3D vision and vision-based controls for MEMS micromanipulation and microassembly

• Auteur / Autrice : Brahim Tamadazte
• Direction : Nadine Lefort-Piat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Servomécanismes

Microrobots

Résumé

The micromanipulation and the microassembly of microcomponents (1 micron metre to 1 mm) in order to produce microsystems are incredibly difficult. At this scale, components are almost not visible to the naked eye and there is a reversal of the importance of the forces: the surface forces (capillarity, Van der Waals, electrostatic. . . ) become predominate compared to volume forces (weight, inertia). It is thus necessary and essential to solve this problem to solve the problems to carry out innovative strategies appropriate to imaging system and vision techniques as well as to manipulation and control strategies. The microassembly involves micromanipulation tasks (positioning, pick, transfer, place. . . ) as weIl as more complex tasks (spatial orientation, insertion. . . ). Our work concerns the use of a vision system (optical microscope) in order to automate simple tasks of manipulating microcomponents and more complex tasks for MEMS assembly. Several control laws have been developed: 2D multi-scale image-based visual servoing for micromanipulation and pose-based visual servoing for 3D MEMS assembly. For both approaches developed, the accuracy and repeatability obtained in the process of handling and assembly are satisfactory. However, above all, the vision system must be calibrated for best performances. To do this, a multiple scale calibration method for calibrating photonic microscopes has been presented and detailed. From the study of the constraints related to the use of such imaging system, 3D vision techniques such as depth-from-focus and pose-from-focus has been developed and integrated to realize to the full-automation of a microassembly workcell.

La manipulation et le micro-assemblage de composants de taille micrométrique (1 micron mètre à 1mm) afin de réaliser des microsystèmes posent énormément de problèmes. À cette échelle les composants sont quasiment invisibles à l'oeil nu et on constate une inversion de l'importante des forces: les forces surfaciques (capillarité, Van der Waals, électrostatiques,. . . ) deviennent prépondérantes par rapport aux forces volumiques (poids, inertie). Il est ainsi nécessaire et indispensable de mettre en œuvre des stratégies novatrices appropriées tant du point de vue de l'imagerie et de la vision que de la manipulation et de la commande pour la fabrication des microsystèmes. Le micro-assemblage comporte des tâches de micromanipulation (positionnement, prise, transfert, dépose,. . . ) ainsi que tâches plus complexes (orientation dans l'espace, insertion,. . . ). Nos travaux répondent clairement à ces attentes c'est-à-dire utiliser un système de vision (un microscope optique) pour automatiser des tâches simples de manipulation de microcomposants et des tâches plus complexes d'assemblage de MEMS. Plusieurs lois de commande ont été développées telles qu'un asservissement visuel 2D multi-échelle pour la manipulation et un asservissement visuel 3D pour l'assemblage. Pour les deux approches développées, la précision et la répétabilité obtenues sur les processus de manipulation et d'assemblage sont satisfaisantes. Cependant, avant toute chose, le système de vision doit être calibré pour atteindre de meilleures performances. Dans cet objectif, une méthode de calibrage multi-échelle de microscopes photoniques a été présentée et détaillée. À partir de l'étude des contraintes liées à l'utilisation de ce genre d'imageur, des techniques de vision 3D telles le depth-from-focus et le pose-from-focus ont été pensées et intégrées pour aboutir à une station de micro-assemblage entièrement automatisée.