Interfaces et capteurs pour une chaine de micro-téléopération

Sensors and devices for a micro-teleoperation system

• Auteur / Autrice : Antoine Weill-Duflos
• Direction : Vincent Hayward, Stéphane Régnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 06/07/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Betty Lemaire-Semail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdenbi Mohand Ousaid, Sinan D. Haliyo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Clévy, Gérard Poisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Télécommande

Capteurs de force

Mots clés libres

Capteur de force

Interface haptique

Téléopéation

Micro-Monde

Couplage bilatéral

Microscopie

Force sensor

Haptic device

Microscopy

Résumé

La téléopération ouvre des possibilité nouvelles d'interaction avec le micro-monde. Avec des systèmes adaptés il devient possible de manipuler des éléments aux échelles microscopiques. L'ajout d'un retour haptique apporte une information supplémentaire nécessaire à une interaction naturelle. Cette thèse aborde la problématique de la conception d'une chaîne de téléopération haptique par la conception de ses éléments clefs. La première partie décrit l'optimisation de l'interface haptique à un degré de liberté haute fidelité issue des précédents travaux du laboratoire. Un premier travail augmente la précision des efforts produits. Cette amélioration est liée à une optimisation de la mesure de la vitesse de l'interface à des fréquences d’échantillonnage élevées. Un second point traite de la validation et quantification précise des forces de l'interface. La deuxième partie décrit deux nouveaux capteurs de force conçu spécifiquement pour les interactions avec le micro-monde. Ces fonctionnent sur le même principe de mesure par compensation. Deux approches sont suivies pour augmenter les fréquences des forces mesurable par le capteur. La première s'attache à réduire la masse en concevant un nouveau capteur à l'échelle micrométrique avec des technologies MEMS. Une deuxième approche modifie la conception du capteur et supprime la raideur dans le guidage. La troisième partie décrit la conception d'une nouvelle interface haptique à plusieurs degrés de liberté. Les éléments clefs de sa conception sont l'utilisation d'un palier à air, pour un guidage sans frottement, et de moteurs linéaires à induction, pour une inertie réduite.

Teleoperation opens up new possibilities for interaction with the micro-world. Adequate systems make it possible for human to manipulate elements on microscopic scales. An added haptic feedback provides information crucial for a natural interaction. A bilateral coupling between the subsystems offers the best haptic transparency. This thesis addresses the design of a complete haptic teleoperation chain by focusing on its key elements. Three parts are detailed: The first part describes improvements of the high fidelity one degree of freedom haptic interface designed previously. First, the precision of the forces produced is improved. This improvement is related to the measurement of the motor velocity at high sampling frequencies. Then, the device is precisely caracterized. The second part describes the design of two new force sensors designed specifically for interactions with the micro-world. The forces are measured by compensation. Two approach are observed to expand the frequencies of forces measurable by the sensors. First approach try to reduce the mass, a new sensor on a micrometric scale is built with MEMS technologies. The second approach offer a new design of the sensor. In particular, the stiffness in the guidance is removed. The third part describes the design of a new haptic interface with multiple degrees of freedom. This interface combines the performances of the one degree of freedom interface with a 2D configuration. The key elements of its design are the an air bearing for frictionless guidance and linear induction motors for reduced inertia.