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Article

1 - PROBLÉMATIQUES DE LA MICROROBOTIQUE

2 - COMPOSANTS MICROROBOTIQUES ET LEUR CONCEPTION

  • 2.1 - Structures microrobotiques
  • 2.2 - Actionnement en microrobotique

3 - SYSTÈMES MICROROBOTIQUES, LEUR INTÉGRATION ET LEUR COMMANDE

  • 3.1 - Problèmes du micromonde et leurs conséquences pour la commande
  • 3.2 - Commande des microrobots

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : S7712 v1

Systèmes microrobotiques, leur intégration et leur commande
Conception, modélisation et commande des systèmes microrobotiques

Auteur(s) : Arnaud HUBERT, Yassine HADDAB

Date de publication : 10 mai 2015

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RÉSUMÉ

Le développement de plus en plus rapide de composants de taille submillimétrique nécessite de disposer d'outils de manipulation ou de positionnement adaptés à ces petites dimensions. L'objectif de cet article est de présenter les dispositifs microrobotiques dédiés à ces tâches en se focalisant principalement sur les règles essentielles de leur conception, de leur modélisation et de leur commande. Les éléments qui permettent d’améliorer les performances de ces dispositifs microrobotiques sont pris en compte, tels que les avancées de la microélectronique, de la théorie de la commande et de l’utilisation de l'intelligence embarquée.

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ABSTRACT

The ever faster development of components of submillimetric size requires tools for handling and positioning that are adapted to these small dimensions. This article presents the microrobotic devices dedicated to these tasks, by focusing mainly on the essential rules of their design, modeling and command. We can also usefully take advantage of advances in microelectronics and command theory, and employ as far as possible the built-in intelligence of these microrobotic devices to improve their performance.

Auteur(s)

  • Arnaud HUBERT : Sorbonne Universités, Université de technologie de Compiègne, Laboratoire d'électromécanique, Compiègne, France - Institut FEMTO-ST, Département AS2M, Université de Franche-Comté-ENSMM-UTBM- CNRS, Besançon, France

  • Yassine HADDAB : Institut FEMTO-ST, Département AS2M, Université de Franche-Comté-ENSMM-UTBM- CNRS, Besançon, France

INTRODUCTION

Les avancées des trois décennies précédentes en matière de microtechnologies ont conduit à la réalisation de systèmes de plus en plus intégrés et aux dimensions de plus en plus réduites. Intervenir directement sur ces éléments « micros » à l'aide de processus macroscopiques est extrêmement délicat. La difficulté à manipuler des objets microscopiques à l'aide d'actionneurs macroscopiques avait déjà été soulignée par W.S.N. Trimmer dans un article visionnaire publié il y a plusieurs décennies déjà (1989). Cet article décrivait très bien les difficultés de la manipulation d'objets de dimensions millimétriques – en l'occurrence des chips électroniques – à l'aide d'un robot de taille métrique :

« Cette différence d'un millier de fois entre la taille d'un macro-robot et du chip est équivalente à utiliser un bulldozer pour déplacer un morceau de sucre. La précision correspondante requise est équivalente à positionner ce morceau de sucre avec une précision de l'épaisseur d'un cheveux ».

Cette comparaison illustre bien le fait qu'utiliser des systèmes de manipulation d'un ordre de grandeur comparable à l'objet manipulé est souvent désirable, voire nécessaire pour certaines applications de la microrobotique. Les gains attendus ne le sont pas seulement en termes de précision, mais également en termes de prix, de consommation/rendement, ainsi qu'au niveau de la place à gagner dans les « environnements d'accueil », notamment dans les salles blanches où sont réalisés les microsystèmes ou dans les chambres des microscopes électroniques à balayage (MEB) où sont réalisées certaines applications de micromanipulation.

De nombreux laboratoires de recherche se sont lancés dans l'aventure de la microrobotique dès le milieu des années 1990 et les nombreux progrès réalisés depuis font désormais de la microrobotique une science relativement mature. Cet article se propose d'en décrire les principaux éléments et quelques réalisations emblématiques au niveau mondial. Après avoir présenté les problématiques propres à la microrobotique vis-à-vis de la robotique classique, cet article décrira les principales architectures et composants constituant une station microrobotique. En particulier, des éléments de conception, de modélisation et de fonctionnement seront exposés avec, notamment, un focus sur les structures et l'actionnement en microrobotique. Le problème de l'intégration et de la commande sera finalement abordé. Ces différents thèmes seront illustrés par des exemples issus de l'industrie microrobotique ou de la recherche académique.

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KEYWORDS

Robotics   |   Microrobotics systems   |   Design and modelling   |   Components and structure   |   Command

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7712


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3. Systèmes microrobotiques, leur intégration et leur commande

Les exigences du micromonde requièrent, nous l'avons vu, la substitution des actionneurs utilisés en robotique traditionnelle par des microactionneurs et le remplacement des mécanismes de robots par des structures déformables. L'exécution de tâches robotiques à l'échelle micrométrique se heurte cependant à des difficultés majeures liées à la réalisation de robots fonctionnels de petite taille (et plus généralement, de cellules microrobotiques complètes), à l'analyse et la prise en compte des interactions à l'échelle micrométrique et, enfin, à la difficulté d'accès au micromonde. Tous ces éléments ont donc des conséquences importantes en termes d'intégration et de développement de la commande de dispositifs microrobotiques. Ces différents points et difficultés vont être abordés dans la suite de cette section.

3.1 Problèmes du micromonde et leurs conséquences pour la commande

Les très faibles dimensions des objets manipulés, ainsi que les performances extrêmes recherchées (précision, répétabilité, etc.) dépassent largement les capacités de l'homme en termes d'observation et d'action. Ainsi, l'observation de la scène de micromanipulation requiert l'emploi d'instruments de microscopie autorisant un grossissement suffisant des images pour permettre une observation confortable par l'homme. On considère que le plus petit point visible à l'œil nu avec un bon contraste est de l'ordre de 50 µm. L'usage de microscopes permet l'observation d'objets de tailles submicrométriques. De plus, en raison de la précision très limitée de la main de l'homme, des interfaces électromécaniques et électroniques (joysticks, interfaces électroniques, etc.) doivent être employées pour une action sûre dans le micromonde. Cette barrière existant entre le macromonde et le micromonde, illustrée sur la figure 30, pose de nombreux problèmes d'interprétation et de conditionnement des signaux, d'encombrement et de coût.

Compte tenu des petites dimensions caractérisant les microsystèmes, de l'emploi de nouveaux actionneurs, ainsi que des niveaux extrêmement faibles des signaux véhiculés, certaines difficultés de commande apparaissent de manière plus marquée que dans les systèmes de taille conventionnelle. Ces difficultés sont résumées sur la figure ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TRIMMER (W.S.N.) -   Microrobots and micromechanical systems.  -  Sensor and actuators, 19, p. 267-287 (1989).

  • (2) - RÉGNIER (S.), CHAILLET (N.) -   La microrobotique. Application à la micromanipulation.  -  Hermes, Lavoisier (2007).

  • (3) - LAMBERT (P.) -   Capillary forces in microassembly : modeling, simulation, experiments, and case study.  -  Springer Verlag (2007).

  • (4) - DROZ (S.) et al -   New generation of grippers for the manipulation of miniaturized components.  -  In Proc. of Mechatronics conference, Besancon, France, oct. 2001.

  • (5) - LANG (M.J.), BLOCK. (S.M.) -   Lbot-1 : Laser-based optical tweezers.  -  American Journal of Physics, 71(3), p. 201-215 (2003).

  • (6) - GAUTHIER (M.), REGNIER (S.) -   Robotic micro-assembly.  -  Wiley-IEEE Press...

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