Etude et développement d'un capteur de microforce pour la caractérisation de la nanofriction multi-aspérités en micromanipulation dextre

par Margot Billot

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Emmanuel Piat et de Philippe Stempfle.

Soutenue le 06-06-2016

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (équipe de recherche) et de Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .

Le président du jury était Orphée Cugat.

Le jury était composé de Emmanuel Piat, Philippe Stempfle, Orphée Cugat, Lionel Buchaillot, Christine Prelle, Patrick Pinot.

Les rapporteurs étaient Lionel Buchaillot, Christine Prelle.


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue.

  • Titre traduit

    Study and development of a microforce sensor for characterization of multi asperities nanofriction in dexterous


  • Résumé

    Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (p.161)
  • Annexes : Bibliogr.p.149-161

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : SCI.BESA.2016.5
  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire électronique, Besançon.
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