3.3 Mise en évidence des problématiques du micro-assemblage complexe et précis . 27
3.3.4 Micro-assemblage automatisé par commande hybride force-position
Nous avons également souhaité étudier l’automatisation d’assemblage par commande référen-cée force en raison de plusieurs verrous qui ne peuvent que très partiellement être abordés par les approches exploitant une mesure visuelle : la prédominance des forces surfaciques à l’échelle micrométrique, les dynamiques très importantes ainsi que la fragilité des compo-sants. Ces verrous sont amplifiés par le manque de capteurs permettant la mesure de force [Clévy et al., 2011, Lu et al., 2006]. Différentes solutions ont été développées comme l’utilisa-tion d’AFM [Lu et al., 2006], de la vision mesurant la déformal’utilisa-tion d’une structure compliante [Reddy et al., 2010] ou de micropinces instrumentées (généralement un doigt est actionné, le second est passif permettant une mesure de la force) [Beyeler et al., 2007].
Des travaux en commande ont également été réalisés pour contrôler la force d’impact [Volpe and Khosla, 1993, Zhou et al., 1998] ou la force de serrage [Carrozza et al., 2000, Rakotondrabe and Ivan, 2011].
(a) (b)
Figure 3.13 – (a) Forces agissant sur un composant pendant sa manipulation (b) Modèle présentant l’évolution des forces de serrage Fy1 et Fy2 lorsque le composant manipulé subit une force latérale selon Y (Fy). Cette caractéristique nous a permis d’établir une force latérale limite (85 μN ) en deçà de laquelle la prise du composant est considérée stable (contacts
plan/plan).
un préhenseur à deux doigts instrumentés et capable de mesurer les forces en jeu lors d’un processus de micro-assemblage (de l’ordre du mN). Pour sa réalisation, nous avons saisi une opportunité liée à la création de l’entreprise Suisse Femtotools, qui a mis sur le marché des capteurs permettant la mesure de microforces avec des caractéristiques assez adaptées à cette étude préliminaire. Cela nous a ainsi évité de concevoir et de réaliser en salle blanche des outils adaptés. Le préhenseur ainsi réalisé est présenté sur la figure 3.12. Chaque capteur commercial possède une pointe à l’extrémité de laquelle une force peut être appliquée selon l’axe de cette pointe. Cette force engendre un déplacement de la pointe et un principe de mesure capacitif est exploité pour déduire l’effort appliqué. Chaque capteur est monté sur un porteur robotique pour générer des déplacements relatifs d’une pointe par rapport à l’autre ou un mouvement simultané des deux pointes par rapport à un substrat. Il nous est alors possible de réaliser différentes tâches comme prendre un composant, le guider dans un rail, l’insérer ou le déposer. Cette plateforme a été très utile puisqu’elle nous a permis, dans un premier temps, d’étudier le comportement d’un microcomposant pendant les différentes étapes de sa manipulation. Nous avons ainsi pu établir le modèle liant le déplacement du composant et les forces de serrage (forces qu’il subit en raison de la précharge exercée par les pointes des capteursFy1 et Fy2) et les forces de contact (forces appliquées par l’environnement c’est-à-dire tout ce qui est externe au préhenseur, il peut s’agir d’un autre composant par exemple) représentées parFx,Fy etFz
sur la Figure 3.13(a).
Nous avons, par exemple, pu observer qu’une force latéraleFy induit une succession de deux mouvements visibles sur la Figure 3.13(b) :
– lorsque Fy est faible (inférieure à une limite, Fy = 85μm dans notre cas) sur la Figure 3.13(b)), le composant subit un déplacement en translation selon la direction de la force, les contacts entre le composant manipulé et les doigts de serrage restent plans et assurent ainsi une bonne stabilité mécanique du composant ;
– lorsqueFy dépasse cette limite, le composant subit une rotation entre les doigts de serrage, les contacts mécaniques deviennent ponctuels et la stabilité du composant n’est plus assurée. Ces observations, établies sur la base de mesures corrélées à des modèles physiques, ont permis
(a) (b)
Figure3.14 – Guidage d’un composant dans une rainure : (a) Schéma de principe du guidage selon l’axe X (b) Stratégie de guidage associée intégrant la prédominance des forces de pull-off.
d’établir selon chaque direction, des seuils de force à ne pas dépasser pour garantir une prise stable du composant. Le modèle proposé conduit également à une estimation fiable la position du composant (erreur inférieure à 10%) et à la détermination de différents paramètres comme la vitesse à ne pas dépasser pendant un assemblage. A l’inverse, il nous a été utile lors de la conception du préhenseur intégré (voir Chapitre 5) notamment pour déterminer sa raideur. Cette première étude nous a également conduit à la réalisation de tâches automatisées de guidage d’un composant dans une rainure (Figure 3.14(a)). Pour cela, nous avons mis en œuvre une commande hybride force-position de type externe, permettant de commander les axes X et Z en position et l’axe Y en force. Les travaux menés nous ont amenés aux deux conclusions intéressantes :
– la présence des forces de pull-off engendre un collage du composant à chaque fois qu’il entre en contact avec l’environnement (typiquement le rail pendant une guidage). Poursuivre le mouvement d’avancée du guidage induit alors une perte du composant, et ceci, très rapidement. Nous avons alors testé avec succès une stratégie originale de guidage (voir Figure 3.14(b)) consistant à enlever tout contact avant d’effectuer un guidage. Ainsi, lorsqu’un contact apparait, le mouvement selon X est alors stoppé jusqu’à ce qu’un mouvement selon Y permette d’enlever le contact établi ;
– la dynamique de création ou d’annulation des contacts est un point particulièrement clé et a donné suite à des investigations spécifiques présentées ci-après.
Ces travaux d’assemblages automatisés par commande hybride force-position ont été réalisés dans le cadre de la thèse de Kanty Rabenorosoa et ont conduit à des résultats originaux (modélisation multiphysique, stratégie d’assemblage). Ils ont conduit à des publications dans des revues (J9 et J1), des conférences (C16, C20, C23, C24) et ont également contribué à ce que Kanty obtienne le prix de thèse de l’école doctorale. L’approche étudiée dans ces travaux, est de type quasi-statique et exploite un préhenseur non-intégré, et a été approfondie dans le cadre de la thèse de Bilal Komati, qui a développé une micropince intégrée et instrumentée en force, le modèle multi-physique dynamique de ce préhenseur et la commande hybride force-position dynamique permettant l’assemblage du micro-banc-optique (ces différents travaux font l’objet du chapitre 6).