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JNRR, 4-6 novembre 2009 P. Lutz

Microrobotique pour composants micrométriques : les challenges pour leur manipulation et leur assemblage

Philippe Lutz, Michaël GauthierFEMTO-ST

Département AS2M

Stéphane RégnierISIR

Événement - date

2JNRR, 4-6 novembre 2009 P. Lutz

• Introduction

• Les structures microrobotiques

• La préhension

• La perception

• Les stations de micromanipulation et de micro-assemblage

• Vers la nanorobotique

Microbotique pour composants micrométriques

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Introduction : le contexte de la micromanipulation

Etude de la manipulation des objets d’une taille caractéristique entre 1µm et 1mm.1µm 10µm 100µm 1mm

Microscopie optiqueElectronic scanning

Microfabrication Fabrication mécanique

Prédominance des effets de surface

200 µm

ovocytebacterium

2-6 µm

pollen

20-40 µm

lymphocyte

6-15 µm

prothèse auditive

1 mm

engrenage

800 µm

Nanotube de carbone

Diametre: 100 nm

anneau

130 µm30

0µm

10 µm

Lentille sur support

500 µm

miroir spectromètre

Systèmes assemblés

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Introduction : les enjeux applicatifs

Les principaux champs applicatifs :

- MOEMS, packaging

- biologie : manipulation et caractérisation de cellule

- caractérisation des matériaux

- micromécaniqueExemple : MOEMS

Structures assemblées, hybrides et 3D (un spectromètre)

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- MOEMS, packaging



- micromécaniqueExemple : Microscopie sur puce

Scanner confocal

Système de tomographie

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- MOEMS, packaging



- micromécaniqueExemple : manipulation pour la caractérisation de matériaux

Usinage de lames d’échantillons MET10μm x 5μm x 100nm

Transport et fixation des lames sur un porte échantillon sous MEB de façon automatisée et fiable

Le taux de succès actuel avec un système Kleindiek est au mieux de 20%

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Introduction : les champs de recherche

Systèmes microrobotiques et adaptroniques :

- les structures microrobotiques

- la préhension

- la manipulation sans contactAutomatique et microrobotique :

- commande de systèmes à S/B défavorable, non linéaires

- commande de systèmes à grande dynamique

- commande de systèmes distribués continus ou discrets

- commande référencée capteur

Perception :

- position, force

- vision

Caractérisation et modélisation des interactions dans le micromonde

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• Introduction


• La préhension

• La perception




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Les structures microrobotiques

Des structures de micromanipulateur sur étagère, mais :→ utilisant des ddl coûteux et assemblés pour former une cinématique→ nécessitant un étalonnage géométrique pour la précision

(problème amplifié à ces échelles) Concevoir une structure microrobotique (petite course et haute précision)

→ un mécanisme léger, compact et déformable

→ rejet des fréquences de résonance à des niveaux élevés : utilisation du silicium

- compliante, basée sur l’utilisation de matériaux adaptés

- tirant au mieux partie des microtechnologies

- intégrant la commande

Une stratégie pour la conception de structures microrobotiques :

proposer une structure dédiée à la tâche à réaliser et fabriquée à la demande en un temps record.

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Les structures microrobotiques : piézostructures optimales

Aller au delà de l’intuition et de l’expérience du concepteurExploitation de piézocéramique (PZT = actionneur, capteur, structure) Domaine de conception à partir de blocs flexibles élémentaires 2D et optimisation par algorithmes génétiques

b1 b2 b3 b4

a 1a 2

Meshing node

Example of a rectangular place for

elementary block

Design domain

(structure to optimize)

Bloc 2 Bloc 3Bloc 1 Bloc 4 Bloc 5 Bloc 6

Bloc 7 Bloc 8 Bloc 9

Bloc 10

Bloc 11 Bloc 12 Bloc 13

Bloc 15

Bloc 14

Bloc 16 Bloc 17 Bloc 19 Bloc 20Bloc 18 Bloc 21

Bloc 22 Bloc 23 Bloc 24 Bloc 26 Bloc 27Bloc 25 Bloc 28

Bloc 29 Bloc 30 Bloc 31 Bloc 32Bloc 33 Bloc 35Bloc 34

Bloc 36

Bloc 14

Bloc 3 Bloc 4 Bloc 5 Bloc 9 Bloc 11Bloc 10

Bloc 12 Bloc 13 Bloc 15 Bloc 16 Bloc 29

Bloc 31

Bloc 30

Bloc 32 Bloc 33 Bloc 34 Bloc 35 Bloc 3636

pas

sive

blo

cks

19 a

ctiv

e bl

ocks

Objectif : design de piézostructures optimales avec des critères orientés commandeCollaboration

FEMTO-ST / CEA LIST

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Critères usuels d’optimisation statiques : déplacement et force au point de sortie, amplification de mouvement et d’effort.

Critères insuffisants pour les structures microrobotiques !

Contribution théorique [Grossard et al., IEEE TMECH 2009] : deux critères orientés commande pour l’optimisation de la dynamique des structures, basés sur

les grammiens (prix de thèse GDR MACS 2009)

Critère J1k : augmentation de l’autorité de contrôle des k premiers modes

(augmente le roll-off, permet la réduction d’ordre).


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Critères usuels d’optimisation statiques : déplacement et force au point de sortie, amplification de mouvement, d’effort

Critères insuffisants pour les structures microrobotiques !

Contribution théorique [Grossard et al., IEEE TMECH 2009] : deux critères orientés commande pour l’optimisation de la dynamique des structures, basés sur les grammiens

(prix de thèse GDR MACS 2009)

Critère J2k : assure l’alternance des résonnances (pôles) et anti-résonnances (zéros) sur les k premiers

modes (garantie de stabilité, robustesse).

Re

Sens of poles displacement

Instability zone

Im

0

g: 0 →+∞

ω (rad/s)

Magnitude (dB)

alternating pole/zero

Root locus


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PZT PIC151

20mm

20mm

Roll-off

Alternance

Frequential response in magnitude

Critères statiques

Critères dynamiques J12 and J2

2


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• Commande HAC/LAC (double feedback) [Schaecchter et al., 1984]

– Considération des non-linéarités (hystérésis, creep) [Rakotondrabe et al., IEEE TCST 2008]

– Correcteur LAC : amortissement des modes– Correcteur HAC : suivi de trajectoire– Performances

• TR5%=9,9 ms (TR5%OL=33,5 ms)• Marges de stabilité

– Mg>16 dB– Mφ>78°

Boucle LAC Réponse indicielle

HL(s) +

-

δc e

HAC

δUα0D(s)F(s)

system

Hl(s) LAC

+

+


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Translation

δ

Rotation

θ

État

0

1

l

Module bistable

Axe

Verrous :- conception de modules bistables performants,- robustesse mécanique (deux états stables et répétables),- alimentation indépendante d’un grand nombre de modules.

Avantages :- commande en boucle ouverte (absence de capteurs),- immunité au bruit,- faible consommation énergétique,- utilisation dans des environnements confinés,- fabrication monolithique (ne nécessite pas d’assemblage).

Inconvénients :- espace atteignable discret,- charge limitée.

y

Robots

x

z

Les structures microrobotiques : robotique numérique

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Module bistable monolithique (wafer SOI)

4mm

2.5mm

état 0

état 1

État après fabrication Butée activée

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Module bistable microfabriqué

Résultats- déplacement : 10 µm- force de blocage : 1,7 mN- temps de basculement : 129 ms

2.5mm

Caractéristiques du module bistable

δ

Vidéo basculement


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Amortissement de la partie mobile avec les actionneurs thermiquesLe basculement de la position stable 2 à la position stable 1

vibrations

Stable position2

Stable position1

Unstable position1

Stable position1

Stable position2

unstable position

Result comparison

Result without control

Result with control


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• Introduction


• La préhension

• La perception




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La préhension

Préhension par doigts (de 2005 à 2009)

Taille des objets manipulés

Intégration des moyens de perception

Intégration des moyens de commande

Fiabilité du lâcher

Milieux de préhension

… de 100 μm à 10 μm

… position et force, capteurs embarqués, capteurs microfabriqués, commande des matériaux actifs

… lois de commande « embarquables »

… lâcher répétable, fonctionalisation

… air, vide, liquide

- modélisation des interactions

- maîtrise des interactions

- commande

- stratégie de prise/lâcher adaptée au milieu

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La préhension : besoin d’outils d’aide au choix des solutions de préhension

• Modèles physiques existants

122 . .adhF r Wπ= −1 224elec

q qFlπε

=

4 cos

1cap

RF zd

π γ θ=

+

6 . . .hydroF r Vπ μ=

• Absence d’outils ‘pour l’ingénieur’

1

2Limitations:

- Modèle sphère-plan- Modèle sphère-sphère…- Modèle valide à l’échelle nanoscopique

?adhF =?elecF =

?capF =

?hydroF =

1

2- Pas de moyens de simulation- Pas de moyens de mesure des microforces

adaptés à l’échelle microscopique

Difficultés de dimensionnement des outils de micro-assemblage

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• Analyse et Modélisation des effets d’adhésionà l’échelle microscopique

Force de van der Waals Déformation

Phénomène ‘nano’ Phénomène ‘milli’Couplage

• Résultat :Construction d’un modèle de couplage

• Perspectives :Evolution vers des géométries plus complexes

• Structuration de surface pour la micromanipulation

• Collaboration :ISIR, FEMTO-ST, ULB

Contrôle des propriétés de la surface par de l’auto-assemblage

• Résultat :Démonstration d’un optimum minimisant l’adhésion

• Perspectives :Evolution vers des fonctionnalisations chimiques

• Collaboration :EMPA (Suisse), FEMTO-ST

Auto-assemblage de nanoparticules

Propriété de surface pour la micromanipulation

Video 2Video 1

La préhension : besoin d’outils d’aide au choix des solutions de préhension

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La préhension : micropinces instrumentées

Micropince de Femto-tools (FT G100)

Nanotweezer du LIMMS

1 mm

Problématiques- Contrôle de la force de serrage

- Rapport signal/bruit défavorable

- Sensibilité à l’environnement

- But : filtrer le bruit sans pénaliser la bande passante

du système, nécessaire à une préhension ferme sans

détruire ni endommager les micro-objets manipulés.

Micropince de Femto-tools (FT G100)Écartement initial 100 µm

Actionnement électrostatique

Capteur de force intégré

Tension de commande max. : 200 V

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Contrôle de MEMS : caractérisation des bruits

Caractéristiques du bruit de mesure

⎩⎨⎧

+=++=+

)()(.)()()(.)(.)1(

kvkXCkVkwkVBkXAkX

out

in

Modèle d’état stochastique

bruit d’état

bruit de mesure

Modèle de la micropince

Comportement en boucle ouverte


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Contrôle de MEMS : commande en force

Filtrage du bruit sans perte de dynamiquePréhension d’une bille de 80 µm

À l’aide d’une micropince Femto-Tools

Commande LQG

Consigne : 10 µN

Comparaison entre la sortie estimée et le résultat de la mesure à l’aide d’un interféromètre.


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La préhension : à base de poutres piézoélectriques

Commande robuste H-infini en force/position d’une micro-pince piézoélectrique et prise en compte de l’environnement[Rakotondrabe et al., IEEE TCST 2009]

Commande des microactionneurs piezoélectriques – entre 2006 et 2009 :

Responses en Force/position

Micro-gripper

Commande en boucle ouverte des microactionneurs piézoélectriques, avec :

- Compensation de l’hystérésis et du creep(sous micrométrique)

- Suppression des vibrations : dépassement nul et temps de réponse diminué de 80%

[Rakotondrabe et al., IEEE TASE 2009]

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La manipulation sans contact

Structure microrobotique

PréhensionManipulation sans contact

100 μm 10 μm 1 μm1 mm

magnétisme

électrophorèse

Tweezer optique

diélectrophorèse

……

acoustique

champélectrique

mouvement

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• Simulation de trajectoire (approche actuelle):

Simulation EFSimulation EF

Géométriesélectrodes

Tensions

Trajectoireparticule

n FEMsimulation

n FEMsimulation

Géométriesélectrodes

Tensions

Trajectoireparticule

Base de Donnéesn+1 électrodes

SimulateurnumériqueSimulateurnumérique

• Approche hybride :

Impossibilité de modifier la tension en cours de trajectoireModèle boite-noire difficilement utilisable pour la synthèse

de la commande

Nombre réduit de simulationModification de la tension au cours du temps

• Objectif et principechamp

électriquemouvement

• Commande :Etude de commande prédictiveFiltrage avec modèle

Grande dynamique du système 100 - 1000HzDynamique du capteur vision équivalente ou inférieure

Utilisation d’un modèle dans la commande

Manipulation sans contact par DEP

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sim x positionsim y positionexp x positionexp y position

Time (s)

Pos

ition

(m)

Vidéo diélectrophorèse

High dynamics40 ms

Manipulation sans contact par DEP


Trajectoire simulée et expérimentale pour une micro bille sous des tensions =[0,25,100,0] volts

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• Introduction


• La préhension

• La perception




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La fonction de perception

… 0,5 à quelques centaines de mN… sensibilité et résolution (<µN à mN) très variables selon les technologiesEx : de 1 à 2 ddl sur capteur capacitif,3 à 6 ddl sur membrane piézorésistive

… quelques dizaines µm2 à quelques mm2

Gamme

Sensibilité / résolution

Nombre de ddl

Intégration

Taille (zone sensible)

Ce qu’il faut mesurer : position (dans l’espace de travail et dans le préhenseur) et la force (préhension et contact)

Critères : résolution, sensibilité, nombre de ddl, taille de la zone sensible (pour qu’elle soit au plus près de l’information à capter) et l’intégration dans les systèmes microrobotiques

Vision

un multi ddl sur préhenseur est rare

- Choix des technos guidé en fonction de l’objectif de perception (compromis !)

- Développement des microtechnologies pour une meilleure intégration (intégration des moyens de captage sur puce)

- Utilisation du self sensing [Ivan et al., RSI 2009, RSI 2009]

mosaicing, reconstruction de vue, vision rapide, intégration rare

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La fonction de perception de la force

Conception d’un capteur de forces de préhension- Résolution de 10µN, plage de mesure de 5 mN- Compatibilité avec les méthodes de microfabrication- Transmission et traitement du signal

Expérimentations- Réalisation en microfabrication- Caractérisation des performances

Réalisation d’un capteur de force intégrésur des doigts de micropince

(déclaration d’invention en cours)

vidéo

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• Introduction


• La préhension

• La perception




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Stations de micromanipulation et de micro-assemblage : contexte

[Dan Popa 2007]USA

Station Micro-Meso-Micro M3, 19 ddl, préhenseur passif,composants mm/500 µm

En Amérique : Carnegie Mellon Univ., Univ. Texas à Arlington, Toronto, Victoria

En Asie : Nagoya, Tsukuba, Tokyo, Toyo

5 ddl, manipulation de composants optiques

[Matsumoto 2007]Japon

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En Europe :

- France : FEMTO-ST, ISIR, CEA- Suisse : EPFL, ETHZ, EMPA- Allemagne : IPA Stuttgart, Univ d’Oldenburg- Belgique : ULB- Italie : Univ de Pise, ITIA- Royaume Uni : Univ de Nottingham- Finlande : TUT, HUT- Suède : KTH- Espagne : Robotiker

SCARA dans une pocket factory, composants 500 µm

[Verettas 2006]Suisse

Stations de micromanipulation et de micro-assemblage : contexte

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Le projet de société PERCIPIO ROBOTICS

- chef de projet : David Hériban

- actuellement en incubation (incubateur de Franche-Comté)

- création prévue vers l’été 2010

Micron d’or 2008

-manipuler,

- positionner,

- et assembler automatiquement des objets de 0,01 mm à 10 mm en précision micrométrique

Etude, conception, prototypage de systèmes flexibles et modulaires sur mesure pour :

Stations de micromanipulation et de micro-assemblage

Vidéo Pick and place automatique

Lauréat concours OSEO émergence 2009

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Apport clef de l’asservissement visuel

Pour des composants mesurant plus de 100 μm, l’asservissement visuel permet l’automatisation des tâches d’assemblage

Assemblage de produits en 3D

L’asservissement visuel sous MEB

- très bonne profondeur de champ

- bonne étendue de vue

- pas de problème d’illumination

- espace de travail dégagé

- très bonne résolution (0,4 nm)

[Tamadazte et al, AIM 2009, IROS 2009]

Stations de micromanipulation et de micro-assemblage

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• Introduction


• La préhension

• La perception




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Vers la nanorobotique

Pourquoi ?

Les enjeux scientifiques

L’étude des nano-objets ne pourra se faire sans l’invention de moyens de nanomanipulation

Proposer des stratégies de manipulation et d’assemblage intégrables dans des environnements où les nano-objets peuvent être visualisés, c'est-à-dire dans des environnements très contraints ;

Proposer des commandes permettant d’atteindre des précisions inférieures aux nanomètres ;

Proposer des solutions robotiques permettant la téléopération puis l’automatisation des opérations sur les nano-objets ;

Invention d’une robotique elle-même d’échelle nanométrique.

© 2007 Nature Publishing Group

Lund University

Mesures physiques locales sur des nanotubes

Réparation de dispositifs de taille nanométrique

Participation à la mise en place des outils sous microscope et des observations

Alignement de nanotubes et/ou nanofils pour la fabrication de nouvelles structures

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Vers la nanorobotique

Parallel imaging/2D nanomanipulation(App. Pys. Lett. 2009)

3D Micromanipulation (J Micromech. Microeng. 2009)

2D1/2 submicron manipulation (Nanotechnology, 2009)

1. Micromanipulation 3-D dans l’air (Φ 2 μm)2. Pick-and-place sous-micronique dansl’air (Φ 170 nm)

3. Imagerie et manipulation // (Φ 70 nm)

SystSystèème me nanorobotiquenanorobotique àà 2 leviers AFM 2 leviers AFM

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Depuis les JNRR 2007

Présence dans les conférences internationales

3

4

5

6

2008 2009

IROS ICRA

Quelques distinctions→ ICRA 2008 : Best Automation Paper (J)

→ ICRA 2009 : Best Automation Paper (CH), Best Student Paper (CH), Best Medical Robotics Paper (Ca), Intuitive Surgical Best Medical Robotics Paper(Ca)

→ IROS 2009 : Best Paper (USA), Best Application Paper (F)

→ 2009 RAS Most Active Technical Committee

Sessions techniques

workshops

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Vers le champ applicatif médical

Microrobotique médicaleCatéthers actifs

Capsules

Mécanismes complexes

précision

commandeà

distance

conception micro-

mécatronique

commande référencée capteurs

sécurité

autonomie

diagnostic précoce

micro thérapie

assistance au geste médical

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