Couverture ElectroniqueS n°127

La simplicité est devenue le maître-mot dans la programmation et la mise en œuvre des robots, qui peuvent aujourd'hui être utilisés dans de multiples applications. Dans le cadre d'un projet commun avec l'Université des Sciences Appliquées d'Ulm, Congatec nous explique comment l'électronique embarquée joue un rôle indispensable pour répondre aux besoins de ce type d'applications L es robots modernes sont des équipements extrêmement complexes composés de nombreux sous-systèmes. Ils utilisent des «bras» avec différents axes et unités de pilotage, «bras» au bout desquels sont installés des outils spécifiques, des systèmes de préhension ou des instruments de mesure. Des systèmes de capteurs supplémentaires sont nécessaires pour contrôler la cinématique ainsi que la reconnaissance d'objets et de positions, par exemple dans les applications de préhension-pla-cement (robots de transfert « pick-and-place »). Avec l'arri-vée des robots autonomes et collaboratifs qui partagent le même espace de travail que les êtres humains, énormément de tâches et de briques de base supplémentaires ont été ajou-tées. Par exemple pour localiser et piloter des robots mobiles dans un environnement industriel et dans une interaction homme-machine sécurisée. Dans les environnements de type Industry 4.0, une interface M2M aux systèmes et machines environnants est également nécessaire. L'objectif est une coordination mutuelle des tâches. Tous ces types de robots différents –l'autonome, le coopératif ou le collaboratif – requièrent des composants logiciels extrêmement puissants et des systèmes électroniques embar-qués de hautes performances. La demande du marché pour ces robots que l'on pourrait qualifier d'intelligents va augmenter rapidement dans les années à venir. Par exemple, le marché des robots autonomes devrait connaître un taux de croissance annuel composé de 23,7% d'ici à 2023 (1) ,alors que le nouveau segment des robots collaboratifs devrait doubler tous les ans (+ 59 % par an en moyenne). Les OEM se trouvent sous une énorme pression pour développer et mettre sur le marché de nou-veaux systèmes aussi rapidement que possible, s'ils veulent participer à cette forte croissance. Mais le développement logiciel représente un défi considérable pour les OEM, les intégrateurs et les utilisateurs: il faut intégrer davantage de sous-systèmes dans des solutions robotiques autonomes déjà complexes, si l'on veut que ces robots deviennent collaboratifs et/ou coopératifs. Au-delà de ces innovations matérielles, les aspects logiciels sont également très importants. Aujourd'hui, le logiciel d'un robot est encore fréquemment installé en système fermé, le plus couramment associé à un processeur à cœur x86 ou ARM personnalisé incluant des Asic ou des FPGA. Souvent, le logiciel est même personnalisé individuellement pour chaque robot, ce qui rend sa réutilisation difficile d'un robot à l'autre. Toutes les tâches comme la commande des bras, le pilotage, la vision machine, la coordination des tâches et l'interface homme-machine sont programmées en tant qu'unité. Il est donc quasiment impossible d'échanger les composants logiciels, même pour les fonctions les plus fréquemment demandées ou pour les utiliser sur une autre plate-forme. Cela signifie que pour chaque nouveau projet, le logiciel robotique doit être réins-tallé. Cela s'avère consomma-teur de temps et source d'erreurs et peut différer consi-dérablement le lancement de solutions innovantes tant attendues, sans oublier les tra-cas occasionnés pour les opé-rateurs qui doivent program-mer chaque robot pour sa propre tâche. La chaîne d'outils SmartMDSD permet aux développeurs de composants de développer des composants logiciels pour des unités fonctionnelles individuelles qui peuvent être combinées à la demande et réutilisées dans de nouveaux projets de robots. Source: congatec Une approche logicielle modulaire Pour s'affranchir de cette difficulté, l'équipe de développement du Centre de Recherches des Services Robotiques de l'Université des Sciences Appliquées d'Ulm a remplacé cette approche en système clos, qui engendre sans cesse de nouveaux projets logiciels pour l'intégrateur et l'utilisateur, par une approche logicielle modulaire qui divise la globalité complexe du robot en plusieurs unités fonctionnelles indépen-dantes, puis dans un second temps spécifie l'interaction entre ces unités via des interfaces complètes et définies en toute transparence. Ce concept, appelé SmartSoft, est maintenant étendu et largement commercialisé au niveau européen (projet RobMoSys –Modèles et Logiciels Composables pour Systèmes Robotiques– EU H2020) et au niveau national (BMWi PAiCE Projet SeRoNet, plateforme pour le développement conjoint de solutions de services robotiques) en coopération avec des partenaires de l'industrie et de la recherche. Cette approche a pour but de rendre possible l'assemblage de systèmes robotiques à partir de briques de base logicielles modulaires testées et entièrement développées. Les développeurs logiciels peuvent ainsi se concentrer sur des modules à fonction individuelle sans avoir à se préoccuper des fonctions internes des autres composants. Et, surtout, elle permet d'associer les fonctions comme les éléments coopératifs ou collaboratifs ainsi que la logique pour des bras spécifiques, parmi bien d'autres choses, d'une manière modulaire quel que soit le fabricant. Enfin, elle réduit également les efforts des intégrateurs et des utilisateurs finaux pour en faire des adaptations personnalisées. Cette approche contribuera ainsi à l'adoption massive de la robotique. Le robot de préhension autonome Larry est équipé de la carte porteuse conga-IC175 Mini-ITX, dont les principales qualités sont ici forte puissance informatique, faible dissipation thermique, format compact et très haute fiabilité. Choix de la solution matérielle Mais prenons un exemple concret. Supposons que vous ayez un bras d'une société A, associé à un châssis d'un fabricant B et un système de vision d'un fournisseur C. Le logiciel de contrôle dédié, par exemple utilisé dans les applications intralogistiques, est alors facilement assemblé à partir des composants logiciels prêts à l'emploi grâce au haut niveau d'abstraction et ne nécessite que des réglages mineurs. Cette application n'est aucunement un rêve du futur: elle est déjà testée en réel. Par exemple, l'équipe d'Ulm a déjà mis en œuvre le duo des services robotiques Larry et Robo-tino qui, dans le cas d'une application intralogistique pharmaceutique pour Trans-pharm Logistik, assemble des boîtes de médicaments depuis des plateaux individuels de manière complètement autonome et les dépose à un point de livraison précis. Dans une configuration un peu différente, les deux robots ont pris de manière autonome des commandes de café et les ont déposées sur la table des clients. Grâce aux composants logiciels prêts à l'emploi et combinables à volonté, la nouvelle conception n'a nécessité que quelques heures de mise en place (2) . Pour per mettre d'assembler virtuellement des éléments, l'équipe du Centre de Recherche des Services Robotiques de l'Université des Sciences Appliquées d'Ulm a développé un modèle logiciel avec des composants individuels orientés services et une chaîne d'outils logiciels open source pour l'environnement de développement Eclipse. Cet environnement offre aux développeurs les outils qu'ils peuvent utiliser pour créer leur propre code pour chaque unité fonctionnelle, puis sécuriser ces algorithmes par des « containers composants » générés automatiquement. Ces containers communiquent avec d'autres containers selon des interfaces de communication uniformes. De plus, le conditionnement protège également la propriété intellectuelle du développeur de composants. L'équipe a déjà développé plusieurs de ces modules fonctionnels et ils ont déjà été utilisés dans ses projets. Il s'agit de modules de pilotage, vision machine, interface homme-machine, contrôle de bras et coordination de tâches, pour ne citer que quelques exemples. En tant qu'interface de communication unifiante, SmartSoft s'appuie aussi sur la norme UA OPC. Les fabricants peuvent se concentrer sur des containers spécifiques et bâtir leurs propres compétences. Les clients bénéficient d'une offre beaucoup plus flexible. Selon le projet robotique, les OEM peuvent choisir entre les cartes mères embarquées Mini-ITX, les cartes porteuses standards (ici Mini-ITX) avec Computer-on-Modules et les cartes porteuses personnalisées avec Computer-on-Modules. Source: congatec Au niveau matériel, la «philo-sophie» est d'utiliser du matériel embarqué générique à la place des solutions proprié-taires. Pour le matériel logique, l'équipe d'Ulm utilise la technologie x86 pour dissocier le développement logiciel aussi loin que possible de n'importe quel matériel spécifique. Avec une logique simple appropriée, une telle approche est particulièrement facile à mettre en œuvre avec la technologie x86 aussi lorsqu'il s'agit de la migration de tels systèmes. Le matériel embarqué x86 convient aussi parfaitement dans ce contexte grâce à la haute standardisation et à une documentation complète. Les formats sont standardisés non seulement en termes de dimensions, mais aussi d'interface de programmation del'applica-tion. Cela facilite le remplacement du matériel, du moment que les cartes sont conformes à la spécification eAPI du standard UIC du PICMG ou SGET. Dans ces circonstances, il est même possible de varier entre différents formats, que ce soit des cartes mères ou des Com-puter-on-Modules (modules COM), selon les besoins de l'application, sans avoir à beaucoup changer la façon d'accéder au matériel au cours de la migration. congatec, dont les produits sont utilisés par le Centre de Recherches de Services Robotiques de l'Université des Sciences Appliquées d'Ulm dans ses projets, est un fournisseur qui attache une grande importance à cette standardisation et sa documentation ainsi qu'à une intégration matérielle qui soit la plus simple possible. Pour ce projet, ce choix s'est finalement fixé sur la carte porteuse Mini-ITX entièrement industrielle, la conga-IC175. Cela parce que le format standard Mini-ITX offre de nombreux avantages pour le développement de prototypes de composants logiciels innovants dans de vrais systèmes : il intègre déjà toutes les interfaces sur une carte standard. Par ailleurs, congatec laisse l'OEM s'occuper de l'alimentation via les alimentations standards ATX, alimentations industrielles 12 V ou batteries SMART, indispensables aux robots mobiles comme Robotino et Larry. Des extensions peuvent également être réalisées rapidement et de manière efficace par cartes d'expansion PCIe. La carte est très efficace au niveau énergétique et utilise des composants embarqués robustes pour pouvoir fonctionner sans refroidisseur coûteux. Les futurs projets de robots commercialisables de l'Université d'Ulm seront mis en œuvre sur des Computer-on-Modules. Mais, peu importe s'il s'agit d'une carte-mère Mini-ITX, d'un module avec carte porteuse Mini-ITX, d'un module avec porteuse individuelle ou d'un projet entièrement personnalisé : c'est le coût total de possession qui importe au bout du compte pour l'OEM et l'utilisation d'un logiciel modulaire est également déterminée par la prise en charge logicielle du matériel. Pour faciliter l'intégration de plus de fonctionnalités à l'avenir, la prise en charge complète de la technologie hyperviseur temps réel peut apporter d'autres avantages. Les clients pourront intégrer plus de fonctionnalités, comme leur propre passerelle IoT, sans devoir utiliser une plateforme matérielle dédiée, ce qui réduit les coûts. (1) http: //www.reportsnreports. com/reports/405623-smart-robots-market-by-component-software-hardware-application-collaborative-industrial-robots-personal-service-robots-professional-service-robots-by-geography-north-america-europeapac-row-analysis-forecast-to-2020. html (2) Il est possible de visualiser une vidéo de ces deux robots en action sur le lien https: //www.youtube. com/watch?vZz66I4NVtNU

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