Contributions à la modélisation et la commande de capteurs de forces actifs pour la méso et micro-robotique

Contributions to the modeling and control of active force sensors for meso and micro-robotics

• Auteur / Autrice : Jonathan Cailliez
• Direction : Stéphane Régnier, Mokrane Boudaoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et robotique
• Date : Soutenance le 19/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Yassine Haddab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Szewczyk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aude Bolopion, Micky Rakotondrabe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Lois d'échelle (physique)

Forces intermoléculaires

Modèles mathématiques

Capteurs de force

Mots clés libres

Micro-robotique

Contrôle

Mesure de force

Mesure active

Micro forces

Forces intermoléculaires

Micro-robotics

Control

Actice force measurement

Résumé

Cette thèse porte sur le développement d’une instrumentation originale et présentant des performances au-delà de l’état de l’art pour la caractérisation et la mesure de forces aux petites échelles. Les travaux présentés couvrent la mesure d’une large gamme de forces mises en jeu en méso et micro-robotique, allant des forces intermoléculaires de l’ordre de quelques µN à des forces de l’ordre du Newton. Le point central réside dans le développement et la mise en œuvre de capteurs basés sur une technologie active particulièrement adaptée pour la caractérisation de forces à gradient variable grâce à une raideur du capteur quasi-infinie en boucle fermée. Trois contributions principales ont été apportées. Sur le plan méthodologique, une nouvelle approche de commande hybride robuste basée sur un placement de structures propre a été proposée et validée expérimentalement dans le cadre de la caractérisation robuste de force d’interaction intermoléculaires en utilisant un microscope à force atomique (AFM). Cette caractérisation a permis de définir les bases du cahier des charges pour la conception et la commande de capteurs actifs mieux a même de caractériser finement les zones instables dans lesquelles les gradients de force sont importants. La seconde contribution réside dans le développement, la conception, la commande et la mise en œuvre d’un capteur actif original de type MEMS (Microsystème électromécanique) ayant la particularité de posséder une caractéristique électromécanique linéaire sur l’ensemble de sa plage de mesure, i.e. +- 20 µN, avec une bande passante supérieure à 2kHz. La troisième contribution réside dans la proposition d’une nouvelle architecture pour la mesure active de forces sur des plages allant du mN au N basée sur un actionnement magnétique et un palier d'air. Ce capteur a été mis œuvre pour la mesure de force magnétique présentant des zones instables lorsque la distance entre la pointe du capteur et l’échantillon magnétique est inférieur à un certain seuil. Les perspectives de cette thèse sont nombreuses en science des matériaux, en biologique et plus généralement en physique. Elle ouvre une nouvelle voie dans la recherche scientifique en microscopie à force atomique active.

This thesis focuses on the development of an original instrumentation, with performances beyond the state of the art, for the characterization and the measurement of forces at the small scales. The work covers the measurement of a wide range of forces involved in meso and micro-robotics, from intermolecular forces of the order of a few µN to forces at the Newton level. The focus lies in the development and implementation of sensors based on an active technology particularly adapted for the characterization of forces with a variable gradient thanks to a quasi-infinite sensor stiffness in closed loop. Three main contributions have been made. On the methodological aspect, a new robust hybrid control approach based on Eigen structure assignment has been proposed and experimentally validated for the robust characterization of intermolecular interaction forces using an Atomic Force Microscope (AFM). This characterization has allowed defining the basis of the specifications for the design and the control of active sensors better suited to finely characterize unstable areas in which the force gradients are important. The second contribution lies in the development, design, control and implementation of an original MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) type active sensor with the particularity of having a linear electromechanical characteristic over its entire measurement range, i.e. +- 20 µN, with a bandwidth greater than 2kHz. The third contribution lies in the proposition of a new architecture for the active measurement of forces over ranges from mN to N based on a magnetic actuation and an air bearing. This sensor has been implemented for the measurement of magnetic forces with unstable areas when the distance between the sensor tip and the magnetic sample is below a certain threshold. The perspectives to this thesis are numerous in materials science, biology and more generally in physics. It particularly opens a new path in scientific research related to active AFM.