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Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Méthodes de préhension adaptées aux micro-objetsMichaël Gauthier
Chargé de recherche CNRS
FEMTO-ST
Département AS2M
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Contexte : micromanipulation et micro-assemblage
• Préhension par glace immergée
• Lâcher actif par diélectrophorèse
• Préhension par doigts de serrage et adhésion
• Conclusion et perspectives
Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
1 mm
• Définition de la micromanipulationEtude de la manipulation des objets d’une taille caractéristique entre 1µm et 1mm.
Domaines dimensionnels de la micromanipulation
100 µm 10 µm 1 µm
1µm 10µm 100µm 1mm
Microscopie optiqueMicroscopie électronique
Microfabrication Fabrication mécanique
Prédominance des effets de surface
200 µm
ovocytebactérie
2-6 µm
pollen
20-40 µm
lymphocyte
6-15 µmprothèse auditive
1 mm
engrenage
800 µm
bobine
130 µm
• Définition de la micromanipulationEtude de la manipulation des objets d’une taille caractéristique entre 1µm et 1mm.
Pas d’objets industriels
en dessous de 100 micromètres
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Manipulation de cellules uniques Micro-assemblage
Domaines applicatifs de la micromanipulation
• Applications
Microsystèmes MEMS
Fabrication en 2D1/2
Difficultés d’hybridation
• Micro-assemblage
Obtenus par assemblage
(microconnecteurs, microroulement, etc.)
Micromécanismes
• Enjeux de l’étude du micro-assemblage
Miniaturisation et automatisation Réduction de la taille des produits Fiabilisation des procédés
Microsystèmes MEMS Hybride 3DAugmentation des fonctionnalitésDiminution de l’encombrement
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Comportement
des objets
Problématiques scientifiques et effet d’échelle
Méthodes de vision
Méthodes
de préhension Moyens de mesure de force
Automatique
et commande robotique
Méthodes
d’actionnement
Forces surfaciques
Inertie négligeable
Faible profondeur de champ
Influence de l’éclairage
Rapport
signal/bruit Mécanismes compliants
Matériaux actifs Systèmes
non linéaires
Grande dynamique
Précision importante
Technique de fabrication
Mesure de force
Impact de l’effet d’échelle sur l’ensemble des fonctions
Microscopie électronique
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
micro-actionnement
modélisation du micromonde
préhension
perception - vision
automatique
perception - force
2004
Frontière des connaissance et des méthodes
1µm 10µm 100µm 1mm
Avancée majeure en préhension
sur ces quatre dernières années
2008
Taille des objets considérés
Augmentation des fonctionnalités
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Démarche d’étude des méthodes de micropréhension
Conception
Preuve de concept
• Particularités de la démarche scientifique– Recours nécessairement important à l’expérimentation– Phase de modélisation complexe
Nouvelle méthode de micropréhension
Analyse
Expérimentations
Automatique, Robotique
Lois de commande pour le micromonde
Prototype
Modélisation Etude de loisde commande
Prototype fonctionnel
Physique
Modèle du comportement des micro-objets
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Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Contexte : micromanipulation et micro-assemblage
• Préhension par glace immergée
• Lâcher actif par diélectrophorèse
• Préhension par doigts de serrage et adhésion
• Conclusion et perspectives
Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Micropréhension par glace immergée
Saisie : génération du microvolume de glaceDépose : fonte du microvolume de glace
eau
effecteurobjet relâché
pas de glaceglace
objet
objet saisi
Repositionnement
• Analyse initiale
• Micropréhension par glace immergée
Préhension par glace+ Force de préhension importante
+ Large variété d’objets manipulables
- Forces capillaires au lâcher
Micromanipulation en milieu liquide
+ Réduction des forces d’adhésion
+ Augmentation des effets visqueux
- Difficultés de perception
1
2
3
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Modélisation des échanges thermiques
eau
Mic
roPel
t
Min
iPel
tier
radi
ateu
r
syst
ème
de re
froid
isse
men
t
par c
onve
ctio
n fo
rcée
air
-10 °C
25 °C
• Modèle thermique par analogie électrique– Analogie électrique
– Facilité d’utilisation
T1 T2
h Text
Q1 Q2
Modèles modulaires pour les micro-actionneurs thermiques
• Modèle thermique du préhenseur à glace
Modélisation du fonctionnement du préhenseur
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Démonstrateur de préhension par glace immergée
1 mm
Méthode originale de micropréhension en milieu acqueux
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Contexte : micromanipulation et micro-assemblage
• Préhension par glace immergée
• Lâcher actif par diélectrophorèse
• Préhension par doigts de serrage et adhésion
• Conclusion et perspectives
Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Micropréhension et diélectrophorèse
• Analyse initiale
• Micropréhension et diélectrophorèse
Manipulation par pince+ Force de blocage importante
+ Flexibilité
- Difficultés au lâcher
Force de diélectrophorèseMicromanipulation sans contact
+ Effet d’échelle favorable
+ Effet répulsif
- Force de blocage faible
Fdrag
FDEP
tension alternative
Contrôler le lâcher grâce à la force de diélectrophorèse
Contrôler la trajectoire après le lâcher . grâce à la force de diélectrophorèse
FPO FDEP
pince avec électrodes
micro-objet
tension alternative
Force répulsive
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Modélisation des micromanipulations sans contact
• Verrous scientifiques– Passage d’une modélisation statique de la force à la simulation de trajectoire– Contrôle de la trajectoire d’un objet possédant de très grande dynamique
• Simulation hybride du comportement
géométrie
N tensionsposition de l’objet
BFAXX XF
UXKF ).(U
Base de donnée EF
Théorème de superposition Equation de la dynamique 0)( xFxkxm dep
N simulations
Simulateur générique de trajectoire d’objets sous diélectrophorèse
• Perspectives : étude de la commande– Commande prédictive, Filtrage de Kalman
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Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Méthode originale de lâcher de micro-objets
Manipulation sans contact Lâcher actif d’objets
Démonstrateur de manipulation par diélectrophorèse
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Contexte : micromanipulation et micro-assemblage
• Préhension par glace immergée
• Lâcher actif par diélectrophorèse
• Préhension par doigts de serrage et adhésion
• Conclusion et perspectives
Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Micropréhension par pince à doigts de serrage
• Analyse initiale
• Principe : exploiter l’adhésion pour maîtriser le lâcher
Manipulation par pince+ Force de blocage importante
+ Flexibilité
- Difficultés au lâcher
Manipulation par adhésion+ Utilisation des effets prédominants
- Fortement bruité
- Force de blocage faible
objet
substrat
SaisieLâcherobjetsubstratA serrageF
serrageF
objetsubstratA
préhenseur-objetA
objetsubstratA
objetpréhenseurA
Augmentation de l’adhésion entre le substrat et l’objet
Diminution de l’adhésion entre le préhenseur et l’objet
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Mise en œuvre– Profil de rugosité important sur l’effecteur
– Utilisation d’un substrat polymère souple
Micropréhension par pince à doigts de serrage
50µm
• Caractérisation– Mesures expérimentales comparatives de force de pull-off
objetsubstratA serrageF objetpréhenseurA µNµNµN 06,05,010
Méthode de micropréhension à haute fiabilité
• Commande géométrique de robots de micromanipulation– précision submicronique exigée, difficultés d’identification des défauts
O
y
x
Ro
O2
M zMORoOVRoMV
22 ))(/()/(
Prise en compte de ces défauts : augmentation de performances x6
Méthode de calibration robotique pour la micromanipulation
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Cycle de prise-dépose
strategies objets nombre de test réference fiabilité
poussée Bille PS 50µm 100 [Gauthier et al, 2005] 51-67%
doigts de serrage Bille PS 50µm 60 [Dafflon et al, 2006] 74-95%
doigts de serrage Objets silicium 40µm 60 [Gauthier et al, 2008] 99%
Événement - date
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Micro-assemblage téléopéré
temps x5 temps x3
Méthode de microassemblage robotique de micro-objets
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
100µm
• Contexte général du micro-assemblageRupture culturelle dans les moyens de réalisation des MEMS
Création de méthodes en amont de la demande industrielle
Conclusion
• Franchissement des 100 micromètresObjets influencés par les effets de surface
Prise en compte des spécificités du micromonde
Fiabilisation des procédés
• Création de connaissancesCompréhension du comportement des micro-objets
Méthodes originales de préhension
Automatique et robotique pour la micromanipulation
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Micromanipulation automatique
Franchissement des 10µm
microactionnement
modélisation du micromonde
préhension
perception - vision
automatique
perception - force
Perspectives
1µm 10µm 100µm 1mm Taille des objets considérés
Augmentation des fonctionnalités
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Nouveau paradigme– Niveaux requis de répétabilité et de précision très important – Système de vision électronique (SEM)– Limite des moyens de réalisation classique de microfabrication– Influence accrue de la physicochimie des surfaces
Franchissement des 10 micromètres
• Verrous scientifiques– Simulation et mesure d’interaction entre objets complexes
Passage de la physique aux outils de l’ingénieur
– Méthodes de préhension fiableApproche pluridisciplinaire en lien avec les nanotechnologies
Lien avec l’auto-assemblage (milieu liquide)
– Méthodes de vision pour imageurs électroniquesImages fortement bruitées, compromis temps de réponse / bruit
– Micro-actionnementCommande de systèmes compliants, adaptronique.
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Méthodes d’automatique– Robotique de très haute précision
– Commande de systèmes à grandes dynamiques
– Commande hybride force-position
– Téléopération avec retour haptique
Micromanipulation automatique
• Méthodes de traitement visuel pour le micromonde– Faible profondeur de champ, forte dépendance à l’éclairage– Nécessité de localisation tridimensionnelle
• Moyens de mesure de force– Conception et réalisation de microcapteurs – Traitement de l’information bruitée
• Fonctions périrobotiques– Systèmes d’alimentation et de stockage– Méthodologie de conception des micro-usines
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
Méthodes de préhension adaptées aux micro-objetsMichaël Gauthier
Chargé de recherche CNRS
Département AS2M
FEMTO-ST
Événement - date
Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle
• Compréhension du comportement des micro-objets– Modélisation et simulation des forces d’adhésion et de surface– Etude de principe de mesure de ces forces
Problématiques scientifiques liées à la micromanipulation
• Méthodes de vision microscopique– Etude de moyens de vision tridimensionnelle adaptés aux faibles profondeurs de champ– Etude de moyens de vision sous microscope électronique
35pull offF nN
• Méthodes de préhension– Modélisation et commande de principes fiables adaptés aux micro-objets
• Moyens de mesure de force de préhension– Conception et réalisation de nouveaux principes de mesure– Traitement de signaux fortement bruités
• Automatique et robotique– Commande des micro-objets possédant une très grande dynamique– Commande des micro-actionneurs dont le comportement est non linéaire– Commande géométrique et calibration robotique des robots de micromanipulation
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