Micro-assemblage téléopéré

Plusieurs plateformes de micro-assemblage ont été développées dans le cadre des travaux que j’ai conduit. Celles-ci ont eu pour but de réaliser des campagnes de validations expérimentales de stratégies ou de lois de commande, de principes de préhension, de principes d’actionne-ment ou de mesure, de performances de structures robotiques, mais égaled’actionne-ment de la précision d’assemblage. De part leurs objectifs très différents, les plateformes réalisées possèdent de nombreuses spécificités notamment en terme de structure cinématique. Dans ce document, nous avons fait le choix de n’en présenter qu’une afin d’illustrer certaines problématiques. La plateforme présentée a été développée pour réaliser l’assemblage de composants optiques sur un substrat pour former un micro-banc-optique (présenté en section 3.2.1). Cette plateforme a conduit à l’étude de trois objectifs intermédiaires, qui seront détaillés par la suite :

– l’assemblage d’un composant optique sur le banc optique en mode téléopéré ;

– l’assemblage d’un composant optique sur le banc optique en mode automatique par asser-vissement visuel ;

– la quantification de la précision de positionnement de ce composant à l’issue de son assem-blage.

Ces objectifs nécessitent de définir l’architecture de la plateforme de micro-assemblage, tant d’un point de vue matériel que logiciel. La plateforme intègre une micropince actionnée par matériaux actifs, montée sur un porteur robotique. La micropince choisie est celle préalablement développée au département. Son actionneur piézoélectrique possède une structure particulière, puisque chaque doigt est un duo-bimorphe, voir la Figure 3.8 qui explicite la vue en coupe

Figure 3.8 – Vue en coupe d’une poutre duo-bimorphe.

d’un doigt. Ce type de structure possède 5 électrodes ce qui permet d’alimenter la poutre de différentes manières. Des déplacements de grande amplitude et très résolus peuvent alors être réalisés que ce soit dans le plan (± 80 μm) et hors du plan (± 200 μm) et ce pour chacun des

deux doigts de la micropince. Cette micropince est ainsi dotée de 4 Degrés De Libertés (DDL) permettant la manipulation réversible, dextre et précise de composants (voir Fig. 3.9(c)). Le rôle du porteur robotique est de permettre le déplacement relatif entre deux composants à assembler (composant optique par rapport au substrat pour notre cas d’étude). Les déplace-ments à réaliser peuvent atteindre plusieurs millimètres et doivent être particulièrement résolus pour permettre de réaliser un assemblage de bonne qualité (une précision de positionnement d’un composant optique après son assemblage d’un μm est visé) et selon les 6 directions de

l’espace (3 translations et 3 rotations). Compte tenu du choix limité de technologies dispo-nibles commercialement, une combinaison de plusieurs porteurs robotiques associant des axes de micropositionnement (course de quelques millimètres, précision de quelques dizaines deμm)

et des axes de nanopositionnement (course de quelques dizaines de μm et de précision

sub-micrométrique) est retenue. A cette nécessité viennent s’ajouter plusieurs autres contraintes fortes : chaque axe de déplacement ne peut supporter qu’un poids très limité, une structure robotique complexe induit des défauts supplémentaires conséquents et réduit l’accessibilité au détriment de la qualité du retour visuel. En effet, la plateforme d’assemblage intègre 4 camé-ras nécessaires à la visualisation des composants pendant les différentes étapes du processus d’assemblage : une caméra pour la prise du composant optique, et 3 pour son assemblage sur le substrat.

La plateforme d’assemblage développée (voir Fig. 3.9), résultant du compromis des différents critères explicités précédemment, comporte les 4 porteurs robotiques suivants :

– le premier porteur (intitulé "microrobot 1") permet de générer des déplacements importants du composant maintenu par un préhenseur à vide grâce à 4 axes de micropositionnement

XM₁,Y M₁,ZM₁,θY M₁;

– le microrobot 2 permet de déplacer la micropince selon 4 DDL :XM₂,Y M₂,ZM₂,θXM₂; – le microrobot 3 réalise des mouvements fins (axes de nanopositionnement) selon 5 DDL :

XM₃,X^M₃,Y M₃,ZM₃,θZM₃;

– le microrobot 4 permet de positionner le capteur laser par rapport au substrat d’assemblage selon 3 DDL :XM₄,Y M₄,ZM₄.

Enfin, tous les axes robotiques, capteurs, outils de préhension sont reliés à un ordinateur à travers différents ports (USB, RS232 ou carte PCI). Une interface logicielle développée sous Matlab permet à l’opérateur de contrôler la plateforme d’assemblage de différentes manières (joystick, clavier, souris, programmation) et selon différents modes : téléopéré, semi-automatisé ou automatisé.

Figure 3.9 – Plateforme de micro-assemblage intégrant une micropince piézoélectrique, un préhenseur à vide, un capteur laser et 16 axes de micro ou nano positionnement répartis selon 4 structures porteuses (a) vue générale (b) vue rapprochée montrant le substrat et le capteur laser (c) micropince piézoélectrique à 4 DDL (d) vue d’un composant optique maintenu par le préhenseur à dépression en attendant d’être saisi par la micropince (e) schéma cinématique de la plateforme de micro-assemblage.

L’assemblage du micro-banc-optique, choisi comme cas d’étude (présenté en section 3.6), est réalisé en suivant le processus d’assemblage suivant : (1) le préhenseur à dépression saisit, puis sort un composant optique du wafer. Le composant est présenté en face de la micropince (voir Fig 3.9(d)). La micropince saisit ce composant optique en déformant ses 2 ressorts, (2) le composant est déplacé à proximité du substrat grâce au microrobot 2 (3) le composant est inséré dans le rail de guidage, puis guidé le long de l’axe optique en combinant les mouvements grossiers du microrobot 2 et les mouvements fins du microrobot 3, (4) une fois la position désirée du composant optique atteinte, la micropince le relâche progressivement engendrant son auto-alignement sur les rails de guidage, (5) la micropince est retirée et un autre cycle d’assemblage peut débuter.

Ces travaux nous ont permis de réaliser avec succès de multiples tâches complexes de micro-assemblage validant ainsi l’approche mise en œuvre. Nous avons également pu identifier avec plus de précision certaines limites. Par exemple, un cycle d’assemblage (de la prise d’un com-posant optique de son wafer à son assemblage final sur le banc) reste globalement long, typiquement 30 minutes pour un opérateur entrainé et dépend très fortement de son expertise.

Cette dépendance forte est liée au comportement parfois erratique des composants manipulés, du manque d’informations locales, des limites des moyens de visualisation (besoin de combiner des vues larges et vue locales, problème de profondeur de champ, correspondance entre plu-sieurs vues partielles), mais également de part le manque de repères (estimation de la position actuelle du composant manipulé, définition de la position finale désirée, définition du lien entre le repère de l’objet manipulé, de celui du préhenseur et celui du substrat). Les études présentées ci-après visent à étudier ces verrous.

Ces travaux de micro-assemblage téléopéré ont été réalisés dans le cadre de la thèse de Kanty Rabenorosoa et ont conduit à la publication d’un article de revue (J7) et de deux articles de conférences (C22, C15), C15 ayant permis l’obtention d’un "Special award" (1 papier récom-pensé sur 62).