Modélisation et commande de systèmes à bobines mobiles :application à la nage de robots magnétiques

par Maxime Etievant

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Sous la direction de Nicolas Andreff et de Stéphane Regnier.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) et de AS2M - Département Automatique et Systèmes Micro-Mécatroniques (equipe de recherche) .


  • Résumé

    Dans le contexte biomédical, la manipulation d'objets de taille microscopique avec précision est un réel défi qui nécessite le développement de systèmes microrobotiques innovants. Compte tenu des échelles envisagées, l'utilisation des microrobots guidés par champ magnétique est l'une des approches les plus prometteuses afin des déplacer des objets dans des zones fortement contraintes ou difficile d'accès. Bien que cette méthode d'actionnement à distance soit attractive, les deux principaux dispositifs d'actionnement magnétiques à savoir les systèmes à aimants mobiles et les dispositifs à bobines statiques ne permettent généralement pas de satisfaire les contraintes des applications biomédicales. Il existe toutefois une troisième catégorie de systèmes d'actionnement, les dispositifs à bobines mobiles mais ceux-ci non sont que peu été étudiés. Dans ce contexte, les travaux développés dans cette thèse portent sur l'étude des systèmes de manipulation magnétique composés de bobines mobiles. Dans un premier temps, la manière de modéliser le champ magnétique généré par une bobine est étudiée. Les méthodes présentées dans l'état de l'art n'étant pas compatible avec les contraintes imposées par l'utilisation d'une commande en boucle fermée sur l'ensemble de l'espace de travail, nous adaptons par la suite un modèle existant afin de le rendre compatible avec ces contraintes. Dans un second temps, nous nous intéressons à la commande de systèmes manipulation magnétique à sources mobiles. Pour cela, nous développons un modèle d'un système générique composé d'un nombre fini de bobines mobiles, puis ce modèle est linéarisé. Enfin, pour pouvoir évaluer les performances d'un système de manipulation magnétique, nous nous intéressons aux indices de manipulabilité de ce genre de dispositif. Les critères existant ne permettant pas de prendre en compte les limitation physiques liées à l'échauffement des bobines, nous proposons un critère de manipulabilité adapté des approches macroscopiques des robots à câbles. Ces différents outils et méthodes sont par la suite utilisés afin de concevoir, réaliser et évaluer un dispositif expérimental.

  • Titre traduit

    Modeling and control of moving coil systems: application to swimming magnetic robot


  • Résumé

    In the biomedical context, the manipulation of microscopic objects with precision is a real challenge that requires the development of innovative microrobotic systems. Considering the scales involved, the use of magnetic field-guided microrobots is one of the most promising approaches to move objects in highly constrained or difficult to access areas. Although this method of remote actuation is attractive, the two main magnetic actuation devices, namely moving magnet systems and static coil devices, do not generally satisfy the constraints of biomedical applications. There is however a third category of actuation system, the moving coil devices, but these have not been studied much. In this context, the work developed in this thesis concerns the study of magnetic manipulation systems composed of moving coils. First, the way to model the magnetic field generated by a coil is studied. The methods presented in the state of the art not being compatible with the constraints imposed by the use of a closed loop control, we then adapt an existing model to make it compatible with these constraints. In a second step, we focus on the control of magnetic manipulation systems with mobile sources. For this purpose, we develop a model of a generic system composed of a finite number of moving coils, then this model is linearized. Finally, in order to evaluate the performance of a magnetic manipulation system, we are interested in the manipulability indices of this kind of device. As the existing criteria do not allow to take into account the physical limitations related to the heating of the coils, we propose a manipulability criterion adapted from the macroscopic approaches of cable robots. These different tools and methods are then used to design, realize and evaluate an experimental device.