3.2.1 Cahier des charges
L’objectif est de concevoir un microrobot porteur permettant d’effectuer des tâches de micromanipulation. Il sera utilisé dans le futur en association avec un outil fixé sur son organe terminal (préhenseur, . . .). La nature numérique de ce microrobot lui confère une capacité à se déplacer de manière précise sans utilisation de capteurs, procurant un gain de place conséquent. Il est alors possible de l’utiliser dans des milieux confinés.
Les performances souhaitées pour notre microrobot numérique sont les suivantes : Spécifications générales du microrobot
– Une commande en boucle ouverte afin d’éviter l’utilisation de lois de commande complexes fortement consommatrices en ressources (énergie, espace, temps de cal- cul, . . .). Il s’agit également d’une utilisation du microrobot sans capteur, qui sont souvent encombrants et onéreux. L’absence de capteurs concour également à diminuer l’encombrement.
– Une indépendance au bruit permet des déplacements d’une grande précision. L’absence de capteurs limite la présence de bruits électroniques et bruits de mesure. Les bruits mécaniques et thermiques sont également limités par la structure choisie et la présence de stop-blocks au sein des modules bistables.
3.2 Cinématique du microrobot numérique 55 – Une petite dimension du microrobot est préférable pour permettre son utili- sation en environnement confiné. Une petite épaisseur est tout particulièrement recommandée pour une utilisation dans un TEM dans lequel la zone de travail est très fine (centimétrique).
– Une structure monolithique (en silicium) permet d’éviter les phases d’assem- blage du robot (difficiles à l’échelle micrométrique) et les problèmes liés aux liaisons entre éléments solides (jeu mécanique, friction, lubrification, . . .).
Spécifications liées à l’espace de travail généré
– La génération d’un espace de travail discret plan (2 ddl) sera tout d’abord envi- sagée.
– Afin de simplifier les études de modélisation du robot (modèle géométrique direct et inverse), l’espace de travail généré sera carré avec une répartition homogène des positions discrètes atteignables. Il sera qualifié de cartésien.
– Afin d’obtenir un espace de travail le plus large possible, une distribution non redondante des positions atteignables sera appréciable.
– La résolution de positionnement de ce microrobot devra être submicrométrique. – Une grande stabilité et une grande robustesse des positions atteignables devront être assurées par l’utilisation des modules bistables développés dans [16] et par une architecture robotique soigneusement dimensionnée. Ces modules bistables ont été conçus de sorte à être robustes face à une force d’environ 1,5 mN, il serait souhaitable que le microrobot puisse supporter des forces supérieures à cette valeur. – Une grande répétabilité des positions atteignables devra être assurée.
3.2.2 Cas d’une structure sérielle
Pour répondre à ce cahier des charges, une première cinématique sérielle de micro- robot numérique est proposée. Dans ce type de structure robotique, la partie mobile de chaque module est connectée au module suivant. Comme présenté dans le concept de robotique numérique sérielle du Chapitre 2, cela permet de générer un robot cartésien (2D dans le cas choisis ici pour un premier concept) dont le déplacement de l’organe ter- minal correspond à la somme des déplacements de chaque module. La non redondance de l’espace de travail généré est obtenu en choisissant des modules bistables générant des déplacements différents. Tel que montré dans la Figure 2.2, dans une structure où chaque module génère un déplacement égal à la moitié du suivant, l’espace de travail gé- néré est non redondant avec une répartition homogène. Des tests de première structure microrobotique de ce type ont été étudiées dans [15] (Figure 3.1). Dans le cas de la structure à 3 modules, les modules génèrent respectivement des déplacements de 5, 10 et 20 µm, permettant alors d’atteindre un espace de travail linéaire possédant 8 positions atteignables, de longueur 35 µm avec une résolution de 5 µm.
Ce type d’agencement des modules bistables rencontre cependant quelques difficultés. Tout d’abord ces modules bistables n’ont pas été conçus pour supporter un effort hors plan. La partie mobile d’un module bistable ne peut donc pas supporter le poids de
56 Chapitre 3
Figure 3.1 – Premiers prototypes de microrobots numériques sériels utilisant des mo- dules bistables.
tous les modules qui lui sont fixés en série. Nous avons vu au Chapitre 2 un type de robot numérique présentant le même problème à l’échelle macroscopique dans [46]. La solution utilisée dans ce cas fut de fabriquer des actionneurs plus gros à la base de la structure permettant alors de supporter le poids des suivants. Ce genre de solution ne serait d’aucune aide dans le cas du module bistable puisque les efforts se font suivant l’axe hors plan (direction différente de l’actionnement), qui est la faiblesse de ce module. Le deuxième problème concerne les fils de connexion permettant d’alimenter les différents modules. Ces fils sont plutôt rigides et pourraient, lors des déplacements, empêcher certains modules de basculer. Ce phénomène serait surtout observable sur les modules à l’extrémité de la structure, subissant le plus grand déplacement.
Afin d’éviter de tels problèmes une architecture de type parallèle est préférable.
3.2.3 Proposition d’une cinématique de microrobot numérique
A l’échelle macroscopique les robots parallèles (plateforme de Gough-Stewart, robot delta, . . .) sont réputés pour permettre de grandes vitesses de déplacement, la possibilité de supporter des charges importantes et la génération d’un espace de travail souvent redondant.
Le choix d’une structure robotique parallèle permet d’éviter les problèmes rencontrés avec une architecture sérielle. Elle consiste à fixer tous les modules bistables à une même base fixe. De cette manière, les connexions électriques seront effectuées sur cette base fixe et ne perturberont en aucun cas le déplacement des éléments mobile de la structure robotique. Cette base fixe contribue également à éliminer le problème dû au poids des modules bistables. Le déplacement des modules est transmis jusqu’à l’organe terminal par l’utilisation d’une architecture articulée particulière. De cette manière la charge est équitablement répartie sur tous les modules bistable de la structure. Ceci est valable pour le poids de cette architecture (force exercée suivant la direction hors plan), mais également pour les efforts rencontrés lors des tâches de manipulation de ce microrobot. La présence d’obstacles par exemple générera une distribution des efforts sur tous les modules bistables de la structure, conduisant à l’augmentation de la robustesse du mi-
3.3 Modèle géométrique direct 57