Développement et analyse d'un planificateur de trajectoires pour la manipulation dextre de micro-objets en 3D

Development and analysis of a path planner for dexterous in-hand manipulation of micro-objects in 3D

• Auteur / Autrice : Pardeep Kumar
• Direction : Michaël Gauthier, Redwan Dahmouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Dahmouche
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lutz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Gauthier, Redwan Dahmouche, Philippe Lutz, Yassine Haddab, Karim Belharet, Mathieu Grossard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yassine Haddab, Karim Belharet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Mots clés libres

Micro-Manipulation

Manipulation dextre

Planification de trajectoires

Micro-Manipualtion

Dexterous manipulation

Trajectory generation

Résumé

Les développements technologiques ne cessent de s’accélérer et de plus en plus de fonctions sont intégrées, et le volume des dispositifs (électroniques, électriques, mécaniques, etc.) a largement diminué. Cette tendance à la miniaturisation a ouvert la voie à la conception de robots à petite échelle, capables de manipuler ces petits objets pour les assembler. L'état actuel de l'art permet la manipulation planaire et dextre de micro-objets de forme arbitraire, tandis que certains objets sphériques peuvent être manipulés en 3D par télé-opération, en tenant compte des forces d'adhésion qui existent à l'échelle micro et nanométrique. En raison de la limitation des techniques de manipulation à l'échelle micro, les applications sont également très limitées. Cependant, il existe de nombreux domaines d'applications où nous avons besoin de manipuler des micro-objets en 3D, comme la chirurgie invasive minimale, le montage en surface de composants électroniques, et le placement et l'assemblage de composants mécaniques. Notre objectif est donc de développer un système capable de manipuler des micro-objets en 3D en tenant compte des spécificités physiques à l'échelle microscopique. Il existe de nombreux défis scientifiques à l'échelle de la robotique, qui nécessitent une attention particulière pour leur utilisation et leurs applications appropriées. Cette recherche se concentre sur l'un de ces défis, à savoir la "planification des trajectoires des doigts" pour manipuler avec dextérité les micro-objets. L'extension directe de la méthode précédente, c'est-à-dire extrapoler les méthodes de manipulation dextre planaire, à un cas d’étude 3D impliquerait une augmentation exponentielle de la complexité informatique. Nous proposons donc une approche qui permet de planifier la manipulation dextre en 3D avec une augmentation modérée de la complexité. L'idée principale est de décomposer tout mouvement 3D en trois rotations 2D individuelles autour d'axes spécif iques liés à l'objet. Cette approche induit certaines contraintes sur le processus de manipulation, ainsi pour s'assurer que les trois rotations 2D individuelles peuvent être combinées pour former une rotation 3D complète, nous avons développé un algorithme de recherche qui respecte les contraintes de manipulation. Enfin, nous analysons également l'impact des paramètres physiques (force d’adhésion et de friction) qui affectent le processus de manipulation. La méthode développée permet de planifier la trajectoire des doigts permettant de manipuler et d'orienter l'objet (sur lequel deux plans orthogonaux peuvent être projetés) en 3D, et a été validée par des simulations.

The current technical era has evolved, as more and more functions are integrated, and the volume of devices (electronic, electrical, mechanical etc.) has decreased. This trend of miniaturization has opened an opportunity to design small-scale robots, that can manipulate these small objects for assembly. The current state of art provides the planar dexterous manipulation of micro-objects of arbitrary shaped objects, while some spherical objects can be manipulated in 3D through tele-operations; taking into account the adhesion forces that exist at the micro and nanoscales. Due to the limitation of manipulation techniques at micro-scale, the applications are also very limited. However, there are many areas of applications where we require to manipulate the micro-objects in 3D, like minimal invasive surgery, surface mounting of electronic components, and placement and assembling of mechanical components. Thus, our goal is to develop a system that can manipulate the micro-objects in 3D considering the physical specificities at microscale. There are many scientific challenges at small-scale robotics, that require the attention for their appropriate use and applications. This research focuses on one of these challenges, the “planning the finger trajectories” to dexterously manipulate the micro-objects. Direct extension from previous method i.e., planar dexterous manipulation to 3D would involve an exponential increase in computational complexity. Thus, we propose an approach that allows to plan for 3D dexterous in-hand manipulation with a moderate increase in complexity. The main idea is to decompose any 3D motion into three individual 2D rotations about specific axes related to the object. This approach induces some constraints on the manipulation process, thus, to ensure that the three individual 2D rotations can be combined to form a complete 3D rotation, we also develop a search algorithm that complies with the manipulation constraints. In the last, we also analyse the impact of physical parameters (adhesion force and friction coefficient) that affects the manipulation process. The developed method allows to plan finger trajectories to manipulate and orient the object (on which two orthogonal planes can be projected) in 3D, and have been validated through simulations.