Modélisation, caractérisation et planification des trajectoires d’un dispositif planaire de micro-convoyage basé sur un réseau d’actionneurs électromagnétiques numériques

Modeling, characterization and trajectory planning of a planar micro-conveyance device based on a digital actuator array

• Auteur / Autrice : Simón Duque Tisnés
• Direction : Laurent Petit, Christine Prelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécatronique, Photonique et Systèmes : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval - Laboratoire de Mathématiques Appliquées de Compiègne / LMAC

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Surfaces (technologie)

Commande intelligente

Commande automatique

Systèmes de guidage

Véhicules autoguidés

Convoyeurs

Microtechniques

Mécatronique

Systèmes microélectromécaniques

Actionneurs

Mots clés libres

Micro-usines

Réseau d'actionneurs

Actionneurs numériques

Actionneurs électromagnétiques

Convoyage

Mouvement planaire

Surfaces intelligentes

Microelectromechanical systems (MEMS)

Micro-engineering

Microsystem technologies (MTS)

Actuator array

Conveyance system

Digital actuator

Collaborative actuation

Electromagnetic actuator

Planar motion

Smart surface

Microfactory

Résumé

La demande accrue de produits compacts, intelligents et multifonctionnels est satisfaite en miniaturisant ses composants, par exemple, les capteurs, les actionneurs et les processeurs. Par conséquent, les systèmes de fabrication doivent s'adapter, ce qui amène au sujet des micro-usines. Cette recherche porte sur un réseau modulaire d’actionneurs électromagnétiques numériques, basés sur le principe de la force de Lorentz, en tant que dispositif de micro-convoyage pour une micro-usine. Un modèle dynamique du réseau est développé pour effectuer le contrôle, en boucle ouverte, dans un contrôleur de trajectoire. Ce dernier utilise des algorithmes de recherche de cheminement A* et Theta* adaptés. Le contrôleur obtenu calcule le chemin optimal pour transporter l'objet sur le réseau entre les positions cibles, en minimisant la consommation d'énergie, le temps de déplacement et l’erreur de trajectoire, tout en évitant les collisions. Nombreux essais expérimentaux sur un prototype du réseau, mesurant 100x100 mm, sont effectués pour valider le modèle dynamique et évaluer les performances du réseau. Les tests utilisent deux caméras et un logiciel de traitement d'images pour mesurer le déplacement des masses (entre 0.2 à 9 g) à des vitesses allant jusqu'à 2 mm/s. Le modèle dynamique prédit le comportement du réseau avec une erreur moyenne quadratique et moyenne absolue faible. Les résultats montrent que le réseau est une alternative viable de micro-convoyage pour la micro-usine.

The increased demand for compact, intelligent and multi-functional products is met by miniaturizing components like sensors, actuators and processors. Therefore, the manufacturing systems must adapt, which draws attention to the subject of microfactories. This research investigates a modular array of digital electromagnetic actuators based on the Lorentz force principle as a microconveyor device for the microfactory. A dynamic model of the array is developed and used in a feed-forward, open-loop scheme inside a trajectory controller. The dynamic model is derived from analytical studies of the electromagnetic, magnetic, friction and contact mechanics forces present on the array. The trajectory controller uses adapted A* and Theta* (Θ*) pathfinding algorithms. The resulting controller computes the optimal path to transport the object on the array between the target positions, minimizing energy consumption, displacement time and trajectory error, whilst avoiding collisions. Experimental tests on a microfabricated array prototype with a 5 × 5 matrix of microactuators are held to validate the dynamic model and evaluate this array’s performance. The tests use two cameras and image processing software to measure the displacement of loads from 0.2 to 9 g at speeds up to 2 mm s−1. The dynamic model predicts the array’s behavior with low root-mean-square and mean-absolute errors. The results show that the array is a viable alternative to the microconveyors for the microfactory.