[Liu et al., 2007] qui possède un espace de travail de ±12×12×13.5 µm avec une répéta- bilité inférieure à 17.3 nm dans toutes les directions. Cette table supporte un substrat, sur lequel sont disposés les micro-objets. Pour saisir et manipuler des objets, un préhenseur extérieur doit être coordonné avec cette table.
Une particularité de ces structures est l’utilisation de moyens d’articulation spécifiques. Les structures monolithiques élastiques sont très répandues à l’échelle micrométrique. Les articulations élastiques sont représentées sous plusieurs formes, chacune fournis- sant des propriétés différentes de déformation. Les déformations angulaires des articu- lations élastiques de ces mécanismes monolithiques sont généralement faibles et par conséquent leurs espaces atteignables. Par exemple, la fabrication de l’hexapode de NIST [Yang et al., 2012] (figure 1.16(a)) fait intervenir des articulations élastiques circu- laires par amincissements locaux dans les zones des liaisons. Les simulations par élé- ments finis ont démontré que chaque articulation est capable de se fléchir (θx et θy) jus-
qu’à 0.8◦ et de tourner autour de son axe θ
z jusqu’à 1.6◦ avec un facteur de sécurité de
1.5 avant d’atteindre la limite d’élasticité du matériau [Shi et al., 2013]. Théoriquement, en se basant sur ces valeurs de déformations, le manipulateur est capable de générer un déplacement selon l’axez de 1160 µm, deux rotations selon x et y de 0.5◦et une rotation
autour de l’axez de 1.2◦.
D’autres positionneurs font intervenir des élastomères dans les zones d’articula- tion pour augmenter leurs amplitudes de déformations. Dans le cas de McClintock [McClintock et al., 2018], les articulations (pivots) sont faites à partir d’un film en poly- imide et les débattements obtenus sont de l’ordre de ±45◦(voir figure 1.16(b)). En consé-
quence, un espace de 7.01 mm3est atteignable par l’effecteur. En revanche, la répétabi- lité de ce mécanisme n’est que de 5 µm, ce qui est moins répétable que les mécanismes monolithiques.
Les systèmes présentés dans le tableau 1.1 sont compacts et rapides. Leur utilisation à des fins de micromanipulation est donc pertinente même si leurs développements sont complexes et que leurs plages de déplacement sont limitées.
1.5. LES MANIPULA TEURS DE T AILLE MINIA TURE À LIAISONS ÉLASTIQ UES 31
TABLE1.1 – Exemples de micromanipulateurs intégrés à plusieurs degrés de liberté
Référence DDL Courses Actionnement Articulations
Structures planes
[De Jong et al., 2006] Tx, Ty et Rz ±10µm et ±2◦ Électrostatique Amincissements locaux
[Yi et al., 2003] Tx, Ty et Rz ±100µm et ±0.1◦ Piézoélectrique Amincissements locaux Structures hors-plans
[Chu et al., 2011] Rxet Ry ±5◦ Électrostatique Flexion des jambes
[Lescano et al., 2015] Rxet Ry ±15◦ Piézoélectrique Film en polyimide
[McClintock et al., 2018] Tx, Ty et Tz 7.01mm3 (Espace de travail) Piézoélectrique Film en polyimide [Liu et al., 2007] Tx, Ty et Tz
±12µm (Tx,y)
±3.5 µm (Tz)
Électrostatique Flexion des jambes [Singh et al., 2005] Tz, Rx et Ry ±60 µm et ±10◦ Thermique bimorphe Flexion des jambes
[Aktakka et al., 2013] Tz, Rx et Ry ±42 µm et ±2.3◦ Piézoélectrique Flexion des jambes
[Tung et al., 2005] Tz, Rx et Ry ±5 µm et ±1.2◦ Électrostatique Articulations en PDMS
[Zhang et al., 2005] 6 DDL ±1.4 ×1.4×10.8µm (Tx,y,z) (—— Rx,y,z)
Piézoélectrique Flexion des jambes
[Chen et al., 2006] 6 DDL ±8 ×12×8µm (Tx,y,z) ±1.1×1×1.9◦(Rx,y,z)
Électromagnétique Flexion des jambes [Brouwer et al., 2010] 6 DDL ±20 µm et ±3◦ Électrostatique Amincissements locaux [Yang et al., 2012] 6 DDL ±60 ×62×41µm (Tx,y,z)
±1.4×1.5×2.4◦(R x,y,z)
SYNTHÈSE
Les éléments présentés jusqu’ici (structures robotiques, actionneurs, préhenseurs, etc.) peuvent être intégrés pour réaliser un système de micromanipulation. Cependant, la plu- part de ces systèmes sont destinés à des applications précises. Peu d’équipes de re- cherche se sont penchées sur des systèmes versatiles pour des applications multiples. À l’heure actuelle, les solutions de micromanipulations citées ci-dessus présentent des limitations pour l’assemblage à l’échelle micrométrique. Ceci en particulier lorsque le ro- bot doit saisir et déplacer des micro-objets d’une manière répétable et stable dans un espace confiné. La conception d’un micromanipulateur requiert la prise en compte d’un grand nombre de paramètres liés d’une part à l’interaction du micro-robot avec son envi- ronnement et d’autre part aux performances requises pour manipuler des micro-objets. Le choix d’actionnement, la conception du manipulateur et les techniques de fabrication disponibles influent fortement sur les dimensions caractéristiques du micro-robot et sur ses performances. La prise en compte de contraintes de fabrication spécifiques à ces échelles dès les premières phases de conception est de plus primordiale.
Les recherches dans le domaine de la microrobotique ont fait des avancées considé- rables permettant de fabriquer des mécanismes de quelques centimètres cubes de vo- lume. De nombreux microrobots ont ainsi été développés avec non seulement différents types d’actionnements mais aussi des conceptions intégrants des articulations souples permettant de pallier certains inconvénients des structures robotiques classiques. De plus, un mécanisme avec des articulations élastiques est plus facile à miniaturiser. Ainsi, nous pouvons citer les avantages suivants :
- absence de lubrification, frottement sec, jeux mécaniques et d’usure ; - grandes répétabilités de mouvement ;
- compatibilité avec les environnements non contrôlés ou dans des milieux liquides, mais aussi en milieu hospitalier et dans les salles blanches.
Cependant, nous pouvons aussi noter des inconvénients lors de l’utilisation de ces arti- culations :
- faibles plages de déformations typiquement contraints par les limites d’élasticité des matériaux ;
- effet de fatigue du matériau ; - complexité de modélisation ; - comportement non-linéaire.
Pour réaliser les tâches de micromanipulation, un système permettant la saisie est monté soit sur l’organe terminal d’un robot soit sur une plateforme fixe. En conséquence, les contraintes d’encombrement, de visualisation, d’interfaçage opérateur et de câblage peuvent s’avérer très limitantes. Ces problèmes sont à résoudre surtout pour la manipu- lation dans des endroits confinés.
L’objectif de cette thèse consiste à développer un micromanipulateur compact permettant de générer de grandes plages de déplacements tout en assurant une préhension inté- grée. A notre connaissance, l’état de l’art en microrobotique ne fait état d’aucun robot de ce type. Néanmoins, des robots à l’échelle macroscopiques intégrant la préhension ont déjà été développés. La section suivante présente quelques structures de ce type.
1.6. LES STRUCTURES PARALLÈLES À PLATEFORMES CONFIGURABLES 33