Lors de tâches de micromanipulation, il est aussi possible de déplacer un composant ou de mesurer les forces de contact en intégrant actionneurs et capteurs dans le plan de travail (où les composants manipulés sont disposés). Cette alternative est pertinente compte-tenu du besoin extrême et difficultés d’intégrer des actionneurs et capteurs au plus près de l’objet manipulé. Ce type de système a été assez peu étudié dans la littérature. Les systèmes présentés couvrent, pour la grande majorité, des plages d’actionnement et de mesure éloignées de celles pertinentes au contexte de la micromanipulation robotisée [Li and Xu, 2009, Clévy et al., 2008, Popa and Stephanou, 2004, Choi et al., 2001]. Les travaux présentés ici visent à proposer des systèmes compliants multi-DDL, intégrant actionnement et mesure selon une autre alternative que celle étudiée dans la section précédente (proposition d’une micropince instrumentée).
Déplacement Résolution nm Plage 100 Raideur 1100 N/m Mesure de force Résolution 60 nN Plage 2 mN Raideur 130 N/m
Bande passante Actionnement >1 kHz
Mesure 8.52 kHz
Figure 5.16 – Micropince piézoélectrique à 4 Degrés de Liberté intégrant deux capteurs de force piézorésistifs (photographies et tableau de performances)
Ces travaux ont été réalisés en trois étapes principales détaillées ci-après. Nous avons tout d’abord réalisé une plateforme instrumentée c’est-à-dire de structure compliante intégrant un capteur de force commercial et mettant en œuvre un observateur à entrée inconnue. Une se-conde étape nous a conduit à remplacer le principe de mesure de force commercial par une esti-mation de déplacement par intégration de mires codées. La troisième étape, en cours, consiste à proposer une plateforme actionnée et instrumentée multi-DDL particulièrement compacte et intégrant une mesure haute résolution.
5.4.1/ Plateforme instrumentée et observation d’entrée inconnue
Figure 5.17 – Support instrumenté constitué d’une plateforme mobile et d’un capteur de forces : (a) système expérimental (b) observateur à entrée inconnue.
Le peu de travaux présents dans la littérature et la complexité potentielle de la réalisation de plateformes instrumentées nous ont conduit, à mener une première étude fondée sur un système expérimental simple et générique (voir Figure 5.17(a)). Pour cela, nous avons réalisé un support instrumenté, dont la plateforme est suspendue à 4 poutres flexibles bi-encastrées permettant son mouvement selon l’axe X. Ce mouvement est typiquement généré par l’application d’une force extérieure (pendant la manipulation d’un composant déposé sur celle-ci par exemple) que nous cherchons à quantifier. Pour cela, un capteur de force commercial (société Femtotools,
Suisse) est intégré permettant, via une poutre à encastrement simple utilisée comme bras de levier, d’estimer cette force extérieure appliquée à la plateforme mobile.
La force extérieure exercée sur la plateformeF est inconnue, et est approximée via un
obser-vateur à entrée inconnue, exploitant la mesure de forceFm, issue du capteur commercial, et le modèle de comportement dynamique de la plateforme. Ce modèle d’entréeF et de sortie Fm
est décomposé en son gainK et sa dynamique D(s). L’observateur réalisé (voir Figure 5.17(b)) a pour objectif d’obtenir une observationF la plus fidèle possible de F tant statiquement que
dynamiquement. Cela est possible sans réaliser d’inversion de fonction de transfert (n’induisant donc pas de condition de bi-causalité ou de bi-stabilité en fixant les transferts suivants :
⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ D1(s) = 1 K D2(s) = G(s) (5.8)
Une réponse indicielle expérimentale et une analyse par méthode ARMAX ont conduit à l’iden-tification de K et G(s) sous forme d’une fonction de transfert d’ordre 4 (voir méthodologie détaillée dans [Rakotondrabe et al., 2010]). D’autres essais expérimentaux ont permis de vali-der la plage de mesure (10 mN), l’exactitude (inférieure à 45 μN) et la réponse dynamique. Ces très bonnes performances valident l’intérêt d’une approche par support instrumenté, puisque les performances atteintes sont du même ordre que pour des capteurs extéroceptifs qui, faute de place, ne pourraient pas être intégrés pour réaliser des tâches de microassemblage.
5.4.2/ Plateforme instrumentée à grand rapport plage-résolution
(a) (b)
Figure5.18 – Plateforme instrumentée à grand rapport plage/résolution de mesure intégrant un vernier : (a) la plateforme développée (b) positionnement des travaux par rapport à la littérature7.
Les travaux préliminaires explicités dans la section précédente ont permis de constater, que les performances du principe de mesure (utile à l’observation) et la conception de la structure compliante sont les deux points les plus influents sur les performances finales. Dans la litté-rature, la majorité des travaux étudient la conception mécanique de la structure compliante
(a) (b) (c)
Figure 5.19 – Plateformes étudiées : (a) plateforme de structure parallèle actionnée par 3 gouttes d’eau (diamètre des gouttes inférieur à 1 mm) (b) Micromiroir de structure parallèle
actionné par 4 actionneurs électrothermiques (surface mobile : 1mm2) (c) Plateforme action-née instrumentée intégrant 8 poutres de type duobimorphe en matériau piézoélectrique aminci) et une mire codée (surface mobile de 5x5 mmmxmm).
en cherchant à l’optimiser et en la combinant avec des principes de mesures commerciaux. Les plateformes instrumentées et présentées dans la littérature possèdent des rapports plage de mesure/résolution généralement compris entre 103 and105 (le plus souvent proche de 103 pour les travaux portant sur l’échelle micrométrique). Nous avons effectué le choix inverse en conservant la structure basique et générique présentée Figure 5.17, mais en remplaçant le capteur de force par une mesure de déplacement à grand rapport plage/résolution de mesure (voir section 4.3). Ce principe exploite la vision et une double mire à pas répétitifs permettant une résolution de mesure de l’ordre du millième de pixel. Les périodes des deux mires sont très proches afin d’exploiter, en complément, le principe du Vernier. La Figure 5.18(a) présente, le système réalisé intégrant la double mire Vernier. Les performances finales du système obtenues expérimentalement sont une plage de mesure de 50 mN, une résolution inférieure à 50 nN (d’où un rapport plage/résolution de mesure de 106) et une répétabilité de 7, 8 μNm per-mettant de positionner les travaux de manière tout à fait originale en regard de la littérature (voir Figure 5.18(b)), ici en utilisant des critères plage et résolution de mesure obtenus dans [Guelpa et al., 2015].
5.4.3/ Plateforme actionnée instrumentée hautement intégrée
Compte-tenu du peu de travaux présents dans la littérature et du manque de moyens tech-niques disponibles commercialement, nous avons choisi d’étudier, plusieurs principes d’action-nement originaux. Dans un premier temps, grâce à une collaboration avec l’équipe de Pierre Lambert (Université Libre de Bruxelles), nous nous sommes intéressés à exploiter les forces capillaires. Nous avons ainsi pu étudier une plateforme miniature actionnée par 3 gouttes d’eau déformables proposée par Cyrille Lenders (Figure 5.19(a)) [Lenders et al., 2012]. Ces travaux [Majcherczyk et al., 2014] ne sont pas détaillés ici mais font l’objet d’études encore en cours pour améliorer le système actuel (choix d’un fluide limitant les effets de l’évapora-tion et concepl’évapora-tion d’un principe de mesure). Nous avons également étudié un autre type de
7. Les références mentionnées dans la Figure correspondent aux citations suivantes : 1 = [Simson et al., 1998b], 2 = [Rajagopalan et al., 2010b], 3 = [Abadie et al., 2012], 4 = [Y. Sun, 2005], 5 = [Zea et al., 2012], 6 = [Greminger and Nelson, 2004], 7 = [Cullinan et al., 2012], 8 = [Komati et al., 2014a], 9 = [Nesterov, 2007], 10 = [FemtoTools, ], 11 = [CSM, ], 12 = [Kern, ], 13 = [Chen et al., 2009], 14 = [Y. Sun, 2003], 15 = [Beyeler et al., 2009], 16 = [Estevez et al., 2011], 17 = [Wood et al., 2009], 18 = [Berkelman et al., 2003], 19 = [Kristiansen et al., 2008], 20 = [PCE Inst., b], 21 = [PCE Inst., a], 22 = [Timber, ].
structure, cette fois-ci, actionnée par principe électrothermique (Figure 5.19(b)). Ces travaux [Espinosa et al., 2014] ne sont également pas détaillés ici et se déroulent en collaboration avec l’équipe de Hukai Xie (Université de Floride) et concernent simultanément des applications de type plateformes actionnées instrumentées (pour le micro-assemblage), comme l’intégra-tion de microsystèmes acl’intégra-tionnés au sein de MOEMS ou de micro-bancs optiques. Pour ces travaux, le rôle d’AS2M portait principalement sur les étapes de modélisation multi-physique, d’identification, de validation expérimentale des modèles et de commande.
Ces différents travaux (plateforme instrumentée et plateformes actionnées), nous ont permis d’identifier les points et solutions clés pour nos applications et ont conduit à la proposition d’une plateforme de nanopositionnement possédant 8 actionneurs (structure d’unimorphe permettant de réaliser des mouvements selon deux directions, 2.5 mm de longueur) et intégrant une mire codée (voir section 4.3 du chapitre 4) utile à l’estimation de positions et de forces de contact. La structure conçue (voir Fig. 5.19(c)) permet à la plateforme mobile, de réaliser des mouvements dans l’espace (jusqu’à 20μm selon la normale au plan de la structure). Les
performances attendues par cette structure sont assez singulière par rapport à la littérature. En effet, les structures aussi compactes exploitent l’effet électro-thermique permettant de larges déplacements dans des volumes restreints, mais s’avèrent extrêmement limitées dynamiquement (bande passante de quelques hertz). La structure proposée permet des déplacements quasiment équivalents, mais avec une bien meilleure dynamique.
Les différentes plateformes étudiées ont nécessité des travaux de nature très diverses et donc des compétences variées et nombreuses. Ils ont notamment conduit à des collaborations inter-nationales avec les équipes de H. Xie (Université de Floride, USA), de P. Lambert (Université libre de Bruxelles, Belgique) et G. Wiens (Université de Floride, USA), une collaboration avec le département de mécanique de Femto-st (Patrick Sandoz) et permis d’accueillir Paul Moore pendant sa thèse effectuée à l’université de Floride. Enfin, des contributions conséquentes ont également été réalisées dans le cadre des post-doctorats d’Alex Bienaimé et Vincent Chalvet ainsi que des stages de Valérian Guelpa, Kamel Ncir, Nathalie Majcherczyk et Alberto Espi-nosa. Ces différents travaux ont conduit à des articles publiés dans des revues (J17, J21 et J24) et en conférences (C21, C29, C35, C38 et C44).