Conception, modélisation et commande de robots parallèles à articulations souples pour la micromanipulation à haute cadence

Design, modeling and control of parallel robots with soft joints for high-speed micromanipulation

• Auteur / Autrice : Maxence Leveziel
• Direction : Guillaume Laurent, Redwan Dahmouche, Michaël Gauthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• 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 (Besançon) - 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 : François Pierrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Selman Sakar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Duriez, Stéphane Caro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Guidages flexibles

Micromanipulation

Mots clés libres

Robotique

Micromanipulation

Robot parallèle à plateforme configurable

Articulation souple

Manipulation haute cadence

Robotics

Micromanipulation

Parallel robot with configurable platform

Soft joint

High throughput manipulation

Résumé

La miniaturisation des composants des objets manufacturés est de plus en plus importante. Afin de réduire les coûts de production, il est nécessaire de développer des solutions robotiques de micromanipulation et de micro-assemblage et d’améliorer, en particulier, la cadence de manipulation qui reste faible sur les systèmes actuels (<1 cycle par seconde). L’objet de cette thèse de doctorat est de proposer des méthodes permettant de lever ce verrou scientifique de la micromanipulation haute cadence. Nous proposons une approche originale basée sur (i) une architecture parallèle à plateforme configurable permettant l’intégration d’un préhenseur, directement dans la structure et (ii) la miniaturisation du robot manipulateur permettant de réduire le ratio de taille entre le robot et l’objet. La fabrication du robot miniature a nécessité d’adapter sa conception aux spécificités de l’échelle et notamment de substituer les liaisons mécaniques conventionnelles par des articulations souples en polymère (PDMS). Nous montrons que cette approche permet de réduire les masses en mouvement et d’atteindre des hautes cadences (>10 cycles par seconde).Le manuscrit présente plusieurs méthodes de modélisation pour des mécanismes miniatures à articulations souples avant d’introduire et d’étudier une structure robotique originale pour la micromanipulation à haute cadence. Ce micromanipulateur a été testé expérimentalement et démontre la capacité de manipuler des objets micrométriques en effectuant 12 cycles de prise-dépose par seconde. Enfin, cette structure robotique originale a été également mise en œuvre à l’échelle macroscopique et illustré par la réalisation d’un manipulateur pour le tri de déchets.

The miniaturization of the components of manufactured objects is increasingly important. In order to reduce production costs, it is necessary to develop robotic solutions for micromanipulation and microassembly and to improve, in particular, the throughput which remains low on current systems (<1 cycle per second). The aim of this PhD thesis is to propose methods to overcome this scientific challenge of high-speed micromanipulation. We propose an original approach based on (i) a parallel architecture with a configurable platform allowing the integration of a gripper directly in the structure and (ii) the miniaturization of the manipulator robot allowing to reduce the size ratio between the robot and the object. The fabrication of the miniature robot required to adapt its design to the specificities of the scale notably to substitute the conventional mechanical links by soft joints (PDMS). We show that this approach allows to reduce the moving masses and thus to reach high throughputs (>10 cycles per second).The manuscript presents several modeling methods for miniature mechanisms with flexible joints before introducing and studying an original robotic structure for high rate micromanipulation. This micromanipulator has been experimentally tested and demonstrates the ability to manipulate micrometric objects by performing 12 pick-and-place cycles per second. Finally, this original robotic structure has also been implemented at the macroscopic scale and led to the realization of a manipulator for waste sorting.