Actionneurs piézoélectriques ultrasoniques miniatures pour la réalisation de moteurs sphériques compacts

Miniature ultrasonic piezoelectric actuators for compact spherical motors

• Auteur / Autrice : Edouard Leroy
• Direction : Moustapha Hafez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actionneurs

Frottement

Résonance

Vibrations

Piézoélectricité

Mots clés libres

Modélisation

Sphérique

Moteurs ultrasoniques

Résumé

Les moteurs à plusieurs degrés de liberté angulaire sont des systèmes utilisés dans de nombreuses applications avec par exemple la réalisation d'articulation de robots, de roues omnidirectionnelles ou la stabilisation de composants optiques. La méthode classiquement utilisée pour réaliser ce type de plateformes limite cependant la capacité de ces systèmes à être miniaturisés. Une solution facilitant la réalisation de systèmes compacts à plusieurs degrés de liberté angulaire est l'utilisation d'un unique rotor sphérique. Nous proposons dans ce travail, un actionneur ultrasonique piézoélectrique adapté à la fabrication de moteurs sphériques compacts. L'innovation de l'actionneur développé tient dans l'adaptation de sa surface de contact au rotor, ce qui permet d'obtenir une surface étendue de contact et un guidage total du rotor sphérique. L'état de l'art des différents systèmes d'actionnement sphérique à un seul rotor est proposé ainsi que l'ensemble des considérations théoriques utiles à la modélisation et la réalisation de moteurs ultrasoniques. Un modèle complet pour la conception d'actionneurs ultrasoniques est proposé, il décrit l'étude de la géométrie et de ses modes de vibration, l'analyse du contact par l'application d'un modèle de transfert de force et la conversion électromécanique par méthodes semi-analytiques. Un prototype expérimental est proposé ainsi qu'une caractérisation de ses performances. Les données obtenues sont comparées au modèle théorique et permettent de valider les méthodes de conception proposées. L'effet de l'amplitude de stimulation, de la précontrainte et de l'étendue du contact y sont notamment analysés. Bien qu'appliqué au cas particulier d'un actionneur multimode incurvé, la démarche employée est générale et peut-être adaptée à la réalisation d'autres systèmes ultrasoniques.

Multi-degree-of-freedom angular motors are used in numerous applications, such as robot articulations, omnidirectional wheels or the stabilization of optical components. Nevertheless, the classical method used to build such platforms limits the miniaturization of these devices. The use of a single spherical rotor is a solution which facilitates the realization of compact multi-degree-of-freedom angular systems. In this work, we propose a piezoelectric ultrasonic actuator adapted to the fabrication of compact spherical motors. The novelty of the developed actuator is the adapted contact surface that allows for an extended contact area and thus the complete guidance of a spherical rotor. The state of the art of single rotor spherical systems is presented along with a presentation of the theoretical considerations useful for the modeling and construction of ultrasonic motors. A complete model for the design of ultrasonic motors is also proposed, which describes the geometry of the actuator and its vibration modes, the analysis of the contact using a force transfer model and the electromechanical conversion using semi-analytical methods. An experimental prototype is proposed along with a characterization of the actuator performance. Experimental data is compared to the theoretical model and validates the proposed design method. Parameters such as electrical amplitude, preloading force and the extent of the contact area are analyzed. Although in this case we demonstrate the application of our design methodology to the specific case of a curved multi-mode actuator, the proposed methodology is general and can be adapted to the design of other ultrasonic systems.