5.4 Prototype opérationnel
5.6.2 Première micromanipulation
Ce premier prototype de DiMiBot à 4 modules a prouvé la faisabilité d’une telle structure en générant un espace de travail discret cohérent avec les résultats attendus (calculés par modélisation et simulés). Un premier test de micromanipulation a pu être
112 Chapitre 5
Tableau5.3 – Synthèse des caractéristiques techniques du DiMiBot. Modules
Quantité 4
Déplacement entre états ∼ 35 µm Énergie de basculement < 30 mJ Espace de travail généré Nombre de points 16 Course 10,5 µm Résolution 3,5 µm Répétabilité < 90 nm Force de maintien 5,2 mN
5.6 Utilisation du DiMiBot 113 effectué avec ce premier microrobot numérique. Le DiMiBot étant dans un premier temps uniquement utilisé comme micropositionneur, et non en tant que microrobot sur lequel serait fixé un outil (micropince ou autre), ce test de micromanipulation ne fera intervenir que des poussées d’objets à l’échelle micrométrique. L’objet manipulé est une microbille de 150 µm de diamètre (Figure 5.15). Nous avons choisi un objet suffisamment volu- mineux pour éviter de rencontrer les problèmes d’adhésion ou autres effets indésirables (électrostatique par exemple). Ceci nous a permis de conduire des manipulations sans comportement “aléatoire” dans le plupart des cas.
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 Position suivant X0( µm) P osition suiv an t Y0 ( µ m ) 1 2 3 4 5 6 Position initiale Position finale R0 R1 Étapes de déplacement.
Position Mot binaire (bl1bl0br1br0) initiale 0100 0110 0100 0000 0010 0110 finale 1110
Figure5.15 – Déplacement d’une microbille de 150 µm de diamètre.
Nous avons effectué un déplacement de cette microbille suivant les deux directions du plan, dont le détail des étapes est présenté dans la Figure 5.15. Le premier déplacement est effectué dans la direction +Y1à l’étape 1 sur une distance de 7 µm par basculement du module br1 vers l’état 1. Les étapes 2 à 5 servent ensuite à contourner la microbille pour venir positionner l’organe terminal du microrobot sur un autre côté de la bille. Finalement l’étape 6 effectue le deuxième déplacement de la microbille suivant la direction +X1 sur une distance de 7 µm par basculement du module bl1 vers l’état 1.
Lors de ces déplacements, nous n’actionnons qu’un seul module à la fois. Nous ex- pliquerons au Chapitre 6 que ceci permet de contrôler la trajectoire empruntée par l’organe terminal lors du déplacement d’un point discret à un autre.
114 Chapitre 5
5.7
Conclusion
L’étape de microfabrication du DiMiBot fut la plus difficile et chronophage de ce tra- vail de thèse, nécessitant de nombreux cycles d’essai-erreur avant d’obtenir un flowchart de bonne qualité et répétable. Le moment le plus délicat étant la gravure des derniers micromètres de silicium de la face inférieure lors de l’ajout du wafer support perturbant le bon refroidissement du wafer.
Le microrobot est réalisé sur un wafer SOI de 401 µm d’épaisseur et nécessite trois grandes étapes de microfabrication :
– la réalisation des connexions électriques en aluminium ; – la gravure des éléments mobiles de la structure ;
– la libération du microrobot.
Les masques servant à la réalisation de chacune de ces étapes sont détaillés dans l’Annexe B. Cette étape de microfabrication a finalement permis de donner vie à notre microrobot numérique. Un DiMiBot symétrique à 4 modules (générant 16 positions atteignables) a permis de confronter les modélisation et simulations réalisées à la réalité. Malgré les dé- fauts de microfabrication, les résultats obtenus par ce microrobots sont encourageants, et permettent de justifier l’usage d’un tel microrobot pour des tâches de micromanipulation en milieux confinés, grâce à ses grandes performances de stabilité et de répétabilité de positionnement effectuée en boucle ouverte.
Chapitre
6
Planification de trajectoire
Nous introduisons dans ce chapitre une première approche concernant le contrôle (effectué en boucle ouverte) de ce microrobot numérique. Sa particularité “nu- mérique” fait de lui un microrobot dont les déplacements ne sont pas intuitifs. Il nécessite alors l’utilisation de nouveaux outils afin de planifier les trajec- toires qu’il lui est possible d’emprunter entre deux points de l’espace de travail. Ce chapitre se focalise sur cette étude de planification de trajectoire.
Sommaire
6.1 Trajectoire pour les robots numériques macroscopiques . . 115 6.2 Application au DiMiBot . . . 117 6.2.1 Particularités du DiMiBot . . . 117 6.2.2 Utilisation de la théorie des graphes . . . 120 6.2.3 Calcul de trajectoire . . . 123 6.2.4 Introduction des obstacles . . . 124 6.3 Graphe hyper-cubique . . . 127 6.3.1 Introduction à l’algorithme A* . . . 127 6.3.2 Application au DiMiBot . . . 129 6.3.3 Le graphe hyper-cubique . . . 129 6.3.4 Utilisation de l’algorithme A* pour le DiMiBot . . . 131 6.4 Application à la micromanipulation . . . 133 6.5 Conclusion . . . 133
6.1
Trajectoire pour les robots numériques macroscopiques
L’utilisation d’un robot nécessite de contrôler avec précision la pose de son outil à tout instant. Cela consiste à définir la courbe géométrique que doit suivre l’outil entre deux points et le mouvement de rotation qu’il doit subir entre les orientations de départ et d’arrivée. Une fonction de temps de chacun de ces paramètres (position et orientation)
116 Chapitre 6 doit alors être définie afin de calculer les fonctions du temps des coordonnées articulaires du robot. Ces calculs peuvent devenir particulièrement complexes en présence d’obstacles au sein de la scène de travail.
Dans le cas des robots numériques, le calcul de trajectoire est différent puisque les co- ordonnées articulaires ne sont plus des variables continues, mais des valeurs binaires. La robotique numérique est un domaine particulier de la robotique permettant la génération de déplacements de très grande précision et stabilité par l’utilisation d’une commande en boucle ouverte simple. Une particularité intéressante de ces robots numériques est qu’ils ne nécessitent aucune phase d’étalonnage. La seule étape préalable à l’utilisation du robot qui pourrait se rapprocher de l’étalonnage serait de forcer tous les modules à une valeur donnée afin de s’assurer de la position de départ (par exemple positionner tous les actionneurs binaires à l’état 0). Connaissant la position dans laquelle nous débutons ainsi que la suite des commandes effectuées, une connaissance parfaite de la position de l’organe terminal du robot est assurée malgré l’absence de capteurs.
Compte-tenu de ce type de commande, la planification de trajectoire des robots nu- mériques présente un point de vue légèrement différent de celui des robots traditionnels. Comme il est impossible de contrôler temporellement le déplacement d’un actionneur binaire, aucune analyse dynamique n’est envisagée. Seule la trajectoire empruntée par l’organe terminal du robot peut être contrôlée.
Suite à la conception du robot numérique VGT développé par Chirikjian [19], et de ses différentes variantes (particulièrement 3D), de nombreuses recherches de contrôle de ce type de robot ont été effectuées. Bon nombre de ces études concernent les calculs des modèles géométriques direct et inverse [38, 39, 63, 20, 60, 92], tandis que quelques- unes se focalisent sur le contrôle de la trajectoire empruntée par l’organe terminal du manipulateur [62, 67, 18]. La trajectoire que le robot doit suivre est définie par une suite de points qu’il doit atteindre les uns après les autres dans un certain ordre. Il s’agit par exemple de suivre une trajectoire en forme d’ellipse, laquelle ayant été discrétisée en un certain nombre de points caractéristiques. Cette étude de trajectoire consiste à définir les actionneurs binaires à activer (dont l’état doit changer) pour atteindre le point suivant de la trajectoire.
La technique utilisée ici consiste à simplifier la recherche de trajectoire pour les robots possédant un grand nombre d’actionneurs (par exemple une trentaine), afin d’éviter d’ex- plorer tout l’espace des configurations possibles à la recherche de la meilleure solution. Cet algorithme [62] fait usage de l’hyper-redondance de l’espace de travail généré par un tel robot. Afin de limiter l’espace des positions à explorer pour atteindre une position désirée, il tente d’effectuer chaque déplacement (chaque discrétisation de la trajectoire) en n’actionnant que 3 actionneurs binaires (sur les 30 actionneurs binaires d’un robot à 10 modules). Dans ce cas la recherche se focalise donc sur 30
3
(=4060) positions au lieu d’explorer les 230positions atteignables par le manipulateur. Se limiter à un certain nombre d’actionneurs n’est possible que grâce à l’hyper-redondance de ce manipulateur
6.2 Application au DiMiBot 117