Contribution à la conception optimale et la commande de systèmes mécatroniques flexibles à actionnement piézoélectrique intégré : application en microrobotique

Contribution to the optimal design and the control of flexible mechatronic systems with integrated piezoelectric actuation Application in microrobotics

• Auteur / Autrice : Mathieu Grossard
• Direction : Nicolas Chaillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Piézoélectricité

Résumé

Lorsqu'on applique une réduction d'échelle aux systèmes mécatroniques habituellement rencontrés dans le macromonde, la miniaturisation n'est possible que si elle est accompagnée d'une intégration fonctionnelle de ces systèmes. Cette tendance générale pousse les microsystèmes à posséder une densité fonctionnelle de plus en plus importante, qui les fait converger progressivement vers le concept d'adaptronique. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode de synthèse optimale de structures flexibles, pour permettre la conception d'actionneurs intégrés. Notre méthode de synthèse est basée sur l'agencement optimal de blocs flexibles élémentaires grâce à un algorithme génétique multi-critères. Ces blocs flexibles sont de type treillis de poutres et décrits par une méthode aux éléments finis. Ils peuvent être passifs ou rendus actifs par effet piézoélectrique inverse, permettant ainsi l'intégration de la fonction d'actionne ment au sein même de la structure du mécanisme. En outre, une représentation dynamique du comportement entrée(s)-sortie(s) de ces mécanismes flexibles permet la prise en compte dans la méthode d'optimisation, dès la phase amont de conception, de nouvelles spécifications permettant de garantir certaines performances lors de la commande ultérieure des systèmes ainsi synthétisés. Enfin, un prototype de micropince piézoélectrique monolithique est conçu de manière optimale grâce à l'outil logiciel développé: les tests expérimentaux effectués permettent de valider la démarche de conception mécatronique dans son ensemble, depuis l'étape amont de l'étude complète de sa topologie, jusqu'à l'étape finale de sa commande robuste en boucle fermée.

When applying scale reduction to mechatronic systems that are usually encountered at the macroscale, the miniaturisation step necessarily implies functional integration of these systems. This general trend makes microsystems more and more functionally integrated, which makes them converging towards the adaptronic concept. The aim of this thesis is to develop a new optimal synthesis method of monolithic compliant structures to design integrated actuators. Our method is based on the optimal arrangement of flexible building blocks thanks to a multi-criteria genetic algorithm. These building blocks result from the assembly of beam elements and are described by a finite element method. They can be either passive or active by exploiting the inverse piezoelectric effect, thus making realistic the integration of the actuation principle inside the mechanical structure. In addition, a dynamic description of the input(s)-output(s) behavior of these flexible mechanisms can be taken into account in our optimization method. Thus, new fitness functions allow the optimal synthesis of devices within a wide schedule of conditions, which can guaranty some specific performances during the control process of these synthesized systems afterwards. Finally, a monolithic piezoelectric microgripper prototype is optimally designed using our developed software tool. The experimental tests made can validate ail the different steps of our mechatronics design methodology, from the first designing step of the complete topology study to the final step of the robust control in close-loop form.