Avec de plus en plus de robots mobiles, de nombreux secteurs automatisent leurs tâches logistiques et de service. On retrouve historiquement les AGV (véhicules à guidage automatisé) et AMR (robots mobiles autonomes) en logistique et intralogistique industrielle. Leur différence, usuellement liée à la flexibilité de navigation des AMR, sans marquage au sol, rail ou filoguidé, s’efface au gré des innovations liées à la navigation des AGV.
Dans le service à la personne, la démocratisation de la robotique mobile est en marche ! Il existe désormais des robots dédiés à la santé ou au service, robots chiens destinés à l’inspection, dans la grande distribution, robots destinés au terrain militaire, robots outdoor, etc. L’effervescence du premier Rover est désormais bien loin… Bien entendu, tous ces robots fonctionnent grâce à une ou plusieurs batteries intégrées, qui dictent leur performance sur le terrain.
Comment ? Analysons le sujet ensemble.
Différentes contraintes et différents postes de dépense énergétique
Les robots mobiles sont exposés à différentes contraintes en fonction de leur usage. Leurs caractéristiques techniques, méthodes de recharge ou encore le type de batterie utilisée seront adaptés à leurs spécificités.
Voici trois exemples de robots mobiles et les contraintes auxquelles ils sont confrontés :
– Les robots mobiles autonomes pour la logistique
AMR utilisés principalement dans le milieu industriel et logistique, ils se déplacent au sein des entrepôts ou autres terrains lisses et plats où il peuvent emporter des palettes de plus d’une tonne d’un point à un autre, par exemple pour les robots aux charges les plus élevées de la société iFollow. Un robot mobile, selon la marque, ira biberonner par périodes en se chargeant durant quelques minutes avant de retourner travailler : en moins de vingt minutes un robot tel que celui de la société Scallog ou Exotec retrouve une charge de 80%.
Ils embarquent LiDar et blue spot, des équipements peu énergivores, destinés à la navigation et à assurer la sécurité des personnes environnantes et sont connectés à un logiciel de gestion de flotte afin de suivre l’évolution des différents robots dans les allées. Les contraintes sur la batterie sont principalement liées à l’autonomie de ces robots et aux charges importantes qu’il peut transporter. Notons également les capacités des robots Ifollow à s’adapter à des environnements froids.
Certains intégrateurs proposent également d’embarquer un cobot sur certaines marques de robots (MiR, OMRON…), un équipement périphérique gourmand en énergie qui réalise des opérations de picking.
– Le robot agricole Ted, de la société française Naïo Technologies
C’est un robot à guidage automatique destiné à l’agriculture et plus précisément au travail dans les vignes. Pouvant affronter des pentes jusqu’à 30%, il dompte les températures extérieures, été comme hiver, pour assurer le désherbage des vignes. Sa batterie est soumise à des contraintes fortes pour escalader les domaines alpins ou supporter des températures extrêmes. La gestion de terrain instable demande davantage de traitement de données pour coordonner les roues et réactions du robot.
– BeBot développé par NITEKO et commercialisé par Poralu Marine
Un robot autonome nettoyeur de plage destiné à éliminer les mégots, déchets solides et emballages polluants. Ici aussi, les contraintes sont importantes : malgré des chaînes adaptées, il doit se déplacer sur un terrain brûlant et difficile. A noter que la dépense énergétique est nettement plus importante sur le sable, un terrain instable. En sus, le mécanisme de filtration des déchets par ratissage et sa capacité à traîner des charges de 400 kilos sont énergivores. Grâce à une double alimentation batterie et solaire, son autonomie est de trois heures.
Le nerf de la guerre en robotique mobile ? L’autonomie
Comme nous l’avons vu, les contraintes applicatives et de traitement de données vont générer des dépenses énergétiques plus ou moins importantes auxquelles les batteries devront répondre avec le juste dimensionnement.
Un des objectifs majeurs est de limiter le temps de maintenance et de recharge des batteries, donc d’opter dès la conception pour des batteries fiables, durables et résistantes aux contraintes de terrain. La question du remplacement des batteries et du nombre de cycles possible devra aussi venir très tôt en phase de conception, tout comme la recherche du robot le moins lourd possible pour ne pas gaspiller d’énergie.
Les applications outdoor subiront davantage des extrêmes thermiques, ainsi que des décharges plus profondes en l’absence de biberonnage. Ces facteurs nécessitent un BMS (Battery Management System) adapté, capable de gérer les fortes expositions thermiques pour protéger l’intégrité de la batterie, maximiser sa durée de vie tout au long de la décharge. Une batterie performante permet à son robot de travailler plus longtemps car plus efficacement.
Les batteries lithium-ion : la solution pour dompter tous les robots mobiles
Des technologies de batteries capables de gérer une forte demande en énergie, à l’image des batteries lithium-ion, se sont imposées chez la plupart des fabricants de robots mobiles. Ces batteries se différencient des technologies précédentes principalement par l’absence de matière toxique telle que par exemple le plomb, , une densité d’énergie (Wh/kg) très supérieure, un poids fortement réduit.
La batterie lithium-ion s’impose face à la batterie plomb dans les applications de robotique mobile par ses nombreuses qualités :
- Une durée de vie nettement supérieure, avec la possibilité d’atteindre une profondeur de décharge de 90%, voire 100% sans se dégrader.
- Un effet Peukert presque inexistant, autrement dit une batterie ayant une efficacité énergétique proche de 100% également à forts courant de décharge. Par exemple, dans le cas d’une charge lourde sur un robot, d’une traction importante ou un terrain escarpé, le courant de décharge sera plus important mais sans perte notable de la capacité de la batterie.
- Un effet mémoire inexistant, contrairement aux technologies NiCad et NiMh, ce qui rend disponible à tout moment l’énergie stockée.
- Un poids et un encombrement plus faible que la technologie plomb, comme par exemple pour la batterie Lithium Fer Phosphate (LFP ou LiFePO4), très appréciée pour alimenter des robots mobiles par son gain de poids supérieur à 50% et une plage de tension équivalente à celle d’une batterie au plomb.
- La possibilité d’ajouter un système réchauffeur permettant de réguler la température, apportant ainsi une résistance climatique au chaud et froid nettement supérieure, avec des plages de fonctionnement de -20°C à 60°C. Un aspect très important pour les robots intervenant en extérieur ou dans des conditions difficiles, comme vu précédemment.
La batterie aura ainsi un impact direct sur la performance du robot. Pour des applications plus clémentes, pour des AMR ou AGV évoluant dans des environnements avec moins de contraintes, les technologies lithium sont capables de délivrer de l’énergie sans perte notable de rendement jusqu’à décharge complète, pouvant aussi se recharger rapidement ou par biberonnage régulier.
L’autonomie d’un robot mobile va ainsi principalement dépendre de l’efficacité de sa batterie, par les contraintes qu’il rencontre sur le terrain et par une conception initiale efficace face à ces différentes contraintes.
Nous concevons chez TecSup des batteries lithium sur mesure qui s’adaptent aux contraintes de l’application, même les plus hostiles. Dès la phase de conception, nous cherchons à trouver la batterie la plus adaptée aux besoins et à l’usage : durée de chargement, nombre de cycles, plage thermique, courants pics…
Au fait des challenges que représentent l’électrification de robots mobiles, nous travaillons depuis 2016 avec Exotec, entreprise française qui a révolutionné le monde de la logistique avec son robot Skypod®. En savoir plus sur notre collaboration avec Exotec® et nos solutions pour la robotique mobile.