Digital microrobotics based on bistable modules : design, fabrication and control of monolithic modules

par Qiao Chen

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Philippe Lutz.

Soutenue en 2010

à Besançon , en partenariat avec Université de Franche-comté. UFR des sciences et techniques (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Microrobotique numérique fondé sur l'utilisation de modules bistables : conception, fabrication et commande de modules monolithiques


  • Résumé

    During the last decade, significant research activities have been performed in the field of microrobotics, which deals with the design, the fabrication and the control of microrobots. These microrobots are intended to perform various tasks in the so-called Microworld (i. E. The world of submillimetric objects), in particular micromanipulation tasks of single objects (artificial or biological) for positioning, characterizing or sorting as well as for industrial microassembly. Researches already done have shown that the use of active materials to actuate microrobots gives better performances than the use of traditional actuators. However, despite their intrinsic high resolution, these materials present some disadvantages, making the design of efficient controllers a hard task. Their behavior is often complex, nonlinear and sometimes non stationary. Closedloop control of the microrobots requires the integration of very small sensors and the use of bulky and expensive instruments for signal processing and real-time operating. Packaging and integration of the sensors and actuators are also hard problems. This is why building multidegrees of freedom microrobots able to perform complex tasks is difficult. To get over these difficulties, we propose an approach to perform the microfabrication of microrobots using a modular concept and an open loop control strategy. These microrobots, named “digital microrobots” are based on the design of microrobots from several “elementary modules”, each offers a very good repeatability and stable positions. A binary signal switches the module between the two stable states. The position of the whole microrobot is controlled by a digital word representing the state of the modules. A paradigm is opened in the microrobotics field, allowing the design of various kinematics adapted to the microworld. The main advantages of this new microrobotic are modularity, absence of sensors, the flexibility, microfabricated robots and open-loop control.


  • Résumé

    Au cours de la dernière décennie, des travaux de recherche importants ont été effectués dans le domaine de la microrobotique. Ces travaux concernent la conception, la fabrication et la commande de microrobots destinés à exécuter diverses tâches dans le micromonde (le monde des objets de taille micrométrique). Il s’agit notamment de tâches de manipulation d’objets artificiels ou biologiques à des fins de positionnement, de caractérisation ou de tri mais aussi pour le micro-assemblage industriel. Les recherches effectuées ont montré l’efficacité des matériaux actifs pour l’actionnement des microrobots. Toutefois, en dépit de leur haute résolution intrinsèque, ces matériaux présentent des inconvénients qui rendent la commande des microrobots difficile. Le comportement de ces matériaux et plus généralement des actionneurs qui les utilisent est souvent complexe, non linéaire et parfois non stationnaire. L’implantation de lois de commande nécessite donc l’emploi de capteurs et d’instruments coûteux et encombrants pour le traitement des signaux et l'exécution en temps réel. Dans le but de lever les difficultés citées précédemment et d’ouvrir des perspectives nouvelles pour la conception et la commande de microrobots, nous proposons une nouvelle approche pour la microrobotique microrobotique numérique qui utilise un concept de modularité et une commande en boucle ouverte. Ces nouveaux microrobots sont construits à partir de modules élémentaires possédant deux états mécaniques stables et répétables. La position de l'extrémité du microrobot dépend de l’état des différents modules bistables qui le composent. Cette approche introduit un nouveau paradigme en microrobotique permettant la conception de cinématiques diverses adaptées au micromonde. Les principaux avantages de cette nouvelle microrobotique sont la modularité, l’absence de capteurs, la flexibilité, la possibilité de réaliser des robots microfabriqués et l’absence d’asservissement. Cette thèse propose la conception, la microfabrication et la caractérisation d’un module bistable.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (153 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.145 - 152

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