Triskèle-Bot : étude et développement d'un robot parallèle continu pour le micro-positionnement

Triskèle-Bot : study and development of a paarallel continuum robot for micro-positioning

• Auteur / Autrice : Benjamin Mauzé
• Direction : Cédric Clévy, Guillaume Laurent, Redwan Dahmouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 11/01/2021
• 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 : Michaël Gauthier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Clévy, Guillaume Laurent, Redwan Dahmouche, Michaël Gauthier, Yassine Haddab, Christine Prelle, Christian Duriez, Pierre Renaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yassine Haddab, Christine Prelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Microrobots

Mots clés libres

Robots Parallèles continus

Microrobotiques

Micro-Positionnement

Étalonnage de robots

Parallèle Continuum Robots

Microrobotics

Micro-Positioning

Robot calibration

Résumé

Les robots parallèles continus (RPC) sont de nouvelles structures qui présentent un grand intérêt en termes de souplesse, d’espace de travail ou encore de miniaturisation, mais qui ne sont pas connus pour leur précision. Cette thèse étudie le potentiel des RPC pour le positionnement à haute précision demandant un espace de travail conséquent. Pour cela, un nouveau concept de RPC planaire à 3 degrés de liberté, nommé Triskèle-Bot, constitué d’une plateforme et de trois bras flexibles continument déformables actionnés en translations, est proposé. Pour étudier son comportement, un modèle géométrique directe et inverse sont établis à partir d’une résolution numérique d’un système d’équations aux dérivées partielles non-linéaires, fondées sur une modélisation de poutre de Kirchhoff, contraintes aux conditions limites. Un prototype est développé de manière à valider ces modèles tout en offrant une répétabilité intrinsèque et une manière innovante de mesurer les paramètres intrinsèques et extrinsèques au robot. Un protocole de mesure par vision est proposé pour réduire les nombreuses sources d’incertitudes inhérentes à l’échelle microscopique et obtenir, ainsi, des mesures de poses avec un bruit de mesure inférieur à la dizaine de nanomètres. Il est utilisé pour mesurer expérimentalement la répétabilité du Triskèle-Bot qui atteint 9,13 nanomètres en position et 0,71 microradians en orientation. Une étude de la justesse de pose, faisant suite à une stratégie originale d’étalonnage, est réalisée sur plusieurs trajectoires montrant des valeurs inférieures à 4 micromètres et 0,6 milliradians. L’ensemble de ces résultats démontre le potentiel des PCR pour des applications de micro-positionnement.

Parallel Continuum Robots (PCR) are new structures that present great interest in terms of workspace or miniaturization, but they are not known for their precision. This thesis studies the potential of RPCs for high precision positioning requiring a consequent workspace. For this purpose, a new concept of planar RPC with 3 degrees of freedom called Triskèle-Bot, composed of a mobile platform and three flexible continuously deformable limbs driven by linear actuators, is proposed. To study its behavior, direct and inverse geometric models are created by a numerical resolution of a system of non-linear partial derivative equations (based on a Kirchhoff beam model) constrained to boundary conditions. A prototype is built to validate these models while offering intrinsic repeatability and an innovative way to measure the intrinsic and extrinsic parameters of the robot. A vision measurement protocol is proposed to minimize the numerous sources of uncertainty inherent to the microscopic scale, and thus obtain measurements of poses with less than ten nanometers of uncertainties. This protocol is used to experimentally measure the repeatability of the Triskele-Bot which reaches 9.13 nanometers in position and 0.71 microradians in orientation. A study of the robot’s accuracy, resulting from an original strategy of calibration, is performed on several trajectories exhibiting values lower than 4 micrometers and 0.6 milliradians. All these results demonstrate the potential of PCR for micro-positioning applications.