Contribution to digital microrobotics : modeling, design and fabrication of curved beams, U-shaped actuators and multistable microrobots

par Hussein Hussein

Thèse de doctorat en Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique

Sous la direction de Philippe Lutz, Yassine Haddab, Patrice Le Moal et de Gilles Bourbon.

Soutenue le 11-12-2015

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) (laboratoire) 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 Philippe Lutz, Yassine Haddab, Patrice Le Moal, Gilles Bourbon, Rafic Younes.

Les rapporteurs étaient Christine Prelle, Joël Pouget.

mots clés

• Microrobotique numérique
• DiMiBot
• Basculement
• Maintien
• Mécanismes multistables
• Optimisation
• Miniaturisation
• Poutre flambée préformée
• Électrothermique en U
• Module multistable
• Microfabrication
• Micro-usinage de volume
• Microrobots
• Actionneurs

Titre traduit

Contribution à la microrobotique numérique : modélisation, conception et fabrication de poutres bistables, d'actionneurs en U et de microrobots multistables

Résumé

Un nombre de sujets concernant la microrobotique numérique ont été abordés dans le cadre de cette the` se. Une nouvelle génération du microrobot numérique ”DiMiBot” a e´ te´ proposé ce qui rend le DiMiBot plus précis, plus contrôlable et plus petit. La nouvelle structure est formée de deux modules multistables seulement, ce qui ajoute des fonctionnalités´ s importantes comme l’augmentation du nombre de positions avec une taille plus réduite et la capacité´ de réaliser des trajectoires complexes dans l’espace de travail. Le principe du nouveau module multistable combine les avantages des microactionneurs pas à pas en termes du principe et du concept numérique en termes de la répétabilité et la robustesse en boucle ouverte. Un mécanisme de positionnement précis, capable de compenser les incertitudes de fabrication a e´ te´ développé et utilise´ pour assurer un positionnement précis. En parallèle, des modèles analytiques ont e´ te´ développés pour les principaux composants dans le DiMiBot: poutres flambées préformées et actionneurs e´ électrothermiques en U. Des méthodes de conception ont été développées par la suite qui permettent de choisir les dimensions optimales garantissant les performances requises en respectant les spécifications et limites de design. Des prototypes de modules multistables, fabrique´ s dans la salle Blanche MIMENTO, ont montré´ un bon Fonctionnement dans les expériences.

mots clés

• Digital Microrobotics
• Switching function
• Holding function
• Multistable mechanisms
• Optimization
• Miniaturization
• Preshaped curved beam
• U-shaped electrothermal actuator
• Multistable module
• Microfabrication
• Bulk micromachining

Résumé

A number of topics concerning digital microrobotics were addressed in this thesis. A new generation of the digital microrobot ”DiMiBot” was proposed with several advantages making the DiMiBot more accurate, more controllable and smaller. The new structure consists of only two multistable modules which adds some important features such as increasing the number of positions with smaller size and the ability to realize complex trajectories in the workspace. The principle of the new multistable module combines the advantages of the stepping microactuators in terms of the principle and of the digital concept in terms of the repeatability and robustness without feedback. The accuracy is ensured with an accurate positioning mechanism that compensate the fabrication tolerances. In parallel, analytical models was developed for the main components in the DiMiBot: preshaped curved beams and U-shaped electrothermal actuators. Subsequently, design methods were developed that allow choosing the optimal dimensions that ensure the desired outputs and respecting the design specifications and limitations. Multistable module prototypes, fabricated in the clean room MIMENTO, showed a proper functioning in the experiments.