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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


• 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

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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

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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

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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

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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

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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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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

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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

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Démonstrateur de préhension par glace immergée

1 mm

Méthode originale de micropréhension en milieu acqueux

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Micropréhension et diélectrophorèse


• 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

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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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Méthode originale de lâcher de micro-objets

Manipulation sans contact Lâcher actif d’objets

Démonstrateur de manipulation par diélectrophorèse

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Micropréhension par pince à doigts de serrage


• 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

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• 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

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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%

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Micro-assemblage téléopéré

temps x5 temps x3

Méthode de microassemblage robotique de micro-objets

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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

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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

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• 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.

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• 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

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Méthodes de préhension adaptées aux micro-objetsMichaël Gauthier

Chargé de recherche CNRS

Département AS2M

FEMTO-ST

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• 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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