Microstockage électrique pour microrobotique à énergie embarquée

Micro electrical storage for on-board power supplied microrobots

• Auteur / Autrice : Aurélien Quelin
• Direction : Christine Prelle, Nicolas Damay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécatronique, Photonique et Systèmes & Génie Électrique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 12/10/2022
• 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

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Électromagnétisme

Actionneurs

Microtechniques

Systèmes autonomes en énergie

Économies d'énergie

Électricité -- Conservation

Robots -- Dynamique

Microrobots

Accumulateurs

Batteries lithium-ion

Stockage

Électricité

Mots clés libres

Stockage d'énergie électrique

Modelisation

Intégration dans un microsystème

Efficacité énergétique

Actionnement électromagnétique

Microrobot

Batterie

Electrical energy storage

Microrobots

Embedding in a microsystem

Energy efficiency

Electromagnetic actuation

Lithium ion batteries

Storage batteries

Modeling

Actuators

Résumé

Une analyse des méthodes de conception des microrobots autonomes en énergie menée durant cette thèse met en évidence le fait que ces méthodes peuvent ne pas être optimales, et que les performances de ces microrobots pourraient être améliorées grâce à un dimensionnement conjoint de leur source d’énergie et de leur système de déplacement. Ces travaux de thèse ont donc cherché à répondre à la problématique suivante : « Y a-t-il un avantage à utiliser des modèles fins pour la conception d’un microrobot, et en particulier pour le dimensionnement conjoint de sa batterie et de son système de déplacement ? ». Pour répondre à cette problématique, nous avons étudié un microrobot autonome en énergie dont il est possible de dimensionner la batterie, de chimie lithium-ion et de format pile bouton, et le système de déplacement, basé sur le principe inertiel impact-drive mis en œuvre autour d’un actionneur électromagnétique. L’étude du dimensionnement conjoint de ces deux composants a été réalisée à l’aide de leurs modèles fins couplés, qui ont préalablement été validés expérimentalement durant la thèse. Nous avons ainsi montré, en utilisant ces modèles couplés, que le dimensionnement optimal du système dans son ensemble ne correspondait pas à la somme des dimensionnements optimaux des composants individuels, mais à un compromis difficile voire impossible à déterminer sans ces modèles couplés, à cause des interactions croisées des effets des paramètres de conception. Le microrobot étudié durant cette thèse a ainsi permis de démontrer l’intérêt de la méthode utilisée, et celle-ci pourrait être utilisée sur d’autres microsystèmes, en fonction de leurs caractéristiques.

An analysis of the design methods of energy autonomous microrobots carried out during this thesis highlights the fact that these methods may not be optimal, and that the performance of these microrobots could be improved through a co-design of their energy source and their motion system. This thesis work therefore addressed the following question : « Is there an advantage to using fine models for the design of a microrobot, and in particular for co-design of its battery and its displacement system? ». To answer this question, we have studied an on-board power supplied microrobot for which it is possible to size the battery, of lithium-ion chemistry and coin cell format, and the displacement system, based on the impact-drive inertial principle implemented around an electromagnetic actuator. The study of the co-design of these two components has been carried out using their coupled fine models, which have been validated experimentally during the thesis. We have shown, using these coupled models, that the optimal sizing of the whole system does not correspond to the sum of the optimal sizings of the individual components, but to a compromise difficult or impossible to determine without these coupled models, because of the cross-interactions of the effects of the design parameters. The microrobot studied during thisthesis has thus demonstrated the interest of the method used, which could be used on other microsystems, depending on their characteristics.