miniature permet une insertion complète du système dans le corps du patient. Ce robot apporte une dextérité, une précision et une fiabilité bien meilleures.
Malgré l’engouement des systèmes robotiques pour la manipulation médicale, de nom- breuses difficultés sont rencontrées dans le développement d’un manipulateur polyvalent, miniature et précis. Ces limites ont poussé les chercheurs à développer des solutions de conception et fabrication des systèmes et composants plus miniaturisés et plus dextres.
1.2.4/ SYNTHÈSE
Les domaines d’application de la micromanipulation sont nombreux et très variés. Les caractéristiques de l’objet manipulé (taille, géométrie, consistance, etc.), le milieu de ma- nipulation, les mobilités et l’espace disponible sont autant de paramètres qui influent fortement sur la conception des systèmes de micromanipulation.
1.3/
O
BJECTIFS DE LA THÈSE ET PROBLÉMATIQUES À RÉSOUDRELes recherches actuelles pour le développement de techniques de micromanipulation plus performantes sont primordiales pour des applications requérant des manipulateurs à plusieurs DDL et une grande dextérité. L’environnement de travail et l’espace dispo- nible pour effectuer les opérations de manipulation imposent également des contraintes importantes dans la conception d’un micromanipulateur.
Par la suite, nous définirons les objectifs de la thèse pour aboutir à un système robotique de micromanipulation versatile.
1.3.1/ EXACTITUDE ET RÉPÉTABILITÉ
L’exactitude d’un robot est définie par l’écart moyen entre la position de commande et la position atteinte par l’effecteur (position et orientation). Cette différence est définie dans un repère de référence. La répétabilité représente, quant à elle, la capacité de l’effecteur à revenir à une position donnée. Elle qualifie la dispersion des points dans l’espace autour de la position moyenne. Un manipulateur précis est à la fois exact et répétable.
Il est très délicat d’atteindre des exactitudes et des répétabilités suffisantes pour des mi- cromanipulateurs à plusieurs degrés de liberté à cause de l’accumulation de plusieurs défauts tels que : les résolutions des encodeurs (capteurs), les bruits électriques, les perturbations de l’environnement de travail (variation de température, vibrations méca- niques, etc.), les défauts des guidages mécaniques, les erreurs de modèles (géométrique par exemple), les déflexions des segments de la structure, les jeux dans les articulations mécaniques et les boucles de commande [Ng et al., 2006] [Senturia, 2007], etc.
Ainsi, de manière synthétique, pour atteindre les précisions requises à l’échelle micro- métrique, un micromanipulateur doit posséder des actionneurs performants, intégrer des moyens innovants de perception et mettre en œuvre des lois de commandes adaptées.
1.3.2/ DEXTÉRITÉ
La dextérité des microrobots de manipulation est un enjeu majeur pour la réalisation de microassemblages. Un manipulateur dextre est capable d’effectuer des mouvements et de transmettre des forces/couples dans toutes les directions [Siciliano et al., 2008]. Cet indice est un critère de performance qui dépend des caractéristiques géométriques du manipulateur ainsi que de la transmission de mouvements assurée par la structure ci- nématique [Ma et al., 2011]. La dextérité est une propriété locale du manipulateur et qui dépend de la configuration du robot. Elle évolue à l’intérieur de son espace de travail. Nous pouvons utiliser le conditionnement de la matrice jacobienne pour mesurer cette qualité. Une matrice parfaitement conditionnée aura un conditionnement proche de 1 alors qu’une matrice singulière aura un conditionnement qui tend vers l’infini. Un mani- pulateur est isotrope si sa matrice jacobienne est parfaitement conditionnée en au moins une configuration [Majou, 2004].
1.3.3/ COMPACITÉ
La compacité du micromanipulateur est souvent recherchée. En effet, un système com- pact peut opérer dans des endroits confinés et étroits. D’autre part, la faible masse en mouvement permet au manipulateur d’avoir de grandes dynamiques.
Les systèmes robotiques existant pour la micromanipulation sont souvent très volumineux en regard les dimensions des objets qu’ils manipulent. Ce point constitue une des raisons du manque de précision dû aux effets de dilatation thermique ainsi qu’aux défauts et aux vibrations mécaniques [Clévy, 2015].
Dans certaines applications de micromanipulation comme l’exploration intra-tubulaire [Rotinat-Libersa, 2001], le domaine médical [Ibrahim et al., 2015] ou la manipulation à l’intérieur d’un Microscope Électronique à Balayage (MEB) [Rauch et al., 2018], les es- paces accessibles sont généralement peu volumineux et encombrés par les sous- systèmes périphériques.
Par exemple, la manipulation à l’intérieur d’un MEB, qui permet de visualiser des micro- objets de dimensions caractéristiques allant de quelques dizaines de nanomètres au millimètres, offre une profondeur de champ très large permettant plus de flexibilité de manipulation [Régnier et al., 2008]. Un MEB est composé d’une chambre à vide dans la- quelle sont disposés les objets à manipuler, mais aussi le micromanipulateur. Le vide et l’isolement mécanique sont assurés à l’intérieur de cette chambre qui favorisent une fia-
1.3. OBJECTIFS DE LA THÈSE ET PROBLÉMATIQUES À RÉSOUDRE 21
bilité de la tache de micromanipulation. Par contre, son utilisation impose des contraintes significatives d’encombrement ainsi que de compatibilité des matériaux. Les différents manipulateurs et moyens de mesure doivent donc prendre en compte ces particularités. Nous souhaitons étudier, dans le cadre de cette thèse, de nouveaux mécanismes com- pacts assurant la saisie et le positionnement de micro-objets.
1.3.4/ ROBUSTESSE
Un manipulateur ou un actionneur robuste est capable de garder ses performances sta- tiques et dynamiques en présence de perturbations extérieures. Ainsi, il permet d’at- teindre des positions désirées et de les maintenir avec précision dans un milieu non contrôlé [Chalvet et al., 2013].
La force qu’un micromanipulateur est capable d’appliquer par son organe terminal est un critère de performance qui permet de justifier son utilisation pour des tâches de micro- manipulation. Lors de l’application d’une force extérieure sur l’organe terminal, si cette force dépasse la limite de robustesse du manipulateur, il est possible que la structure se déforme ou même s’endommage.
Comme la robustesse mécanique, les lois de commande influent également sur la stabi- lité du système. Une commande doit induire une bonne robustesse, pour compenser les erreurs de modélisation et rejeter les perturbations.
1.3.5/ SYNTHÈSE
Comme nous l’avons vu précédemment, de multiples applications sont couvertes par la micromanipulation. L’objectif de la thèse ne porte pas nécessairement sur une application précise, le but étant plutôt de répondre à certains besoins en micromanipulation par le biais d’un microrobot versatile. Nous nous focalisons donc sur le développement d’un microrobot dextre capable d’effectuer des opérations de manipulation avec les six DDL et dans des espaces confinés.
Tout d’abord, il paraît indispensable de se pencher sur le problème de compacité. Même si les actionneurs disponibles dans le commerce présentent des avantages de compacité et de précision suffisants pour la micromanipulation, nous n’avons pas trouvé des sys- tèmes capables de générer les six DDL dans un volume millimétrique. De plus, les jeux mécaniques et les excentricités présents dans l’assemblage de ces actionneurs pour aboutir à des robots à plusieurs DDL limitent leurs utilisations dans le micromonde. Il ne faut pas oublier que dans toutes tâches de micromanipulation avec contact, l’utilisa- tion d’un préhenseur pour la phase de saisie est primordiale. Un système de préhension externe monté sur l’organe terminal d’un robot est la solution la plus répandue à l’échelle macrométrique. Cependant, à une échelle miniature, cette solution représente plusieurs inconvénients tels que l’encombrement et les problèmes de connexion. Une solution al- ternative devra ainsi être élaborée.
Il sera alors utile de se pencher sur les micromanipulateurs miniatures avec plusieurs DDL et d’analyser les méthodes d’actionnement et de fabrication employées à cette échelle pour le développement d’un micromanipulateur versatile (i.e. dextre, compact et précis).
(a) MM3A de Kleindiek© Nano- technik.
(b) SmarGon de SmarAct© system.
FIGURE1.7 – Exemples de systèmes robotiques commerciaux sériels pour la microma-