Des pinces optiques pour un ressenti tactile de la micromanipulation

HAL Id: tel-00964202

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micromanipulation

Cecile Pacoret

To cite this version:

Cecile Pacoret. Des pinces optiques pour un ressenti tactile de la micromanipulation. Automatique /

Robotique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. �tel-00964202�

T H È S E

pour obtenirle grade de

Do teur de l'Université Pierre et Marie Curie

Spé ialité : Robotique

Présentée par

Cé ile Pa oret

Des pin es optiques

pour une sensation ta tile

de la mi romanipulation

Thèse dirigée par Stéphane Régnier

soutenue le 04juillet2011

Jury :

Jean-PierreGalaup - Dire teur dere her heCNRSORSAY

Rapporteur

Ni olasAndreff - Professeur àl'UniversitédeFran he-Comté,Besançon

Rapporteur

Vin entHayward - Professeur àl'UniversitéPierre etMarieCurie,Paris

SuatTopçu - Professeur àl'UniversitédeVersaillesStQuentin

StéphaneRégnier - Professeur àl'UniversitéPierre etMarieCurie,Paris

Dire teur dethèse

Mehdi Boukallel - Chef deprojetauCEA-LIST,Fontenay-aux-Roses

Co-en adrant

Invité :

Résumé :Lesmi rote hnologies sontde plusenplus présentesdansnotrequotidien.

Leur produ tion est aujourd'hui restreinte à des pro édés de masse par

photolitho-graphie. Leur fabri ation est mal ontrlée et les défauts sont fréquents. Or l'étude

individuelle de haque mi ro omposant est parti ulièrement di ile et oûteuse. La

mi rorobotique proposedes solutions automatiques ou téléopérées an de résoudre e

type de verrous te hnologiques.

Pour des raisons é onomiques et de exibilité, de nombreux utilisateurs se tournent

versun ontrle impliquant unopérateur.Plusieurs travauxont proposéunretour des

intera tions lorsdelatâ heaumoyend'uneinterfa eutilisateurévoluée,ditehaptique,

an d'augmenter l'immersion dans lemi romonde et don la dextérité del'opérateur.

Dans le as de la mi romanipulation, les fa teurs d'é helle et les fortes dynamiques

provoquent de nombreuses instabilités dans le ouplage bilatéral re her hé. Il a don

éténé essaire d'utiliser des ontrleurs évolués audétriment dessensations.

Pour obtenir dessensations réelles etutiles, nousproposons de revisiter la

probléma-tique sous un autre angle. Plutt que d'utiliser un mi romanipulateur existant, nous

avons onçuun système dédié au retour d'eort. Nousposons les prémi es d'un

nou-veau on ept de mi romanipulation haptique exible, able etutile grâ e à des hoix

etdesoptimisations de méthodesetde te hnologies :

•

•

•

•

Ce travail multidis iplinaire s'appuie sur la réalisation de trois installations

expéri-mentalesetsurdes ollaborationsentredeséquipesdemi romanipulation, d'haptique

etde vision.

Mots lés : Mi romanipulation, pin es optiques, téléopération, haptique,

Abstra t : Today, mi rote hnologies are ommon pra ti e intheindustry.Theyare

generally mass-produ ed by photolithography with several inherent di ulties. As a

result, it is di ult to diagnosis defe ts in single parts as individual manipulation is

omplexandnot ost-ee tive.Inordertoover ometheseshort omings,mi roroboti s

proposesdierent te hniques, eitherfullyautomatedor teleoperated.

Given the omplexity of the manipulation task and the required exibility, it is

ne- essary to involve a human operator in the pro ess. The use of for e feedba k is a

re ommended approa h to enhan e theoperator's dexterity. In the aseof mi ros ale

manipulation,bigs alingratiosandspe i dynami sare riti alforabilateral oupling

s hemes.Inorderto guaranteethestabilityofsu ha oupling,advan es ontrollersare

usedwiththe se ondaryee ttoredu ethe qualityofthefor einformation, hen ethe

sensation,fedba kto theuser.

The approa h proposed here aims to design a mi romanipulation system spe i ally

tailored to over omethese short omings, improving the human per eption of the

ma-nipulation task while still guaranteeing the stability, instead of adapting an existing

systemto a for efeedba ks heme. in this prospe t, several te hni al paths and

opti-mizationsareinvestigated :

•

•

•

•

Intheframe ofthis multidis iplinary study,threeexperimentalsetups are onstru ted

in ollaboration with spe ialists in mi romanipulation, omputer vision and

hap-ti /ta tile per eptions.

Keywords : Mi romanipulation, opti al tweezers, teleoperation, hapti , event

Remer iements

Auxorganismes d'a euil etnan ements :CEA, CNRS,ISIR, COST

Aux en adrants et à leur enduran e : Stephane Régnier, Moustapha Hafez, Arvid

Bergander, MehdiBoukallel

Tomydearandmosthelpful ollaborators:Prof.MilesPadgett,Dr.Ri hardBowman,

Dr. GrahamGibson

Aux pré ieux onseillers : Vin ent Hayward, Ryad Benosman, Sio Ieng, Martine

Guerrand, SinanHaliyo

Aux se rétaires qui font tout le reste et qu'on oublie trop souvent : Anni k Latare,

Mi hèle Vié, Sylvie Manga-Akoa,Pas ale David

Auxgrands oup de main:SylvainPledel

Aux amis et soutiens inestimables : David Roze, Kashif Said, Emir Vela, Hussein

Sleiman, Florian S hramm,Florent Souvestre,DenisDesmaele

A toutel'équipe de mi rorobotique etd'haptique del'ISIR

Un mer i très parti ulier à mes amis et ollègues Zhenjiang Ni et Stéphane Régnier

pour ettebelle etparfoisdouloureuseaventure.

Introdu tion générale 1

1 La télé-mi romanipulation 3

1.1 Le ontextea tuel de lami romanipulation . . . 5

1.1.1 L'opérateur demi romanipulation . . . 5

1.1.2 Le retour d'eort . . . 8

1.1.3 Le ouplage entre ma ro-etmi romonde . . . 9

1.2 Lestélé-mi romanipulateurs haptiquesexistants . . . 11

1.2.1 Résumé deste hniques demi romanipulation . . . 11

1.2.2 Mi ropin es etmi ros opesà for eatomique. . . 13

1.2.3 Pin es magnétiques etoptiques . . . 16

1.3 Nouvelle appro he :une on eptiondédiée auretour d'eort . . . 20

1.3.1 Le besoin . . . 20

1.3.2 Le ahier des harges . . . 22

1.3.3 Choixdu mi romanipulateur . . . 26

2 Les pin es optiques et le retour d'eort 31 2.1 Étatde l'artdespin es optiques . . . 31

2.1.1 Prin ipe . . . 32 2.1.2 Installation optique. . . 36 2.1.3 Étalonnage . . . 39 2.1.4 Appli ations. . . 40 2.2 La on eptiondédiée . . . 43 2.2.1 Lesa tionneurs . . . 43

2.2.2 Les apteursd'eort . . . 49

2.2.3 Le hoixdes omposantsadéquats . . . 55

2.3 Le premier ouplage . . . 56

2.3.1 L'installation de lapin eoptiqueà Glasgow . . . 59

2.3.2 Couplage"dire t" ou "position-position" . . . 60

2.3.3 La preuve du on ept . . . 61

3 Modélisation du mi romanipulateur haptique 67 3.1 La bou le haptique . . . 67 3.1.1 Le mi romanipulateur . . . 67 3.1.2 L'interfa e haptique . . . 71 3.1.3 Le ouplage . . . 72 3.1.4 L'environnement . . . 75 3.1.5 La bou le fermée . . . 76 3.2 Lesperforman es . . . 78 3.2.1 La stabilité . . . 80

3.2.3 Latransparen e. . . 86

3.3 Inuen e desparamètres . . . 91

3.3.1 L'a tionneur etdel'é hantillonnage. . . 92 3.3.2 Lepiège . . . 94 3.3.3 L'interfa e haptique . . . 96 3.3.4 Limitations . . . 98 3.3.5 Con lusion . . . 98 4 Le mi romanipulateurdédié 101 4.1 Suivi rapideetrobuste du mi ro-outil piégé . . . 101

4.1.1 L'enjeude lavision enmi rorobotique . . . 102

4.1.2 Vers unnouveau apteur, la améra asyn hrone . . . 107

4.1.3 Algorithmede traitement dédié . . . 110

4.2 Manipulateur dédié auretour d'eort . . . 111

4.2.1 Des riptiondu système . . . 112

4.2.2 Mesuredu mouvement Brownien . . . 115

4.2.3 Résultatsde téléopération en temps réel . . . 118

4.3 Installation dédiée etperspe tives . . . 120

Con lusiongénérale 123 A Dénitions 125 B Traitement d'images - Généralités 127 C Justi ation expérimentale de la modélisation 129 C.1 Miroir a tionné 2DDLde Glasgow . . . 129

C.2 Galvanomètres du CEA . . . 131

D Cal ul de stabilité du système 133 D.1 Mode libre. . . 133 D.1.1 Régime ontinu . . . 133 D.1.2 Régimeé hantillonné . . . 137 D.2 Mode ontraint . . . 140 D.2.1 Régime ontinu . . . 140 D.2.2 Régimeé hantillonné . . . 142 Bibliographie 145 Liste de publi ations 159

Pour exploiter les ressour es des mi rote hnologies, il est né essaire de manipuler des

objets uniques de taille mi ros opique. Les appli ations visées ouvrent par exemple

la on eption hétérogènedesMEMS oulabiologie ellulaire.La dis ipline s ientique

on ernée, lami romanipulation, s'applique à re her her des solutions de saisie et de

dépose préservant l'intégrité des é hantillons lors des diérentes tâ hes. Ces dernières

sont aussi variées que l'étude des propriétés physiques du omposant ou l'assemblage

de mi ro-objets.

Cesopérationsné essitentdesrésolutionseneortetenpositionina essiblesàlamain

humaine ave la rédu tiondes é helles. Des robots manipulateurs sont ainsiemployés

pour lapréhension d'objets dont la taille estinférieure à

500µm

apparaissent ommelaphysiquemiseenjeu,lesmoyensdeper eptionenfor eouen

vi-sion,l'intégrationdansdesenvironnementsfortement ontraints...L'étatd'avan ement

del'automatisation nerépondpasaujourd'huiauxbesoinsetaux apa itésmatérielles

desentreprisesetlaboratoires.

La téléopération par retour d'eort est unevoiede re her he diérente, issue des

tra-vaux de robotique dans le domaine des maîtres-es laves. Cette te hnique onsiste à

relier viaune liaison bilatéraleunsystème physique ee tuant une tâ he,par exemple

demanipulation,dansunenvironnementdiérent,àunsystèmemé anique ommandé

appelé interfa e haptique. Elle exploite ainsi les apa ités d'adaptation et

d'anti ipa-tion d'opérateursexpérimentés àpartir d'unretour ta tile desintera tions.

Dansle asdelami romanipulation,lesrédu tionsd'é helle omplexient leproblème.

A l'é helle mi ros opique, les rapports signauxsur bruitsont faiblesetl'ampli ation

des signaux devient déli ate. La ommande asso iée du système devient un réel dé

pourledomaine del'automatique.Deste hniquesavan éessontdéveloppéespour

réus-sir àmaîtriser les instabilitésdu système.Il en résulteune altération desinformations

etdu ressenti, ae tant l'intera tion del'utilisateur ave latâ he.

Les travaux présentés dans ette thèse s'ins rivent, pour es diérentes raisons, dans

une nouvelle démar he. Au lieu deréaliser un ouplage omplexe entre deuxsystèmes

existants et indépendants, une solution simple basée une on eption dédiée du

mi- romanipulateur permet de préserver le ressenti des intera tions. Pour e dessein, la

problématique doit êtrereformulée depuisson origine.

Diérentes étapes majeures sont fran hies dans e travail pour une amélioration du

ressenti de la mi romanipulation. La première onsiste à approfondir le hoix des

mi- romanipulateursvisàvisdeleuradaptation auxte hniques deretour d'eort.Fa eà

un ahier des harges exigeant, le hapitre

1 proposeune omparaison desprin ipes etdesméthodesd'intera tion ontrlée ave le mi romonde.

Après le hoix d'une te hnique de mi romanipulation ave un fort potentiel pour le

rendre ompatible ettete hnique ànotre appli ation.Unpremier prototype

fon tion-nel onrme le on ept : des ressentis ns et stables sont possibles ave un ouplage

simple.

Pour mener plusavant l'optimisation, une modélisation du mi romanipulateur à

télé-opération bilatérale est né essaire. L'étude de l'inuen e des paramètres du système

sur les performan es, telles que la stabilité et la transparen e, est expli itée dans le

hapitre 3.Ces propriétés essentiellessont redénies sous la forme d'indi es qualita-tifs. Ces derniers sont exploités pour omparer les diérents prototypes et apportent

denouvellespistesd'investigation.

L'une d'entre elles, l'amélioration de la rapidité et de la robustesse de la mesure des

eorts réels, est in ontournable. Le hapitre 4 est don onsa ré à ette probléma-tique. Dans le as des pin es optiques et de nombreux autres mi romanipulateurs, la

mesure deseorts est réalisée de manière indire te à partir de te hniques d'imagerie.

Pourrendre esméthodes on iliablesave unerestitutionableetsé uriséedeseorts

à l'opérateur, de longs traitements d'informations ralentissent le rafraî hissement des

sensations.Pour résoudre et important verrou dere her he,une nouvelle te hnologie

de apteur,opérantde façondire teune ompressiondesdonnées, estintégrée pourla

premièrefoissurunsystèmedemi romanipulation.Laqualitédesamesureest

aujour-d'huisans égalen termes de exibilité etde abilité. Finalement, samise en pratique

démontre une avan ée sans pré édent pour la réalisation de tâ hes omplexes dans le

mi romonde ave ressentita tile.

Dans e manus rit, une démar he de on eption omplète est présentée. L'étude du

besoinest orréléeàlaréalisationdetroisplates-formesfon tionnellesave retour

hap-tique:aulaboratoired'optiquedel'UniversitédeGlasgow,pourlapreuvedu on ept;

auCEA-LISTàFontenay-Aux-Roses,pourl'intégrationd'a tionneursrapidesetle

dé-veloppement de stratégies multipièges et à l'Institut des Systèmes Intelligents et de

Robotique de l'Université Pierre et Marie Curie(CNRS), pour l'amélioration sensible

de la mesure de for e. Le haut degré de multidis iplinarité de e projet s'appuie sur

trois ollaborations fortes ave le laboratoire d'optique de Glasgow pour appréhender

la on eptiondespin esoptiques,l'équiped'haptiquede l'ISIRpourledéveloppement

d'interfa eshaptiques de hauteperforman e etl'équipe de visionde l'ISIRpour le

dé-veloppement d'une nouvelle te hnique de suivide mi roparti ules.

L'ensemble de e manus rit s'appuie sur ette démar he et es ollaborations

impor-tantes. Des résultats prometteurs et nouveaux sont démontrés dans ha un des

ha-pitres pour poser les bases d'un nouveau système de télé-mi romanipulation ressenti

basésurdespin esoptiques.Lesperspe tivesouvertespar etravailsontvastesetsont

La télé-mi romanipulation Sommaire 3.1 Labou le haptique . . . 67 3.1.1 Lemi romanipulateur . . . 67 3.1.2 L'interfa ehaptique . . . 71 3.1.3 Le ouplage . . . 72 3.1.4 L'environnement . . . 75 3.1.5 Labou lefermée . . . 76 3.2 Les performan es . . . 78 3.2.1 Lastabilité . . . 80 3.2.2 Lalimitede onfort . . . 85 3.2.3 Latransparen e . . . 86

3.3 Inuen e des paramètres . . . 91

3.3.1 L'a tionneuretdel'é hantillonnage . . . 92

3.3.2 Lepiège . . . 94

3.3.3 L'interfa ehaptique . . . 96

3.3.4 Limitations . . . 98

3.3.5 Con lusion . . . 98

Après la onquête de l'inniment grand, 'estmaintenant l'inniment petit qui attire

l'intérêt s ientique.Sesappli ationssont nombreuses:dela ompréhensionduvivant

à la on eption de nouveaux matériaux ou de nouvelles sour es d'énergie en passant

par laminiaturisation de lapuissan e de al ul. Ces thèmes tiennent aujourd'hui une

partimportantede lare her he etde l'industrie.Pour travaillerdans e milieu

mi ro-s opiqueintangibleparles apa itéshumaines,lesa teursde esdomainessontobligés

de re ouriràdeste hniquesmultidis iplinaires, parexemple, himiquesou robotiques.

Ces méthodessont élaborées pours'adapter auxphénomènesquirégissentlaphysique

à esé helles.

Lesintera tions physiquessontdépendantesdesdistan es,destaillesetdespropriétés

desobjets.Or,danslesdimensionsmi ros opiques(

L < 0, 001m

L

3

) perd son inuen e par rapport aux surfa es (

L

2

). Ainsi, les for es

volumiques (pesanteur, inertie) deviennent négligeables devant les for es surfa iques

(adhésion). Dans l'intervalle dimensionnel de quatre ordres de grandeurs des objets,

de 100nanomètres à1millimètre,l'inuen e desintera tions hange omplètement de

nature. Cette propriété ressemble aux diéren es induites entre l'é helle du mètre et

Figure1.1Diérentsopérateurset opérationsdemi romanipulation

d'inventivité et de réativité. Si les objets de taille supérieure à 500

µm

omprimé.Desstratégiesplusévoluéesontdû êtredéveloppées pour lesobjetsjusqu'à

une dimension de 50

µm

Les outils ou systèmes de mi romanipulation sont en onstante évolution etréalisent

de nouvelles prouesses en s'éloignant de plus en plus des formes onventionnelles de

préhension.La omplexité etlanon-répétabilitédestâ hesdemandentbeau oup

d'im-pli ations de l'opérateur. Ces dernières se trouvent aujourd'hui limitées par le peu

d'ergonomiedesinterfa eshomme-ma hine-mi romonde.

Le propos de e hapitre est d'analyser la omplexité de l'adaptation de l'opérateur

aux outils de plus en plus sophistiqués de mi romanipulation. Cette étude examine

le ontexte de la mi romanipulation du point de vue de l'opérateur. Classiquement,

danslessystèmes robotisés,les informationssonta hées surune interfa e graphique

évoluée etl'intera tion sedéroule de manièreunilatérale ave lasourisou unjoysti k.

Pourre réerunemanipulationdextre,leste hniquesdetélé-opérationàretour d'eort

ontmontréleursavantagesdansdenombreuxmilieuxhostiles,éloignésouvirtuels.Par

ontre, dans la mi romanipulation, les fa teurs d'é helle rendent déli at l'assemblage

d'unmi romanipulateurave uneinterfa e haptique.Eneet,lesliensbilatéraux réés

par latélé-opération à retour d'eort sont soit instables,soit insatisfaisants en termes

desensation.L'étatdel'artmontreensuiteque ettedi ultéestliéeprin ipalementà

l'in ompatibilité desorganes ouplés. Pour remédier à ette omplexité,la on eption

dumi romanipulateur et elledu retour d'eortdoivent êtredédiées 1

(a) (b) ( )

Figure1.2Systèmedetélé-opération ommer ialpourmi ropin edufabri antPer ipio.(a)

Interfa eutilisateurave unjoysti kpourle ontrleenposition,(b)mi ropin evue globale,

( )piè e d'unpuzzlemi rométriqueentre lesdoigtsdelami ropin e.

1.1 Le ontexte a tuel de la mi romanipulation

Dans l'industrie, lami romanipulation est prin ipalement onnée aux petites séries,

àlamé aniquedepré ision etauxdiagnosti sdesdéfautsdefabri ation de

mi ro om-posants. Ces opérations demandent beau oup de temps de la part d'opérateurs très

expérimentés. Le tauxde réussite étant très bas, es travauxsont onsidérés répétitifs

etpénibles.Le fort oûtde lamain d'oeuvre,ajoutéà elui desinstallations, estl'une

desraisonsdelafaiblepropagationdelami romanipulation dansl'industrie, omparée

à elle des mi ro omposants. Le rempla ement est préféré à une opération de

main-tenan e et le besoin est standardisé pour la produ tion de masse, par exemple, par

photolithographie.

Aujourd'hui, este hniquesdepointesontsurtoutprésentesdansleslaboratoires.Leurs

appli ationsétanttrèsenamontdel'industrie,lare her hené essitelamanipulationen

petits nombres de nanotubes, de nano- et mi ro omposants de nouvelles générations

ou pour la biologie, de ellules ou de protéines. L'étude détaillée de leurs propriétés

physiques né essite des préhenseurs exibles et intelligents. Le besoin en opérateurs

expérimentésest don également très élevédansles domainesde lami ros opie etdes

mi rote hnologies.

1.1.1 L'opérateur de mi romanipulation

L'industrie s'intéresse, aujourd'hui, prin ipalement aux objets de dimensions

supé-rieuresà100

µm

est prin ipalement imputable aufort besoin demain d'oeuvre qualiée (voir Fig.1.1). De plus, le temps de traitement de haque tâ he est très long en raison de la

om-plexité etduforttauxd'é he .La robotisation destâ hesréduit amplement les temps

Figure 1.3  Interfa es graphiques ré entes onçues ave Labview pour une mi ropin e

[Vijayasai2010℄

demanoeuvre.Parexemple,unetâ he d'assemblagederouagesd'horlogeriede grande

omplexité représenteune heureetdemie de travailpour unopérateur ave une pin e

bru elle. L'automatisation a porté laréalisation de ette tâ he à 5minutes. Mais

l'in-vestissementdansdenouvellesinstallationsautomatiséesestaujourd'hui onsidéré

dis-proportionné par rapport à leur perte de exibilité. La télé-opération de mi rorobots

estplusabordable en termesde oûtetentraîne également desgains detemps

impor-tants.Ellené essitemoinsd'adaptationdesinstallations,desé hantillons etdelamain

d'÷uvre.

Latélé-mi romanipulationestdéjàtrèsprésentedansleslaboratoiresdere her he.Les

installations sesont robotisées pour s'adapter à desobjets toujours plus petitset des

résolutions toujours plus nes. Le travail dans e ontexte se réalise sous mi ros ope

ave des plates-formes motorisées et l'opérateur pilote le système derrière un é ran,

une souris ou un joysti k (voir Fig 1.2). Pour ette re her he, l'opérateur garde tout son sens ar les é hantillons traités sont variés et omplexes tels que des nanotubes,

desMEMS, des ellules oudes protéines.Pour desraisons nan ières et de exibilité,

les laboratoires sont amenés à développer leurs propres installations etinterfa es. De

nouveauxproblèmesseposentalorspourexploiterlari hessedesinformationsfournies

par essystèmes.

La omplexité desoutils demande des ompéten espluridis iplinaires. L'opérateur de

mi romanipulation doitaujourd'hui parfaitement onnaîtresonoutil pourréaliserune

tâ he.Silespin esbru ellesprésententuneutilisationintuitive,leurrempla ementpar

desmi rorobotsn'estpasdire t. Ilfaut onnaîtreleste hnologiesmisesenjeuxpar les

nouveaux apteurset a tionneurs,leur ontrle etleurs nouvelles fon tionnalités.

Si les opérateurs industriels travaillent en ore ave des objets dont les phénomènes

physiques asso iés suivent les lois lassiquesde la physique, ils seront onfrontés dans

lefutur,ave larédu tiond'é helle, àdesphénomènesphysiquesparti uliers. Eneet,

lesmi ro-etnano-objetssontsoumisàdesphénomènespeuintuitifs:eetsdesurfa e,

Figure1.4Illustrationdespremierstravauxdetélé-mi romanipulationàretourd'eortdans

lesannées90[Kaneko1998℄.Lesgainshomothétiquesenposition,Ad,etenfor e,Af,ontété ajoutéspourréaliserun ouplagebilatéraldire t.

surfa iques ou éle trostatique ont été modiées pour s'adapteraux problèmes

d'adhé-sion 2

. D'autres outils exploitent dire tement des hamps de potentiel pour mettre en

lévitationetdépla erdesmi ro-objets 3

.Cesintera tionsdemandentdes onnaissan es

avan éesen physique pour être orre tement exploitées.

Le mi romanipulateurpossède,outredespréhenseursévolués,des apteursspé iques

qui omplexient lesystème. Le réglageetl'étalonnagesont ee tuésàdesrésolutions

innitésimales,impliquantuntravaildepatien eetdepré ision.Lesdé alagesou

han-gementsd'é hantillons demandent don desréévaluations fréquentes.

Laposition,lesfor es,latempérature,lepHoulesautresparamètresimportants

mesu-réspar les apteurssontengénéral visualiséssuruneinterfa e graphiqueinformatique

dontl'aspe trappelle les an iens systèmesdejaugesmé aniques oude potentiomètres

à glissière. Desgraphiques ou desreprésentations 3Dpeuvent ompléter les interfa es

évoluées (voir Fig 1.3). L'opérateur pilote la manipulation en se référant à es indi- ateurs sur l'é ran. Il solli ite alors beau oup la vision. De plus, la omplexité des

interfa es graphiquesne favorisepaslaréa tivité etl'anti ipation de l'utilisateur.

La pré ision et la rapidité de la tâ he sont étroitement liées à l'ergonomie de

l'inter-fa e.Celle- isemontreaujourd'huiinsusante.Letravaildesopérateursetla réativité

s ientique sont bridés par de nouvelles ontraintes de ompéten es, de prise en main

et de man÷uvrabilité des systèmes de mi romanipulation télé-opérés. L'amélioration

des te hniques de mi romanipulation est aujourd'hui onditionnée par un besoin des

utilisateursen interfa es intelligentes.

Comme toute tâ he de dextérité, la mi romanipulation repose sur une maîtrise des

informations de positions, d'orientations et d'eorts. Seule l'exploitation omplète de

es données fournit une expérien e rapide et omplexe de saisie et d'assemblage. En

eet, l'élaboration de tâ hes quotidiennes dans le ma romonde montre que l'humain

tire son e a ité de la ollaboration de ses sens.La vision mesure la position et

éla-bore des traje toires. Par ontre, l'orientation et les intera tions sont prin ipalement

(a)Couplagedire t

(b)

Af = 0, 12 · 10

6

( )

Af = 6 · 10

6

Figure 1.5  (a) S hémadu ouplagedire t ave une pointe AFM (Illustrationextraite de

[Reimann2005℄).(b)Réponsepourun ouplagedire tstableave unepointeAFM,oùlesfor es renvoyéessontinsusantes.( )Réponse pourun ouplagedire tave os illationsrémanentes

pour un gain de for e plus élevé. Les for es ressenties par l'opérateur sont représentées en

fon tiondutemps(

Ad = 0, 05 · 10

6

,

K = 2, 4 N.m

−1

,[Bolopion2008℄).

appréhendéesparletou her. Cedernierestle oeurdelaréussited'assemblages d'une

grande omplexité en peu de temps. Cette répartition sensorielle est absente dans les

te hniquesdemi romanipulation robotisées.L'utilisationd'interfa esàretourd'eort,

diteshaptiques, permetde re ouvrer ette ollaboration.

Les degrés de liberté ontrlés par es joysti ks évolués améliorent le onfort de

ma-nipulation. Par ontre, le retour d'eort n'a pas en ore signi ativement montré son

apport. En fait, il s'avère que lerendu haptique desintera tions mi ros opiques n'est

pas évident à réaliser. De nombreux problèmes liés au ontrle de es systèmes

em-pê hent en oreun rendun,réalisteetutilede sensations.

1.1.2 Le retour d'eort

Les interfa es haptiques sont des systèmes mé aniques robotisés et représentent une

optimisation des leviers de ommandes onventionnels. Diérents axes sont motorisés

pour renvoyer des eorts à l'utilisateur. Dans le as de la mi romanipulation, es

ef-fortssontunehomothétiedesintera tions mesuréesparlesmi ro-outils(voirFig.1.4). Parallèlement, es interfa esenregistrent laposition et/ou l'orientation de lamain de

(a)CouplageFor e-Position

(b)

Af = 6 · 10

6

Figure 1.6  S héma du ouplage passif de type for e-position pour une pointe AFM. (a)

Le ouplage for e-position introduit des ontrleurs qui ajustent la onsigne en position des

a tionneurs àla onsigne deressenti enfor e et rendentainsi lesystème passif. (b) Réponse

pour un ouplage for e-position ave une pointe AFM (

Ad = 0, 05 · 10

6

,

K = 2, 4 N.m

−1

),

[Bolopion2008℄).

homothétiques enposition,Ad,eten for e,Af,réalisentl'homothétie d'é helle dans e

ouplage. Depar sanaturesimple, e ouplage estappelé ouplage "dire t" (voirFig.

1.5(a)).

1.1.3 Le ouplage entre ma ro- et mi romonde

Il n'est ependant pas naturel de oupler deux systèmes de on eptions diérentes.

Non seulement leurs degrés de liberté peuvent être diérents, mais la dynamique des

stru turesmé aniques estaussitrès dissemblable.Lesoutils etlesobjets de

mi roma-nipulation ont desfor es volumiques négligeables etsont peu soumis auxphénomènes

d'inertiepar exemple.Le démarrageetl'arrêt d'unmouvement sont don instantanés.

En ontraste, ladynamiqueinertielle del'interfa e et dubras humain nesuit pas.Des

os illations apparaissent 4

,induites par un transfert alternatif d'énergie d'un système

à l'autre (voir Fig. 1.5( )). Elles sont néfastesau bon déroulement de l'opération. De plus, si ellesdeviennent importantes, voire divergentes et in ontrlables, ellesrisquent

sou-haitéeest obtenu.

Ces phénomènes peuvent être évités en sous-estimant la dynamique d'un organe par

rapportà l'autre (voir Fig. 1.5(b)). Mais dans e as, les sensationsrenvoyées à l'uti-lisateur sont insusantes. En eet,la simpli itéde la stru ture bilatéraleempê he de

trouver un bon ompromis entre sensation etstabilité 5

. Pour rendre ompte des v

a-riations brusques et des amplitudes variées des intera tions du mi romonde, d'autres

formesde ouplage sont alors utilisées.

Le problème du ouplage dire t s'explique par le fait que les gains ampli ateurs ne

sont pas passifs au sens de l'automatique 6

. La passivité est la ara téristique des

systèmesquisto kent,dissipent ourestituent del'énergie, maisn'en réent pas.

L'am-pli ationest, par dénition, l'augmentation de l'énergied'unsystème.Dansle asde

lami romanipulation, les gains homothétiques prennent desvaleurs onsidérables :la

transformationd'un pi oNewtonen Newtonné essite, par exemple,un gainde

10

12

.

D'autrestypesde ouplagesontétéproposéspourrespe terles ritèresdepassivité(voir

Fig.1.6(a) et1.6(b)).Ces ouplages, qualiésde passifs,prennent laforme deseuils 7 , d'ampli ateursvariables 8 ,d'amortisseurs 9 ,devariables d'ondes 10 ,de ontrleurs ro-bustes 11 , prédi tifs 12 ou adaptatifs 13

. Ces outils issus de l'automatique peuvent être

très omplexes à mettre en oeuvre. Les valeurs des diérents gains introduits par les

ontrleurs sontégalement trèsdépendantesdelatâ he,del'environnement etde

l'ou-til.Leurréglageest di ilement automatisable.

Lesappro hes proposées pour évaluer les ouplageset déterminerles gains sont

théo-riques.L'appli ationdu ritèredeLlewellynestlaplus onnue 14

etgarantitlastabilité.

Unautre ritèreévalue le ompromisstabilité-sensation :latransparen e 15

.

Cedernierdénitla apa itédu systèmeàrendre dèlement lesinformations. Le

ou-plage le plus transparent restitue de façon dire te les informations de position et de

for eave desgains homothétiques onstants.Autrementdit,en omparant laréponse

des ouplages implémentés à elle du ouplage dire t, il estpossible d'évaluer les

per-forman esentransparen e.Con rètement,elless'évaluentsurlesfon tionsdetransfert

et leurs réponses fréquentielles. Les diérents ltres des ouplages passifs dégradent

le omportement fréquentiel du système et atténuent en général les informations des

hautesfréquen es.

Un ouplage omplexe estégalement une ontrainte supplémentaire entermesde

om-péten es.L'obje tifd'unsystèmetélé-opéréestlarédu tiondutempsd'opération,mais

également de préparation et de formation à l'outil. Avant que la te hnologie ne soit

transféréedans les laboratoires de biologie, de physique ou dansl'industrie, leréglage

5 . [Mi aelli 2002℄ 6 . [Mi aelli 2002℄ 7 . [Bolopion 2008℄ 8 . [VanderPoorten2008℄ 9 . [Onal2007,Bolopion2008℄ 10 . [Boukhnifer2006℄

11 . [Boukhnifer2004,VanderPoorten2008℄ 12 . [Khan2009b℄

13 . [Ando2001℄ 14 . [Llewellyn1952℄

(a)Ave onta t (b)Sans onta t

Figure 1.7  Exemples de mi romanipulateur (a) Mi ropin e thermique ave apteurs

pié-zorésistifs intégrés [Andersen2009℄. (b) Lévitation optique d'objet de 100

µm

desgainsdoitpouvoirseréaliserautomatiquementourestertrèssimple.Cettedeuxième

proposition est la plus raisonnable en termes de faisabilité et de oût. Les ouplages

simplessontégalementunegarantiedemeilleuretransparen eetdon demeilleures

sen-sations. Apartirde esremarques,une étudeapprofondie destélé-mi romanipulateurs

haptiques existants est proposée dans la suite de e hapitre. L'obje tif est d'évaluer

de nouvellespistesd'évolutionpour este hnologies, baséessurdes ouplagessimples.

1.2 Les télé-mi romanipulateurs haptiques existants

A tuellement,ilexisteplusieursprototypesdemi romanipulateurséquipésd'interfa es

haptiques. Leurs ara téristiques varient ave les installations et les ompéten es

pré-sentes dansle laboratoire. Ces a tivités ouvrent un large spe tre etil est possible de

trouverdesinterfa es oudes mi romanipulateursdu ommer e ouplés àdes

dévelop-pementslo aux.

Toutes les te hniques etlesappli ations ne sont pas apables d'être oupléesave une

interfa e à retour d'eort. L'état de l'artdestélé-mi romanipulateurs ompare la

per-tinen e desdiérentesméthodes.

1.2.1 Résumé des te hniques de mi romanipulation

Enmi romanipulation,ilestpossiblededistinguerdeuxfamillesdeméthodes(voirFig.

1.7).La première onsiste àreproduire lesoutils ma ros opiques en lesminiaturisant. Elle semble se prêter mieux, en apparen e, au retour d'eort. Les outils sont intuitifs

etprésentent des liaisonsmé aniques dire tes ave les a tionneurs. Cettefamille, dite

"ave onta t",rassemblelesmi ropin esetlesmi ro-pointes.Silesmi ropin essont

d'unusageévident,ellesprésentent, ontrairementàleurshomologuesma ros opiques,

desphénomènesd'adhésion. Ladéposeestsouvent ompliquéeparuneforteadhéren e

(a)AFM (b)PFM

Figure1.8Prin ipedesmi ros opesàfor esatomiques(AFM) [Xie2008℄et àfor es pho-toniques(PFM)[Kress2004℄

surfa iquesdesmi ro-outils 16

.

Dans la même famille, une autre te hnique utilisant des pointes de dimensions

atomiquess'estimposéepourlesobjetssubmi roniques. Cettete hniqueestengénéral

utilisée pour l'imagerie dans les mi ros opes à for es atomiques (AFM, voir Fig.

1.8(a)),maislespointespeuvent également êtreexploitées pour lami romanipulation. Les mi ro-poutres, qui servent de support aux pointes, sont très exibles et sont

déformées à l'appro he de la surfa e. La mesure de es déformations et un al ul

lassiquedemé anique dessolidesdonnentuneévaluationde ertainseortsdeexion

et de torsion exer és sur l'outil. La déformation de la poutre est mesurée à partir

d'une améra ou d'un laser déporté. Les eorts d'intera tion sont ainsi déduits ave

unmodèlede omportement de lastru ture.La mesuredeladéexionpeut aussiêtre

dire te ou embarquée. Plus ouramment utilisée pour les mi ropin es, elle utilise des

apteurs intégrés de type résistifs, apa itifs ou piézoéle triques. Cette mesure des

eortsa étéexploitéedansde nombreux télé-manipulateurshaptiques.

La deuxième famille on entre leste hniques"sans onta t".Ces dernières utilisent

des hamps de potentiel pour dépla er les objets. La mi rouidique 17

très présente

dans les mi ro-usines utilise des uides soumis à des hamps de pression ou de

température. L'éle trophorèse 18

a tionne des diples dans un hamp éle trique. Les

pin es a oustiques 19 , magnétiques 20 , éle tromagnétiques 21 et optiques 22 réent des

hamps de for es ave des noeuds. Ces derniers sont des positions d'équilibre pour

les objets à manipuler. La mesure des eorts est alors réalisée de manière indire te

etse basesur une onnaissan e approfondie des hamps physiques en jeu. Il est alors

possible d'obtenir des mesures tridimensionnelles d'eorts ave un mi ro-outil de

faible en ombrement et peu intrusif (voir Fig. 1.8(b)). Par ontre, il est plus rare de retrouver desinterfa es à retour d'eort pour es te hniques. Cette onstatation peut

16 . [Régnier2008℄ 17 . [Squires2005℄ 18 . [Wang1997℄ 19 . [Reinhart2000℄ 20 . [Gosse2002℄ 21 . [deVries2005℄

Figure 1.9 Analogie entre une pointe AFMet unressort prolongéd'un aimant, illustrant

lesphénomènesd'attra tionetde ollageauniveaumi ros opiquedelapointe[Millet2008℄

fa ilement se omprendre du fait que lelien mé anique est peu intuitif. Deplus, Par

ontre, .

Dans les paragraphes suivants, quelques exemples illustratifs de

télé-mi romanipulateurs existants sont présentés. A défaut d'une liste exhaustive,

seuls les travaux présentant un intérêt vis à vis de l'appli ation de télé-opération et

dessensations ont étéretenus.

1.2.2 Mi ropin es et mi ros opes à for e atomique

Lesmi ropin essontdesoutilsfréquentsdanslessystèmesindustrielsde

mi romani-pulation. La mesuredeseorts estréalisée par des apteurs intégrésetelle estlimitée

à lafor ede serrage.Plusieurs auteurs ont her hé àexploiterlamesuredelafor ede

serrage par un retour haptique 23

. Ce ressenti est parti ulièrement intéressant lorsque

l'élasti ité de l'objet à saisir n'est pas onnue. Cette te hnique est avantageuse pour

fa iliter l'étude des propriétés mé aniques de l'é hantillon ou pour préserver son

in-tégrité. En eet, un serrage automatisé ave une onsigne en for e peut déformer de

manièreirréversibleunmi ro-objetouune ellule.Dansl'assemblage depiè esrigides,

leserrageest,enrevan he,fa ilementautomatisé. Dans e as,l'intera tion"utile"est

elle de l'objet manipulé ave son site d'assemblage. Ces for es ne sont a tuellement

pasmesurables.

Dans le asdes pointes AFM,lesystèmele plusaboutien termesd'appli ations est

eluidel'UniversitédeCarolineduNord 24

.LenanoManipulator omporteunAFM

utilisé pourl'imagerie etlamanipulation.Une image3Destobtenuegrâ eunpar ours

rapidedel'é hantillonave lapointeAFM.Puis, lesauteurs manipulentdesobjets

na-nométriques sans pouvoir rafrai hir l'image en temps réel. Le retour haptique lo alise

l'objet en ours de dépla ement etdonne une estimation de lasurfa e en latou hant.

Les auteursétudient ainsiles propriétés élastiques desbrines, desvirus, del'ADN et

des nanotubes. Au un détail n'est donné sur le ouplage et l'intensité des sensations.

Les for es latérales ne sont pas renvoyées à l'utilisateur, bien qu'elles soient mesurées

pourl'identi ation despropriétésmé aniques. Lesmesuresee tuéesétantdegrande

pré ision, ilfaut éviter lesperturbationsinduites par le ouplage bilatéral.

Par exemple, des travaux montrent que les sauts brutaux dûs aux phénomènes

d'"attra tion"etde" ollage"del'AFM(voirFig.1.9et1.10(a) et(b))peuvent

(a) (b)

( )

Figure1.10 Courbesthéoriques ara téristiquesd'unetâ hed'appro he-retrait: For e en

fon tiondelaposition(a)et for eenfon tiondutemps(b).LesétapesAetE montrent

res-pe tivementlessautsbrusqueslorsdesphénomènesd'attra tionetde ollage.Cesphénomènes

peuventêtreressentisparretourd'eort( )à onditiond'appliquerdesseuilset deréduirele

gainen position, an d'éviterles phénomènes d'instabilité (voir Fig.1.5( )) : Ad =

50 · 10

6

,

Af=

6700 · 10

6

.L'opérateurdoitalorspar ourir

50m

µm

0, 05N.m

−1

).Extraitde[Bolopion2008℄

querdesphénomènesd'instabilitédanslesystèmetélé-opéré 25

.Enréalisantunseuilsur

l'amplitudedesfor esetenaugmentantl'homothétieenposition, essautsdynamiques

peuvent être perçus sans entrainer d'os illations dans le ouplage (voir Fig. 1.10( )). Par ontre, l'opérateur aune ourse plusimportanteàpar ourir pour ee tuer haque

tâ he,rendantlepro essuslentetfastidieux.Lasolutionproposée pour l'AFMande

réduireles os illations rémanentes est d'introduire desamortisseurs dans le ouplage.

Lamanipulationeststable, maisl'information renvoyée estdétériorée etlesnombreux

gainsdes ontrleurs sont di iles àrégler(voirFig.1.6(a)).

Pour éviter l'introdu tion de ltres arbitraires, il a été envisagé de ir onvenir aux

problèmes d'attra tion et de ollage en utilisant une autre forme de support pour la

mi ro-pointe :desmi ro-diapasons deraideurs trèsélevées (45

kN.m

−1

) qui nesont

passoumis à es sauts dynamiques. De plus, es supports sont des apteurs de for e

intégrés.Enmettantlediapasonen résonan eetenmesurant savariationd'amplitude

ou de fréquen e, il est possible de mesurer les eorts dans l'axe de la pointe. Cette

propositionrésout leproblèmedemanière physique ettransparente 26

.Maislamesure

(a) (b)

Figure 1.11Modi ationstratégiquedu retourd'eort pour assisterl'opérateur dansune

tâ hede saisie-déposeave 2pointesAFM[Bolopion2010℄.L'opposé delafor e mesuréeest renvoyéet un ressort virtuelaide l'opérateurà trouver la hauteuroptimale de dépla ement

latéral(D-D').

delavariationde fréquen eestunete hnique outeuse.Lesrésultatsa hésmontrent

desmesuresdefor ebruitéesqu'ilestné essairedeltrer.Deplus,laraideurdes

mi ro-diapasonsrendlestâ hesdemanipulationtrèsdéli ates, ar esupportsedéforme peu

etne s'adaptepasauxformesdes é hantillons.

Dans es travaux, lamesure desfor es reste uni-axiale. Cette ontrainte est très

limi-tante pour tous les auteurs. Des travaux ré ents proposent de travailler ave des

in-formations données par laexion 27

ouave lemodedynamique dela poutre AFM 28

.

Dans esdeux as,la onnaissan edesparamètres expérimentauxn'estpasassezable

pourremonterauxfor eslatéralesréelles.Unretourd'eortdoitêtre onçuàpartirde

es mesures an d'assister l'opérateur. En général, le ressenti est onçude manière à

donner à l'opérateur l'impression d'unressort entré sur une position d'équilibre, soit

la position favorable pour la manipulation. Ce type de retour haptiqueest une

méta-phore des intera tions puisqu'il est tout de même basésur une mesure en temps réel.

La troisième propositionde Bolopionetal. 29

estd'utiliser deux pointes AFM pour

saisir un mi ro-objet. Ilsexploitent la mesurede exion pour avoir un ressentiréel de

lasaisieetde ladéposelorsd'unetâ hed'assemblage(voirFig1.11(a)).L'information restituée par les deux AFMestplus ri he que elledesmi ropin es puisquela mesure

de lafor edeserrage esta essible, maiségalement l'intera tionaxiale del'objetsaisi

ave lesubstrat.

Mêmesiunemesureréelledesfor esestpossibledans e as,ilasemblépluspertinent

pouraméliorerladextéritéde modierleressenti(voirFig.1.11(b)).Premièrement, la for edeserrageestxéelorsdelasaisiepuismaintenueparlasyn hronisationdesdeux

pointes.Cettefor eprovoqueuneexion onstantesur haquepointequ'ilestpossible

de soustraire an de soulager l'opérateur. Deuxièmement, lorsque l'objet est déta hé

dusubstrat, unefor ed'attra tions'opposeaumouvementdel'opérateur.Sil'opposée

27 . [Bolopion2009℄ 28 . [Bolopion2010℄

del'intera tionestrenvoyée,elledevientfavorableàlatâ hedesaisie.Cesmétaphores

d'intera tions sont utilisées ommeappro hes stratégiquesvisà visdetâ hes pré ises.

Ellespeuvent être onçues aprèsune exploration réelle desintera tions an de rendre

lamanipulationplus onfortable.

Obtenirdes informations tridimensionnelles surles intera tions ave une pointeAFM

est omplexe. Des systèmesde réalité augmentéesont aujourd'hui élaborés pour

om-penser ette limitation 30

. Basés sur des modèles simplistes des phénomènes du

mi- romonde, ils ne peuvent pas être utilisés pour l'exploration ressentie. L'eort de

dé-veloppement de simulations mé aniques en temps réel n'a pas en ore été ré ompensé

pardesrésultatstangiblesde mi romanipulation.Leste hniquessans onta t peuvent

apporter une réponseà l'a èsà esmesures tridimensionnelles.

1.2.3 Pin es magnétiques et optiques

Van West est le premier auteur à formaliser le on ept de retour d'eort pour les

te hniquessans onta t 31

.Lalévitationéviteles phénomènesd'adhésionetde fri tion

quipeuventdétériorer lesobjets.Ceste hniquessont plussensiblesauxperturbations

et né essitent des opérateurs expérimentés. L'assistan e par retour d'eort est un

moyen de rendre es outils plus abordables. Un ouplage bilatéral à une dimension a

étéréalisésansgrandedi ultépourdesmanipulateursmagnétiquesma ros opiques

de 3

mm

mm

lassiquesquipeuvent êtreutilisées à es é helles.

Ce travail est la seule tentative onnue de retour d'eort ave des pin es

éle troma-gnétiques en vue de mi romanipulation. Les prototypes utilisant les for es optiques

sontplus nombreux.Leprofesseur Araiest lepremierà réaliserunsystèmede pin es

optiques à retour d'eorts 32

. La mesure des eorts est réalisée à partir de l'image

del'objet piégésur une photodiode àquadrant. Unretour bidimensionnel satisfaisant

a été établi pour une mi rosphère de 10

µm

piégées et servent de mi ro-outils à retour d'eort. Les résultats ne dé rivent pas le

retourhaptiqueetsonapport, arlaphotodiode s'avèrelimitéeenespa ede travailet

àl'appro he d'obsta lesou d'objets àmanipuler indire tement.

Une autre équipe japonaise a également proposé de palper une ellule à l'aide d'une

pin e optique télé-opérée 33

. L'appli ation est intéressante mais au un résultat n'est

présenté. D'autres travaux ont été menés pour donner une sensation d'intera tion

ave des nanols 34

.Le retour d'eort est élaboréà partir d'une mesurede laposition

de l'objet par rapport à un piège linéaire. Il onsiste à ontraindre le mouvement

de l'opérateur en fon tion de l'erreur de position an de ne pas perdre l'objet. La

manipulationde nano-tubes est très omplexe et ambitieuse, et leprototype présenté

seheurtemalheureusement àdenombreusesdi ultésdepiégeages.L'optimisationde

30 . [Li 2004,Vogl2006℄ 31 . [vanWest2007℄ 32 . [Arai 2000℄ 33 . [Sugiura2008℄

Figure1.12Con eptdepin ehaptiquesans onta t[vanWest 2007℄

l'installation doitêtremenéepour obtenirde meilleursrésultats.Dans esdeux as, la

mesure de for e est réalisée par l'intermédiaire d'une améra. Ces apteurs sont lents

omparésauxphotodiodes, maispermettent d'élargir l'espa ede travailetde gérerles

perturbationsoptiques induitespar un milieu biologiquepar exemple.

Des travaux importants ont été proposés sur les guidages virtuels. Ainsi pour palier

une mesure d'eort en temps réel, l'équipe de Basdogan propose un pré-traitement

d'image de la s ène an de repérer les obsta les 35

. L'opérateur est ensuite assisté

par un retour haptique an de les éviter. Ce genre de guidage virtuel est également

appliqué àdestâ hesd'assemblage. Lesévaluations utilisateursmontrent de trèsbons

résultatssurlegaindepré ision.Néanmoins,leseortsinvestisdanslaréalisationd'un

guidage e a e et reprodu tible sont les mêmes que pour l'automatisation omplète

de latâ he. Latélé-opération perdsajusti ation.

Les te hniques sans onta t sont prometteuses, mais elles sont en ore largement

sous exploitées pour le retour haptique. Elles sont également moins répandues que

l'AFM, mais ommen ent à être onnues pour leur exibilité. La mesure des eorts

tridimensionnels est a essibleet ertains travauxavan ent un ontrle de larotation

et du ouple axial 36

. Le ouplage ave es te hniques sus ite peu de détails dans les

publi ations (voir tableau 1.1). Au une indi ation ne dénit lairement les avantages ou les in onvénients de este hniques vis-à-vis de lastabilité, par exemple.Pourtant,

lesfaiblesraideursoertespar esoutilsetleursdimensionsréduiteslesrendent moins

sujet aux fortes dynamiques et aux for es d'adhésion. Ces propriétés intrinsèques

représentent unsérieux avantagepour le ouplage haptiquebilatéral.

Chapitre

1.

La

télé-mi romanipulation

Citation Dim.(

µm

Mi ropin e [Khan2010℄ 500 Courant

induit des moteurs Hapti Gripper (DelfTU) Réelles,1D Position-For e

Saisieetdéposed'unemi rosphère

[Vijayasai2010℄

45

intégré

Fal on(Novint) Réelles,1D Pasdé rit Manipulation de billes de

polysty-rène. Peu de détails sur les

sensa-tions.

AFM [Guthold2000℄

< 1

optique

Phantom

(Sen-sable)

Réelles,1D Pasdé rit Lithographied'objetsnanométriques

et manipulation de nanotubes. Pas

dedes riptiondessensations

[Bolopion2008℄ HS Levier

optique

Virtuose

(Hap-tion)

Réelles,1D Dire t Sensationdupull-inetpull-o

ara -téristiquedel'AFM

[Venant2010℄ 10 Diapason

dynamique

Ergo Réelles,1D Dire t Évaluationdel'élasti itéd'une

mem-brane de PDMS de 10

µm

Passif Sensation du roulement d'une bille

souslapoutreAFM

[Bolopion2010℄ 4-6 Levier optique (dyna-mique) Virtuose (Hap-tion) Métaphore, 1D + Virtuel,1D

Passif Miseen onta tdelapointeave une

mi rosphère

AFMx2 [Bolopion2010℄ 4-6 Levier

optique Omega (For e dimension) Réelles, 1D ou Mé-taphore, 1D

Passif Sensationlorsd'uneta hedepriseet

Les

télé-mi romanipulateurs

haptiques

existan

ts

Citation Dim.(

µm

Sensations Couplage Remarques

Pin e

éle tro-magnétique

[vanWest 2007℄

> 3000

optique linéaire Omni (Sensable), maison Réelles,1D Détaillé, pasévalué

Saisieetdéposedebilledefer

ma ro-s opique.Améliorationdel'e a ité

àladépose

Pin eoptique [Arai2000℄ 10 Photodiode àquadrant

Phantom

(Sen-sable)

Réelles,2D Peu

dé-taillé

Mouvementlibredebillede

polysty-rène

[Sugiura2008℄ 3 Caméra Phantom

(Sen-sable)

Réelles,2D Peu

dé-taillé

Intera tionsave des ellulesave des

billesdepolystyrène.Pasde

des rip-tiondessensations

[Lee2007℄

0, 300

dimension)

Métaphore,

2+1D

Pasdé rit Manipulation de nanols de 10

µm

de long et

300nm

nombreuxproblèmesliésàla

on ep-tion

[Bukusoglu2008℄ 3 Caméra Omni

(Sensable)

Guide

vir-tuel,2D

Au un Assemblage de mi rosphères

fon -tionnalisées.Amélioration dela

pré- isiond'assemblage

Table1.1Etudedessystèmesdetélé-mi romanipulationsave desretoursd'eorts.Leterme"métaphore"signiequel'informationmesuréeest

restituéedemanièredéforméepourassisterl'opérateur.Lamention"virtuelle"indiquequel'informationrestituéen'estpasmesuréemaisobtenue

1.3 Nouvelle appro he : une on eption dédiée au retour

d'eort

Les pré édents travaux (voir tableau 1.1) présentent tous le même point ommun. L'originedubesoinvientdel'a quisitionoudelaréalisationd'unsystèmede

mi roma-nipulationdi ile à utiliser. Les her heurs onfrontésà leurs outilsont tentédes

ol-laborationsave deséquipesdetélé-opérationan degagneren onfortetendextérité

de manipulation. Des interfa esdédiées ont été onçues dans e sens,mais lesystème

lui-mêmedemi romanipulationn'apasétéremisenquestion.Nousproposonsdans e

mémoire une nouvelle appro he : puisquel'assistan e par retour haptique sembleune

solutionin ontournable pour gagneren dextéritédansle mi romonde,il faut

re on e-voir les installations de mi romanipulation dans e but. Dans la suite de e hapitre,

deséléments de réexion sont proposés pour laréalisation d'un mi romanipulateur à

retour d'eort permettant des sensations réalistes et exploitables. Pour atteindre et

obje tif,il fautre onsidérerles besoinsréelsdesopérateurset les ontraintes imposées

par l'environnement, an d'éviterlesé ueils despré édentsprototypes.

1.3.1 Le besoin

Lesbesoins peuvent être lassés selon quatretypes: euxdu on epteur-fabri ant, du

distributeur, de l'utilisateur universitaire et de l'utilisateur industriel. Le on epteur

a besoin d'une interfa e intuitive pour augmenter l'intelligen e de son système et la

omplexité des fon tionnalités. Le distributeur vise un large panel de lients : du

no-vi e à l'utilisateur expérimenté. Si le laboratoire n'est pas familier ave les prin ipes

utilisés pour la mi romanipulation, il a hètera un système lef en main pour gagner

en temps de on eption et de prise en main. L'industrie a desbesoins de rapidité sur

desta hesrépétitivesoudesbesoinspré issurdesdiagnosti s omplexes.Ellesouhaite

également réduire letemps de formationetde priseen main desnouveauxoutils pour

sesopérateurs.

En 2006, le rapport de prospe tive sur les mi ro et nano systèmes réalisé par le

o-mitéd'experts Mi ro et Nano Systèmes du CNRS-STIC 37

a onrmé le fait que "les

utilisateurs naux ne se sou ient pas de la te hnologie : seule ompte pour eux la

fon tionnalité oerte, et le oût de elle- i". Les outils omme les produits de la

mi- romanipulation demandent de bien onnaître les besoins des utilisateurs naux. Un

dialogueave haquepartenaireautourde haqueappli ationestparti ulièrement

ru- ialdans e domaine pour rentabiliser lesinvestissements importants engagés.

Une étude du besoin est établie en vue de la on eption d'un mi romanipulateur à

de biologie

38394041

,dephysique 424344

,uneentreprise spé ialistede la on eptionde

systèmes industrielsde mi romanipulation etde mi ro-assemblage 45

etun fournisseur

de piè esdéta hés pour les installationsde mi ros opie 46

.

La première on lusion de es entretiens est enpremier lieu un fort besoin

d'augmen-ter l'immersion.Il existe un réel problème de dextérité desopérateurs à ause du peu

d'informations sensorielles retournées du mi romonde. Prin ipalement, ils manipulent

uniquement ave lavision 2Dsous mi ros ope.Un besoin très marquéest exprimé en

faveurd'unevision 3D,réelle ou enréalité augmentée.

Pour les te hniquesde retour d'eort, lesinterlo uteurs sont en général mal informés.

Ces te hniques sont absentes de leur quotidien et ils n'ont jamais envisagé leurs

in-terfa es professionnelles sous et angle. Quelques systèmes sont équipés de joysti ks.

Les utilisateurs voient lairement le béné e apporté par ette manette, omparée à

la sourisinformatique lassique. Néanmoins,ils regrettent le manque de ressemblan e

del'interfa e ave l'outil demi romanipulation.Enparti ulier, lesopérateurshabitués

à la manipulation par pin e s'adaptent mal à un joysti k pour ontrler une

mi ro-pin e. De plus, les joysti ks sont a tionnés en rotation autour de leur support tandis

que les mi rorobots réalisent des tâ hes en translation. La ommande opère don une

onversiondel'angleenvitessedesa tionneurs.Cette ontraintehandi apelapré ision

et entraîne de nombreux dépassements et des besoins de orre tions qui, nalement,

ralentissent latâ he.

Après avoir été informés sur les te hniques haptiques, les interlo uteurs ont fait

l'ef-fort de projeter leur appli ation ave une nouvelle interfa e. En général, les avis des

her heurs sont mitigés pour l'utilisation dire te de es te hniques sur leurs projets

a tuels.Par ontre,ilsonttousnotéunpotentielpourréaliserdenouvellesexpérien es

plus ambitieuses. Le retourhaptique pourrait apporter à la réativité s ientique.Les

limitesa tuellesdesexpérien esetdelavisionsousmi ros opepourraientêtre

repous-sées et de nouveaux types de manipulation deviendraient a essibles. Ces opérations

seraient,parexemple,manipulerdesobjetsinvisiblessousmi ros opesoptiques(ADN,

nanotubes) ousonder desobjets tridimensionnels( ellules, ristaux).

Les industriels attendent des prototypesd'installations à retour d'eorts fon tionnels

etdesdémonstrations sanséquivoques parleurs fournisseurs. Unressenti aboutiestle

seul argument onvain ant àleur proposer.

Leretourhaptiqueabesoindesedévelopperetdesefaire onnaîtredanslesmilieuxde

lami romanipulation.Pour ela,ilfaudrait quelestravauxdans edomaine proposent

desrésultatssurdestâ hesréelles etquotidiennes. Late hnologie estdisponible, mais

laréunion de ompéten es multidis iplinaires faitsouvent défautpour une on eption

de prototypes utilisables. La pluridis iplinarité de e domaine implique souvent une

38 . LaboratoiredeNanobiophysique,ESPCI,Paris

39 . InstitutJa quesMonod,Paris

40 . LaboratoiredeBiorhéologieetd'HydrodynamiquePhysi o- himique,Paris 41 . LaboratoiredeNeurophysiologieetdesnouvellesmi ros opies,Paris

42 . LaboratoireAiméCotton,Orsay

43 . OptiqueGroup,UniversitédeGlasgow

44 . Nanophysi sandSoftMatterGroup,UniversitédeBristol

ollaboration entre plusieurs laboratoires. Les enjeux sont pour ha un diérents et

la ohéren e est di ile à maintenir. Il en résulte l'inadéquation entre le besoin et la

on eptiondestélé-mi romanipulateurs.

1.3.2 Le ahier des harges

La synthèse de l'état de l'art et l'étude du besoin ont pour obje tif d'analyser les

besoins d'une installation dédiée au retour d'eort dans son ontexte. Le ahier des

harges suivant traite des ara téristiques re ommandées pour le mi romanipulateur,

lesinterfa es haptiquesetle ouplage.

Performan es

Un mi romanipulateur possède en général de très bonnes performan es en résolution

spatiale.Lesdistan esappréhendéessontdel'ordredunanomètretant pourles

a tion-neursque les apteurs. Le ratio résolution (

≈ 1nm

≈ 100µm

1 : 10

5

.Lamaindel'opérateurnedisposepasd'untelratio:lesinterfa esautorisent

moinsd'undemi-mètred'espa edetravailpourunesensibilitédequelquesmillimètres.

Larésolution spatiale du mi romanipulateur doitêtre ompatible ave elle de

l'inter-fa ehaptique.

Par ontre,unplusgrandsoindoitêtreportésurl'espa edetravail.Unenvironnement

ontraint rendl'opérateur moinsperformant. L'outil et l'interfa e doivent donner des

apa itésd'intera tionsurun granddomaine, aumoins elui donné parlavision dela

s ène.Or,les mi romanipulateursontengénéral undomainedemesuredefor elimité

parles ara téristiquesde l'outilou lephénomène utilisé.Cetteforte ontraintelimite

lenombrede andidatsdansles te hniquesde mi romanipulation.

Il est également important que l'outil soit rapide et puissant vis-à-vis de la tâ he à

ee tueran que elle- ipuisseêtre réalisée fa ilement etrapidement.L'opérateur

in-teragit de façon haptique et développe des eorts. Si les gains homothétiques ou les

performan es de l'outil ne sontpasbien réglés, ilrisquede sefatiguerrapidement.

La résolution temporelle est liée à l'é hantillonnage des systèmes à ommande

numé-rique.L'interfa e etlemi romanipulateur produisent dessignauxen es alier.

L'opéra-teurhumain perçoitdesdis ontinuités del'ordre delamillise onde.Il fautdon

appli-querdesfréquen esd'é hantillonnage supérieuresaukilohertz, fréquen espastoujours

disponiblessurlesmi romanipulateurs.Demême,pourexploiteraumieuxles apa ités

ta tileshumaines, les systèmes intégrés à labou le haptique doivent dans l'idéal

pos-séderunebande passantedesinformationssupérieureau seuiltemporelde per eption.

Au uneinterfa ehaptiqueetpeude mi romanipulateurssont aujourd'hui apablesde

tellesperforman es.

Sensations ta tiles

Cettedernière propriété est intrinsèquement liée à laqualité dessensationshaptiques

évaluéepar latransparen e. Un système transparent donne une sensation réaliste des

retards ou à faible bande passante. L'é hantillonnage, les frottements et l'inertie sont

souventla sour ede esmauvaisesperforman es.

Ladénitionde latransparen e donnéeparLawren e 47

est onsidéré ommeune

réfé-ren edansledomainedelatéléportation.Elleestainsidénitparlaplagefréquentielle

potentiellement transmise àl'opérateur par lesystèmetélé-opéré. Outre, laqualitédu

spe tre fréquentiel, ilest également important de veiller àtransmettre desamplitudes

ontrastées,andepermettreausenshumaindedis riminerles hangements.Latâ he

etles gainsdoivent êtreenvisagésdemanière àproduire unprol defor es fa ilement

identiable. Certainsmi romanipulateurs,tels quelespointesAFM,sontsoumis àdes

eorts d'ordres très diérents (dela entaine de

pN

mN

∼

N

Pour renfor erlasensation d'immersionde l'utilisateur,l'interfa e doitrappeler

intui-tivement l'outil demi romanipulation.Dansl'idéal, ellepourrait omporterlesmêmes

degrés de liberté et d'intera tion que l'ee teur. Un mi romanipulateur interagissant

dansleplandoitêtre oupléàuneinterfa eplane.Lapoignéedoitégalementse

rappro- herdelaformedel'outil.Unoutillongpeutêtreimitéparunstylet,unemi rosphère

par une poignée sphérique.

Sé urité

L'utilisateur manipule ette interfa e soit en la serrant dans samain soit en la

main-tenant ave le doigt.Il ne faut don pasoublier qu'il est dire tement en onta t ave

un robot a tif produisant des for es importantes. Le système peut blesser l'opérateur

s'iln'estpas orre tement ontrlé.Laprésen ed'organesnonpassifstels quelesgains

homothétiques du ouplage renfor e erisque.

Si un ouplage omplexe introduisant des ltres doit être é arté pour une meilleure

transparen eetpriseenmaindel'outil,lesautres omposantsdoiventse omporterde

manièreànepasentrainerd'instabilités.Plusieurspistesontétéprésentées dansl'état

de l'art. La te hnique de mi romanipulation peut être hoisie de manière à éviter les

phénomènesdynamiques brusques.Desraideurs faiblesde l'outil etun environnement

visqueux peuvent agir enfaveurde lastabilitésans perturberlatransparen e.

Stratégie de manipulation

En mi romanipulation, les stratégies de préhension sont variées et font appel à des

phénomènes tels quel'adhésion, la dépression, la apillarité, les hamps magnétiques,

éle tromagnétiques, éle trostatiques... Par ontre, au niveau ma ros opique, la

diver-sité des stratégies de manipulation se ara térise plutt par les nombreux degrés de

libertédelamainhumaine,durobotmanipulateur, lenombrededoigtsdupréhenseur

et la ollaboration entre plusieurs outils. L'opérateur est don plus familier ave des

préhenseurs multi- onta t que des eets de lévitation ou de surfa e. Une réexion

doit être menée sur e point pour déterminer si un opérateur de mi romanipulation

(a) (b)

Figure 1.13  (a) En ombrement visuel d'une s ène de manipulation ave 2 doigts AFM

(d'après[Bolopion2010℄).(b)VuelatéraledelapointeAdvan edTECFM hezNanosensors

mi romanipulateur et l'interfa e doivent idéalement être modulables pour la mise en

pla ede diérents types destratégies.

De même, le lâ her de l'objet est également une sour e de préo upation. Les

stratégies par dépose dynamique 48

ne sont pas ompatibles ave un rendu haptique.

Lesstratégies deroulement 49

demandent dessour esd'informations importantes pour

unrenduréel desintera tions 50

.Depréféren e, lesystème demi romanipulation doit

éviterdesstratégies de lâ heroù lerenduhaptiquen'est paspossible.

Unautrepoint limitant pour lamanipulationestl'immersionvisuelle.Lesmi ro-outils

peuvent prendre une pla e importante dans l'image et gêner l'opérateur dans la

prédi tion detraje toire (voir gure1.13(a)).Pour de bonnes onditions de mi roma-nipulation ave ou sans retour haptique, il est né essaire que l'opérateur onnaisse

la position des objets. Car es derniers peuvent entrer en onta t ou être o ultée

par l'outil. Par exemple, l'AFM utilisé dans la gure1.13(b) a été optimisée an que la pointe soit orientée vers l'avant (Advan edTEC FM hez Nanosensors) plutt que

sous la poutre. Une zone de onta t visible améliore la visualisation de l'intera tion

ave l'é hantillon. En omparaison, les te hniques sans onta t sont plus adaptées et

fa ilitent grandement la vuede las ène.

E onomique

L'apport du système pour l'opérateur doit être une amélioration de la prise en main.

Ce dernier doit pouvoir réaliser rapidement une tâ he sans onnaissan e préalable

du système, voire de la mi romanipulation. Le temps gagné sur la formation et

l'adaptationàlatâ herentabilisel'investissement.Lesystèmedoitêtresimple,intuitif

etenmême temps exible pour intégrer unlarge domaine d'appli ation. La te hnique

demi romanipulation utiliséedoitêtre répandueetfa ileà omprendre.

Les oûts supplémentaires induits par le retour d'eort doivent être faibles. Les

interfa es haptiques utilisées doivent être bon mar hé. Une réévaluation de leur

48 . [Haliyo2004℄ 49 . [Dionnet2004℄

degré de liberté et de leur espa e de travail en fon tion des besoins spé iques de la

mi romanipulation peutégalement abaisser les prix.

Le tableau 1.2 résume les diérents points lefs pour un système de télé-mi romanipulation idéal.

Performan es Degrésdeliberté 3translations

Puissan e du

mi ro-outil

Trèssupérieureauxintera tionsdumilieu

Résolutionspatiale Peurestri tive, ar adaptéeau ratio

réso-lution/espa edetravaildel'interfa e

Résolutiontemporelle Elevée (

> 1 kHz

Espa edetravail Grand,del'ordredelas ène

Sensation Transparen e Del'ordredelabandepassante du

mi ro-outil

Peu de frottements et d'inertie dans les

omposants

Eorts Au minimum tridimensionnel en

transla-tion

Amplitudes ontrastées

Immersion Mimétismeentre l'interfa eetl'outil

Sé urité Stabilité Amortissementnatureldumilieu

Limitation des phénomènes d'adhésion et

desfortesdynamiques

Stratégie Préhension Possibilitédeparallélismepourla

ollabo-rationentreplusieursmains,doigtsou

uti-lisateurs

Lâ her Possibilité de mesures de for es durant

ettephase

En ombrement Mi ro-outilspeuvolumineuxparrapportà

las ène

É onomique Priseenmain Rapide

Au une onnaissan ete hniquené essaire

Coût A essible pour des organismesde

forma-tion

Diusion Mi romanipulateurrépanduetexible

Table1.2Résumédes ara téristiquesessentielles pourla on eption d'unsystèmede

Figure 1.14  Développement d'interfa es haptiques pour la mi romanipulation : a.

[Khan2009a,Khan2010℄,b.[Millet2009℄, .[Gosline2007℄,d.[Shirinov2003℄e.[Letier2003℄, f.[Venant2010℄

1.3.3 Choix du mi romanipulateur

Pourrépondreà e ahierdes hargesexigeant,iln'estpasoptimald'utiliserdesorganes

existants, arpourremédieràleurinadéquation des ouplages omplexesetpeu

trans-parentsdoivent êtremis en pla e.La préo upation première dans ette démar he est

la ompatibilité du mi romanipulateur etde l'interfa e avant de réaliser un ouplage.

Ainsil'interfa e doitêtre onçueou hoisieen fon tion del'appli ation de

mi romani-pulationretenue etlemi romanipulateur en fon tion duressentidu retourd'eort.

Ledomainedel'haptiqueestfamilierave etypede ontrainte.Lesinterfa es

homme-ma hine issues de la ompréhension du sens du tou her sont onçues au plus pro he

de l'appli ation pour laquelle elles sont destinées. Il n'est pas étonnant que plusieurs

travaux aient déjà été onsa rés à la on eptiond'interfa es haptiques pour la

mi ro-manipulation(voirFig.1.14).Dans emanus ritlesinterfa esa tuellessontsupposées assezavan ées etl'attention s'estfo aliséesurles mi romanipulateurs.

Contrairement aux joysti ks et interfa es, les mi romapulateurs sont onçus dans le

seulbut de travailler surdesobjets mi ros opiques.L'intégration de l'utilisateur dans

la ommanden'est pas lapriorité lors de la on eption. Les ontraintes de résolutions

etlaqualitédes apteurssontmisesenavantpluttquele onfortdemanipulation.Le

on epteur omptesurlesfa ultésd'adaptationdel'utilisateuret onsa repeud'eorts

àl'intégration d'interfa esévoluées.Le mi romanipulateur estaujourd'huileprin ipal

verroute hnologique pour une intera tion bilatérale e a e ave lemi romonde.

Dans notre nouvelle démar he de on eption, le mi romanipulateur n'est plus une

ontrainte xée par le matériel disponible dans un laboratoire. Son hoix n'est don

guidé que par l'obje tif de retour ta tile.La te hnique laplus adaptée pour restituer

debonnessensationsdu mi romonde doitêtre déterminée.