Transfert de plateformes expérimentales

Mes activités de recherche ont conduit au développement de plusieurs plateformes expéri-mentales permettant l’étude de phénomènes ou de comportements, ainsi que la validation expérimentale de modèles ou de commandes. Une fois, certains travaux de recherche aboutis, nous avons trouvé intéressant de continuer à en exploiter certains à des fins pédagogiques, afin que les étudiants puissent mettre en évidence eux-mêmes certains phénomènes ou outils intéressants pour leur cursus ou leur futur métier. La souplesse des formations de l’université nous a notamment permis de réaliser ce transfert de manière progressive et ainsi converger rapidement vers des plateformes pédagogiques adaptées à des travaux pratiques ou projets d’enseignement. En effet, tous les étudiants doivent, par exemple, être capables de maitriser et d’utiliser correctement une plateforme dans un temps imparti très court afin que les objectifs définis puissent être atteints.

Le transfert progressif des plateformes a généralement fait l’objet des principales étapes sui-vantes :

– des discussions ont lieu pour définir l’intérêt pédagogique d’une plateforme et ainsi statuer sur son sort (module où elle sera utilisée, objectif pédagogique visé, délais...) ;

– la plateforme de recherche est ensuite modifiée (aussi bien sur les aspects matériels que logiciels) afin qu’elle puisse être prise en main assez rapidement par les étudiants. Ces mo-difications se font sur la base des objectifs prédéfinis ;

– la plateforme est utilisée en situation réelle préférentiellement dans un cadre pédagogique "par projet" qui présente de nombreux intérêts à ce stade ;

– à l’issue des premières utilisations, un bilan est réalisé par l’équipe pédagogique conduisant le plus souvent à engendrer des évolutions de la plateforme et pouvoir ainsi l’insérer dans des rotations de Travaux Pratiques ;

– une recherche de financement est réalisée afin d’assurer les évolutions ou un dédoublement de certains matériels critiques (utilisation délicate, matériel fragile ou très utilisé pour la recherche).

Les plateformes ainsi transférées sont, pour la majorité, utilisées dans le cadre de modules directement liés aux activités de recherche du département AS2M. A ce titre, elles contribuent à informer les étudiants sur les activités de recherche menées, et conduisent certains à s’orienter dans la voie de la recherche en candidatant à des stages et thèses proposées. Ce type d’insertion ne concerne qu’une partie des étudiants, ainsi nous veillions à ce que les plateformes développées puissent comporter un double objectif pédagogique, d’une part proposer un contenu qui apporte des compétences métiers "génériques" c’est-à-dire sur la base des activités de recherche mais pas à destination de celles-ci et, d’autre part, un contenu plus spécifique à ces activités de recherche directement à leur destination. Nous pouvons prendre comme exemple l’étude des matériaux piézoélectriques dont la plateforme transférée permet d’étudier différentes structures de commande. Parmi elles, nous trouvons des commandes en boucle ouverte dont certaines

sont largement répandues industriellement et d’autres plus dédiées aux spécificités du matériau utilisé ou de la structure étudiée (par exemple, un doigt de micropince). De même, ces matériaux sont largement répandus et une connaissance de leurs spécificités est utile à de nombreux métiers dans le domaine de la mécatronique. Sur cette base, une connaissance plus fine est couverte par nos domaines de recherche.

(a) (b) (c)

Figure7.2 – Trois supports de TP : (a) Pick and place automatisé par commande référencée vision de microcomposants (b) Préhension de composant par capillarité (c) Commande robuste d’un micropince.

Notons que d’autres plateformes sont également utilisées dans des modules d’enseignement liés aux activités de recherche. Nous pouvons en ce sens citer les trois TP suivants :

– le robot parallèle miniature Pocket Delta de la société Asyril, présenté Fig. 7.2(a), est doté d’un préhenseur à dépression et d’une caméra permettant de mettre en œuvre des cycles automatisés de prise et dépose de microcomposants, d’effectuer l’étalonnage de la caméra, de quantifier l’exactitude après dépôt d’un microcomposant avec l’étude de paramètres influent ;

– un robot de précision de la société Mitsubishi, présenté Fig. 7.2(b), est doté d’un préhenseur particulier puisqu’il maintient une goutte de liquide. Cet outil permet de mettre en œuvre une technique de préhension spécifique à l’échelle micrométrique puisqu’elle exploite les forces capillaires. Le TP proposé permet d’étudier la faisabilité d’une telle approche ainsi que les paramètres influents ;

– une micropince de la société Femtotools, présentée Fig. 7.2(c), est un microsystème composé de deux doigts de serrage : l’un équipé d’un actionneur capacitif, l’autre d’un capteur de force capacitif. Cette micropince est utilisée pour étudier des modèles de comportement et expérimenter différentes lois de commande notamment robuste compte-tenu de l’influence de l’environnement.

7.3.3.1/ Étude et commande d’un actionneur unimorphe piézoélectrique

La première plateforme porte sur l’étude et la commande de matériaux piézoélectriques à tra-vers un actionneur unimorphe piézoélectrique choisi comme cas d’étude utile dans les contextes des MEMS ou de la micromanipulation par exemple. La Figure 7.3 présente la plateforme déve-loppée constituée de l’unimorphe, d’un capteur laser permettant de mesurer la déflexion de son extrémité, d’un amplificateur haute tension, d’un ordinateur associé à une carte d’acquisition de type DSpace et d’une caméra de visualisation ainsi que d’un jeu de masses calibrées. Cette plateforme permet d’étudier progressivement les différents points suivants :

(a) (b)

Figure7.3 – Plateforme expérimentale permettant l’étude d’un unimorphe piézoélectrique.

– découverte des spécificités et caractéristiques du matériau : effet direct et inverse, non-linéarités (hystéresis, dérive), dynamique, influence de l’environnement (température, vibra-tions) ;

– modélisation du comportement dynamique (transfert tension/déplacement) ;

– commande en boucle ouverte en utilisant, par exemple, une approche par "Input Shaping" [Singh and Singhose, 2002] ;

– commande en boucle fermée : PID et commandes robustes.

Cette plateforme a été initialement mise en œuvre pour un module intitulé "Micromécatronique et Microsystèmes" (première année du master mécatronique et microsystème). Compte-tenu des différents contenus que cette plateforme peut adresser, son utilisation a ensuite été étendue à d’autres modules intitulés "Commande avancée" et "Usine intégrée" (seconde année du master mécatronique et microsystème), ainsi que pour le module "Procédés de fabrication innovants" de l’ENSMM.

7.3.3.2/ Étude et modélisation des AMF

Une plateforme permettant l’étude et la modélisation des AMF (Alliages à Mémoire de Forme) a également été réalisée. Ce matériau est utilisé dans de nombreux domaines applicatifs et présente de nombreuses caractéristiques spécifiques intéressantes compte-tenu de son caractère multi-physique (transduction électrique-thermique-mécanique) et des changements de phase qu’il permet. La Figure 7.4 présente la plateforme constituée d’un fil d’AMF suspendu à une platine, une masse suspendue à celui-ci et un thermocouple mesurant sa température. Cette plateforme permet d’observer et de comprendre les différents changements de phase et les étapes d’un cycle complet d’allongement-contraction. Les changements de phase (austénite à martensite et inversement) sont notamment étudiés à travers les variations de résistivité et de température du fil. L’interfaçage de la plateforme avec un ordinateur et une carte DSpace permet de confronter des résultats expérimentaux à des modèles (statique et dynamique) et également de générer des commandes.

Cette plateforme a été conçue dans le cadre du module "Micromécatronique et Microsystèmes" (première année du master mécatronique et microsystème) pour lequel elle est exclusivement

Figure 7.4 – Plateforme expérimentale permettant l’étude des AMF.

utilisée. En effet, si l’usage des AMF est particulièrement répandu, son utilisation à l’échelle micrométrique s’est fortement amenuisé depuis quelques années au profit d’autres matériaux actifs plus faciles à commander et à fabriquer.

7.3.3.3/ Etude et étalonnage d’un système de micropositionnement

(a) (b)

Figure7.5 – Plateforme d’étude et d’étalonnage d’un système de micropositionnement XY (a) la plateforme expérimentale incluant une caméra et une mire Pseudo-Périodique (b) exactitude mesurée pour une trajectoire carré.

Les travaux présentés dans le chapitre 4 ont également permis de transférer une plateforme issue des activités de recherche vers l’enseignement. Cette plateforme, présentée par la Figure 7.5 couple deux résultats de recherche :

– l’exploitation du principe de mesure par vision et mires codées ; – l’étude d’un système de micropositionnement XY.

Concernant son principe de mesure, son originalité et ses très bonnes performances, qu’il induit en regard de la littérature, le rendent très intéressant dans le cadre d’un module adossé à la recherche. La première étape du TP consiste à présenter ce principe aux étudiants et est associé à une documentation technique visant à la compréhension du principe général. Les étudiants disposent ainsi d’un moyen de mesure dans le plan et de rapport plage/résolution adapté. Cela permet d’étudier simultanément le défaut de perpendicularité entre les axes X et Y ainsi que les défauts dépendants de la position. La seconde étape du TP consiste à réaliser

des mesures et ainsi d’observer le comportement du système de micropositionnement. Les deux types de défaut pré-cités peuvent être observés sur la Figure 7.5(b), qui est un résultat de mesure typique obtenu. Les mesures réalisées sont utilisées pour identifier le défaut de perpendicularité. La dernière étape du TP consiste à compenser ce dernier afin d’améliorer l’exactitude du système.

Cette plateforme permet ainsi d’étudier un système de micropositionnement, d’en comprendre une partie du comportement, de quantifier ses performances et de les exprimer selon la norme ISO 9283, ainsi que de mettre en œuvre son étalonnage. Elle a été récemment conçue dans le cadre du module "microrobotique" (module optionnel de la seconde année du master méca-tronique et microsystème).