commun d'associer un robot monté sur un axe linéaire avec une zone table tournante comme montré dans la figure 2.c.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 3: Architecture machine avec une table tournante</figcaption></figure>

## 2.4. Cinématique avec robot cartésien

Les machines avec des robots cartésiens sont nombreuses dans l'industrie. Le meilleur exemple est la table XYZ au-dessus d'une cuve à eau. Elles ont les avantages d'être très simple à concevoir, réaliser et piloter. Cependant, elles permettent de traiter uniquement des pièces simples.

Pour l'inspection en transmission, des architectures plus complexes existent à base de robot trusquin ou de portique avec ou non une table tournante (cf. Figure 4).

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 4: Machine cartésienne</figcaption></figure>

## 2.5. Cinématique avec un mobot (Mobile Robot)

Dans les cinématiques précédentes, le concept est d'avoir une machine fixe avec une pièce qui se déplace dans l'enceinte de la machine. Pour les pièces de très grandes dimensions (pale d'éolienne, fuselage avion), il peut être plus simple de déplacer la machine à la pièce (cf. Figure 5). Cela est maintenant possible grâce aux :

* AGV : véhicules à guidage automatique qui suivent des lignes au sol ou autres optoguidages

* AMR : robots mobiles autonomes qui utilisent des cartographies 3D de l'environnement.

Les répercussions de ces nouvelles technologies dépassent les questions de cinématique. Le flux de production doit être repensé et adapté.

D'un point de vue purement robotique, cette architecture est encore au stade maturation.
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 5: Plateforme Mobot [2]</figcaption></figure>

### 3. Méthode de programmation pour machine d'inspection TTU

Une machine d'inspection exécute un programme qui contient une liste d'instructions de déplacement. Pour le CND, programmer une machine revient à définir les chemins robotiques que suivra le capteur le long de la surface à inspecter. Pour chaque point de passage du chemin robotique, des paramètres comme la vitesse, le passage au voisinage ou les valeurs d'axes externes doivent être définis.

Plusieurs méthodes de programmation existent. Cette section traite des méthodes de Programmation Hors Ligne (PHL) qui se décomposent elles-mêmes en sous méthodes. Le GT END Robotisés de la COFREND a détaillé ces sous méthodes en les appliquant au CND. La diapositive de résumé est présentée en Figure 11. Pour le contrôle par ultrasons les méthodes Assistée et par Répétition sont possibles.

#### 3.1. PHL Assistée

Plusieurs logiciels de PHL proposent des méthodes assistées dédiées à l'inspection par Ultrasons [3,4]. Le logiciel e-hub NDI [3] propose une assistance destinée aux non roboticiens qui se décompose en neuf étapes dont les principales étapes sont :

**Sélection des surfaces à inspecter** : Le modèle numérique d'une pièce, CAO, contient un ensemble de surfaces fonctionnelles. Toutes ne doivent pas forcément être inspectées au même moment ou avec la même configuration de mesure. La première étape consiste donc à définir les surfaces à inspecter.

**Choix de la direction d'inspection** : Pour définir une trajectoire en créneau, il faut connaitre la direction d'inspection de la première trajectoire et comment les trajectoires vont s'empiler. Idéalement, ces directions sont choisies pour (1). Faciliter l'écoulement de l'eau sans perturber la mesure et (2). Optimiser le temps de cycle.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>a. Créneaux horizontaux
b. Créneaux verticaux
Figure 6: Choix de la direction d'inspection</figcaption></figure>

**Génération des points de passage** : Une trajectoire robot est un ensemble de points avec une orientation dans l'espace. L'opération d'échantillonnage des surfaces à inspecter se fait en deux étapes :

1. Création d'un réseau de courbes sur les surfaces
Il s'agit d'une étape clé de la programmation hors ligne qui est la plus complexe. Plusieurs algorithmes de slicing sont disponibles dans les logiciels de PHL dédiés au CND. Les plus évolués permettent de garantir un espacement maximal entre les courbes de façon à couvrir l'intégralité de la pièce en limitant le recouvrement entre les acquisitions. Une rapide comparaison est faite en Figure 12.

2. Chaque courbe est échantillonnée de façon à obtenir les points de passage du robot.

#### 3.2. Méthodologie pour machine d'inspection TTU

Dans le cas des machines réalisant des inspections par ultrasons en transmission via 2 robots (Figure 2.b et c), les deux robots travaillent dans un mode leader/follower. A savoir que la position du robot follower est asservie par rapport à celle du robot leader (cf. Figure 7). La programmation d'une telle machine consiste à définir la trajectoire du robot leader. La fonctionnalité d'asservissement est gérée par le contrôleur du robot ou de la machine.

L'asservissement en position des robots est fait par une transformation de couplage qui va lier les deux Tool Center Point (TCP) des outils des robots. Usuellement, cette transformation est fixe dans le temps et l'espace. Mais des travaux ont lieu pour permettre de paramétriser cette transformation en fonction de l'épaisseur de la pièce et des normales des surfaces d'entrée et de sortie du signal (Figure 8). Le logiciel de PHL est alors chargé de calculer les paramètres de couplage et de les inclure dans le programme machine.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 7: Principe de couplage des TCP</figcaption></figure>
<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 8: Bénéfice d'un couplage par transformation variable : le système peut prendre en compte l'épaisseur de la pièce</figcaption></figure>

Le logiciel de PHL a d'autres avantages dans le contexte d'inspection en transmission comme une interface de paramétrage simplifiée pour les outils jet d'eau. L'outil est robotiquement modélisé par un TCP de référence est une distance variable (cf. Figure 9).

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 9: Modélisation d'un outil jet d'eau</figcaption></figure>

Pour ce type de cellule, il est également souhaitable de pouvoir étendre la trajectoire d'inspection à l'extérieur de la pièce de manière à assurer un contrôle exhaustif des bords de pièce. Le logiciel e-hub NDI propose la fonctionnalité OverScan pour réaliser cette espace (Figure 10).

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 10: Extension des trajectoires d'inspection à l'extérieur de la pièce</figcaption></figure>

## 4. Bibliographie

[1] ISO/TC 299. (2011). Norme ISO n°10218-2:2011

[2] Site du constructeur Kuka

[3] Logiciel e-hub NDI développé par la société ac&e

[4] Logiciel AppRob NDT développé par la société Twin Robotics

## Programmation hors ligne : Récapitulatif

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 11: Planche de résumé des sous méthodes de PHL établie par le Groupe de Travail END Robotisés de la COFREND</figcaption></figure>
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 12: Comparaison de 3 algorithmes de slicing sur une sphère</figcaption></figure>