Conception et realisation d'un mobile piézoélectrique pour utilisation coopérative

Design and realization of a piezoelectric mobile for cooperative use

• Auteur / Autrice : Hassan Hariri
• Direction : Adel Razek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/11/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Lethiecq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adel Razek, Marc Lethiecq, Lionel Petit, Dejan Vasic, Yves Bernard, Bruno Dehez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Petit, Dejan Vasic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intelligence collective

Éléments finis, Méthode des

Dispositifs piézoélectriques

Mots clés libres

Robot piézoélectrique miniature

Mimétisme des essaims biologiques (swarms)

Modélisation par la méthode des éléments finis

Théorie des plaques minces asymétriques

Moteurs linéaire ultrasoniques à ondes progressive

Piezoelectric miniature robot

Mimicking biological swarms

Modeling by the finite element method

The theory of thin plates asymmetric

Linear traveling wave ultrasonic motors

Résumé

L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser un mobile piézoélectrique pour utilisation coopérative. Le terme mobile piézoélectrique est utilisé dans cette thèse pour décrire un robot piézoélectrique miniature. Ce robot miniature mobile est actionné par des matériaux piézoélectriques. L’objectif de la thèse est donc la conception et la réalisation d’un robot pouvant être miniaturisé et qui pourrait donc être utilisé dans le cadre du mimétisme des essaims biologiques (fourmis, abeilles…) pour un fonctionnement coopératif.Le robot réalisé est constitué d'un support mince et de patchs piézoélectriques. Les patchs piézoélectriques sont collés sur le support de façon intelligente afin de déplacer le support en milieu terrestre. Dans ce contexte, la thèse est divisée en trois parties.La première partie est consacrée à la modélisation d’un tel système (support mince avec des patches piézoélectriques sur une seule de ses faces). Une modélisation par la méthode des éléments finis est développée pour ce système en se basant sur le principe variationnel d’Hamilton et en considérant l'hypothèse de Love-Kirchhoff. L’originalité de cette modélisation réside dans l’utilisation de la notion du plan neutre pour modéliser ce système asymétrique. Cela permet de ne modéliser le système étudié que par un modèle éléments finis à deux dimensions (2D) tout en tenant compte de la troisième dimension dans le calcul. La deuxième partie présente le principe de fonctionnement du robot qui est inspiré des moteurs linéaire ultrasoniques à ondes progressive. Cette partie présente toutes les étapes de la conception optimale afin de créer les mouvements nécessaires. La conception optimale est étudiée en utilisant la modélisation par éléments finis obtenue dans la première partie. La troisième partie de cette thèse est dédiée à la réalisation d’un prototype expérimental. Le processus de fabrication ainsi que l’électronique associée au robot sont présentés dans cette partie. Le robot est caractérisé expérimentalement en mesurant la vitesse en fonction de la tension appliquée, la vitesse en fonction de masses embarquées par le robot et la vitesse en fonction de la force fournie par le robot. Ce robot est, par ailleurs, comparé avec d’autres systèmes de même nature.

The objective of this thesis is to design and realize a piezoelectric mobile for cooperative use. The term piezoelectric mobile is used in this thesis to describe a piezoelectric miniature robot. This mobile miniature robot is actuated by piezoelectric materials. The aim of the thesis is the design and the realization of a robot that can be miniaturized and could therefore be used in the context of biological mimicry swarms (ants, bees ...) for a cooperative operation.The realized robot consists of a thin support and piezoelectric patches. Piezoelectric patches are bonded on the support on an intelligent manner in order to move the support on land. In this context, the thesis is divided into three parts.The first part is devoted to the modeling of such a system (thin support with piezoelectric patches on one of its faces). Modeling by the finite element method is developed for this system based on the variational principle of Hamilton and considering the Love-Kirchhoff hypothesis. The originality of this model lies in the use of the concept of the neutral plane to model this asymmetric system. This allows modeling the system studied by a finite element model in two dimensions (2D), taking into account the third dimension in the calculation.The second part presents the operating principle of the robot which is inspired by the linear traveling wave ultrasonic motors. This section presents all the stages of the optimal design to create the necessary movements. The optimal design is investigated using finite element modeling obtained in the first part.The third part of this thesis is devoted to the realization of an experimental prototype. The manufacturing process and the associated electronics for the robot are presented in this section. The robot is characterized experimentally by measuring the speed according to the applied voltage, the speed versus mass loaded by the robot and the speed according to the force provided by the robot. This robot is also compared with other similar systems.