Ce chapitre portait sur l’étude des technologies permettant de résoudre certains verrous liés à des besoins forts en systèmes plus petits, plus intelligents, plus performants et intégrants plus de fonctionnalités. Le chapitre 3 a montré que cette tendance générale possède un intérêt extrê-mement particulier à l’échelle micrométrique compte-tenu du manque de systèmes miniatures, du manque de moyens de mesures intégrés et des nombreuses spécificités les rendant pourtant indispensables (forces de surface prédominantes, dynamiques, influence de l’environnement...). Ainsi, ce chapitre nous a permis d’étudier en premier lieu différentes briques de base particuliè-rement intégrées et innovantes, induisant des performances uniques en regard de la littérature : – actionneurs fondés sur du PMN-PT, qui est un matériau piézoélectrique encore mal connu. Son étude nous a permis de mieux comprendre son comportement, mais surtout d’établir tout son potentiel pour la microrobotique grâce à des déplacements d’environ deux fois supérieurs aux autres matériaux piézoélectriques, à un nombre de DDL plus important et à une hystérésis beaucoup plus faible ;
comblant le gap important qu’il y avait entre les matériaux piézoélectriques à film fin et les actionneurs massifs ;
– capteur des microforces fondé sur un principe piézorésistif particulièrement intégré, de très bonne bande passante et de rapport plage de mesure/résolution particulièrement élevé. Ce chapitre nous a également permis d’étudier ou de développer plusieurs systèmes micromé-catroniques ou microrobotiques innovants et possédant des performances accrues en regard de la littérature. Certaines sont fondés sur les briques de base précédemment citées :
– une micropince PMN-PT[011] à 6 DDL possédant un très grand espace de travail et ne nécessitant plus d’utiliser des porteurs robotiques de nanopositionnement ;
– un micro-banc-optique intégrant un actionneur PMN-PT[001] permettant des déplacements hors-plans très rapides ;
– une micropince piézoélectrique intégrée et instrumentée en force, qui sera utilisée pour la réalisation de cycles de micro-assemblages automatisés présentés au chapitre 6 ;
– plusieurs plateformes compliantes intégrées actionnées et/ou instrumentées de principes ori-ginaux issus de travaux collaboratifs.
L’ensemble de ces travaux a été réalisé en vue d’effectuer des tâches de micro-assemblages complexes et automatisées, mais adressent des problématiques générales. Ils constituent, par exemple, de très bonnes solutions pour des problématiques d’outils chirurgicaux mini-invasifs, pour l’instrumentation, pour la biologie ou pour la caractérisation mécanique de microcompo-sants. Ainsi, de très nombreuses perspectives sont imaginables, qu’il s’agisse de leur utilisation directe pour des problématiques de micro-assemblage ou pour d’autres problématiques. A no-ter que les technologies de microfabrication connaissent actuellement des progrès conséquents relatifs à la fabrication des matériaux piézoélectriques et permettent de réaliser des structures de formes de plus en plus complexes et fines ouvrant également de nouvelles perspectives.
6
Commande hybride
force-position
Ce chapitre présente les travaux de commande hybride force/position, qui ont conduit à l’auto-matisation de micro-assemblages complexes. L’approche dynamique, étudiée dans ce chapitre, fait suite aux travaux préliminaires (approche quasi-statique présentée en section 3.3.4 et réa-lisation d’une micropince instrumentée en force présentée en section 5.3). Elle vise notamment à traiter les problématiques spécifiques des transitions contact/non-contact comme la force de pull-off. Pour cela, le modèle dynamique non-linéaire de la micropince instrumentée est étudié. Il est alors associé à une commande hybride externe qui permet de contrôler certains axes en position et les autres en force. Pour les axes commandés en force, une nouvelle commande en impédance avec suivi de référence est proposée selon un principe non-linéaire par mode glissant avec estimation des paramètres en ligne. Cette commande a ensuite été mise en œuvre avec succès pour assembler des composants optiques (cas d’étude présenté en section 3.2.1) dont on ne connaît initialement aucune caractéristique. La robustesse de la commande proposée a également été mise à l’épreuve à travers la réalisation de nombreux cycles d’assemblage automatisés complets (prise-guidage-dépose).
6.1/ Introduction et positionnement des travaux
Automatiser des tâches complexes de micro-assemblage possède un intérêt industriel certain (productivité, qualité constante....), mais également un intérêt scientifique important. En effet, cela nécessite une connaissance et maîtrise approfondie du comportement de chaque sous-système puisqu’il ne s’agit plus d’établir une preuve de concept mais de faire qu’un sous-système complexe fonctionne de manière relativement répétable. Ces différentes raisons conduisent de nombreuses équipes à étudier l’automatisation de tâches de micro-assemblage par différentes approches présentées dans la littérature.
Une des approches les plus répandues consiste à exploiter un retour visuel. En effet, les plateformes de micro-assemblage intègrent plusieurs caméras. Celles-ci constituent un des seuls moyens techniques permettant de réaliser des mesures selon plusieurs directions de l’es-pace avec un rapport plage/résolution intéressant, sans trop contraindre l’esl’es-pace de travail. Ainsi plusieurs approches et algorithmes de traitement d’images ont été étudiés, puis mis en œuvre pour réaliser des micro-assemblages automatisés [Wang et al., 2010a, Anis et al., 2010, Tamadazte et al., 2011, Wason et al., 2012]. Ces études démontrent la faisabilité de tâches au-tomatisées par cette approche et illustrent également les limites actuelles : problèmes étudiés planaires, absence d’information sur les forces de contact, bande passante de mesure faible...
Figure 6.1 – Étapes pour la prise ou dépose d’un composant (a) aucun des deux doigts de serrage n’est en contact avec le composant (b) un des doigts de la micropince entre en contact avec le composant - situation typiquement instable (c) les deux doigts de la micropince sont en contact avec le composant - il est alors saisi.
La seconde alternative principale étudiée consiste à exploiter un retour en force. Des équipes utilisent des approches intégrant de nouveaux capteurs développés capables de mesurer les forces produites pendant un processus d’assemblage (typiquement inférieures à 1 mN) [Xie et al., 2010, Rakotondrabe et al., 2015] tandis que d’autres mettent en œuvre des cap-teurs disponibles dans le commerce comme des AFM [Xie and Régnier, 2009] ou diapasons [Venant et al., 2010] (ces derniers sont plutôt utilisés pour la manipulation de composants de dimensions inférieures à 10 μm). Ces différentes études ont montré l’intérêt de la mesure
des forces de contact, qui permet notamment de définir des stratégies de manipulation ou d’assemblage adaptées à l’échelle micrométrique.
Ces différents travaux récents de la littérature, ainsi que les études préliminaires présentées au chapitre 3, montrent que la réalisation de tâches complexes de micro-assemblage reste une problématique très ouverte et que les points suivants sont particulièrement clés :
– la commande proposée doit tirer avantage d’une association de différentes mesures complé-mentaires que sont force et position : la mesure des forces de contact devant être la plus directe possible pour éviter d’utiliser un modèle conduisant à une estimation ;
– les stratégies de assemblage doivent tenir compte des spécificités de l’échelle micro-métrique (force de pull-off, dynamiques, influence de l’environnement....) ;
– la commande proposée doit permettre de maîtriser les transitions contact/non-contact sources d’instabilité et d’imprécision : typiquement l’étape présentée en Fig. 6.1(b), c’est-à-dire lorsqu’un seul doigt de la micropince entre en contact avec le composant, induit une situation très instable du composant (une très faible force appliquée sur un composant miniature induit des accélérations très conséquentes) ;
– la commande proposée doit induire une bonne robustesse, notamment pour pallier les incer-titudes et variations de comportement.
Pour cela, nous avons avons proposé une micropince piézoélectrique à deux doigts de serrage intégrant deux capteurs de microforces (présentée en section 5). Cette micropince permet ainsi d’établir les transitions contact/non-contact de manière dynamique et de mesurer la force de pull-off. Ce chapitre présente alors le modèle dynamique de cette micropince, dont l’objectif est notamment d’établir la relation non-linaire entre les forces de contact, la position de l’extrémité de l’organe terminal et la tension d’alimentation de l’actionneur. Ce modèle considère les différents scénarios d’un processus de micro-assemblage et intègre notamment les mouvements libres (aucune force appliquée) et les mouvements contraints (une force est appliquée et contraint le mouvement). La validation expérimentale de ce modèle est ensuite proposée, puis utilisée pour identifier la position ou la raideur d’un microcomposant sans aucune
connaissance apriori le concernant.
La micropince est ensuite intégrée dans une station de micro-assemblage pour effectuer des tâches complexes de micro-assemblage, l’assemblage des composants optiques présentés au chapitre 3 étant utilisé comme cas d’étude. Une commande hybride force-position est ensuite étudiée pour automatiser des tâches complexes de micro-assemblage. Une stratégie particu-lière a également été proposée pour prendre en compte la force de pull-off (effet de collage relativement imprévisible). Ces différents travaux font l’objet d’une validation expérimentale qui est également présentée dans ce chapitre.