Planification de trajectoires pour la micro-manipulation dextre d'objets 3-D

Trajectory planning for dexterous micro-manipulation of 3-D objects

• Auteur / Autrice : Ivan Jordan Tchouatat Kepseu
• Direction : Michaël Gauthier, Redwan Dahmouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microtechniques
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Renaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Belharet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Youcef Mezouar, Jean-Pierre Gazeau
• DOI : 10.70675/a7a89509z40f1z4adcza939zac666b424005

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Micromanipulation

Mots clés libres

Planification des trajectoires

Manipulation dextre

Micro/nano-Robotiques

Robots parallèles

Robots déformables

Trajectory planning

Dexterous manipulation

Micro/nano-Robotics

Parallel robots

Soft robots

Résumé

Les microsystèmes sont actuellement omniprésents dans divers domaines tels que l'industrie, la recherche, la médecine et l'aérospatiale, suscitant un intérêt croissant. Ces systèmes offrent des performances proportionnelles inversement à leur taille, alimentant un marché en plein essor. Néanmoins, la réduction de la taille des systèmes exige la manipulation et l'assemblage d'objets de dimensions inférieures au millimètre dans des environnements confinés, nécessitant des qualités telles que la précision, la répétabilité, la flexibilité, la rapidité et l'autonomie. Ces opérations nécessitent une compréhension des phénomènes physiques à l'échelle microscopique. Par exemple, à cette échelle, le poids et la force d'inertie deviennent négligeables par rapport aux forces d'adhésion, telles que les forces électrostatiques, capillaires et de van der Waals, qui influencent grandement la manipulation des micro-objets. Pour prendre en compte ces particularités du monde microscopique, il est nécessaire de développer de nouvelles solutions basées sur de nouvelles hypothèses. Ainsi, l'objectif de ma thèse est de développer des algorithmes de planification de trajectoires pour les micro-doigts permettant de réaliser des rotations dans l'espace 3D des micro-objets, en prenant en compte les effets d'adhésion spécifiques à l'échelle microscopique. Notre approche est à la fois novatrice et complète, car elle permet de trouver la séquence optimale de prises pour effectuer des rotations autour de plusieurs axes dans l'espace, pour des micro-objets de formes complexes et arbitraires. Cette approche repose sur l'étude de la stabilité et de l'accessibilité des prises de l'objet à manipuler. De plus, pour garantir la robustesse des prises face à la variation et à l'incertitude des forces d'adhésion, nous considérons le scénario le plus défavorable en micromanipulation, supposant que les forces d'adhésion ne sont présentes que sur le doigt lorsqu'il est détaché de l'objet, une nouveauté en matière de micromanipulation. Cette méthode nous permet de générer automatiquement les trajectoires optimales des doigts d'une micro-main. Les trajectoires de manipulation obtenues nous permettent de mettre en évidence les effets des forces d'adhésion et de la taille des doigts utilisés. L'approche développée nous permet également de manipuler et d'orienter n'importe quelle forme d'objet dans l'espace, quelle que soit l'échelle considérée. Enfin, nous avons conçu et assemblé une plateforme robotique de micromanipulation dextre afin de valider expérimentalement notre méthodologie.

Microsystems are currently prevalent in various fields such as industry, research, medicine, and aerospace, generating increasing interest. These systems offer performance that is inversely proportional to their size, fueling a thriving market. However, reducing the size of systems requires the manipulation and assembly of sub-millimeter-sized objects in confined environments, necessitating qualities such as precision, repeatability, flexibility, speed, and autonomy. These operations require an understanding of physical phenomena at the microscopic scale. For instance, at this scale, weight and inertia become negligible compared to adhesion forces such as electrostatic, capillary, and van der Waals forces, which significantly influence the manipulation of micro-objects. To take into account these specificities of the micro-world, it is necessary to develop new solutions based on new assumptions. The aim of my thesis is to develop trajectory planning algorithms for micro-fingers to perform 3D space rotations of micro-objects, considering adhesion effects specific to the microscopic scale. Our approach is both innovative and comprehensive, as it enables finding the optimal sequence of grasping to perform rotations around multiple axes in space, for micro-objects of complex and arbitrary shapes. This approach is based on studying the stability and accessibility of the grasping of the object to be manipulated. Furthermore, to ensure the robustness of the grasping according to the variation and the uncertainty in adhesion forces, we consider the worst scenario in micromanipulation, assuming that adhesion forces are only present on the finger when detached from the object, an innovation in micromanipulation. This method allows us to automatically generate optimal finger trajectories of a micro-hand. The manipulation trajectories obtained allow us to highlight the effects of adhesion forces and the size of the fingers used. The developed approach also enables us to manipulate and orient any object shape in space, regardless of the scale considered. Finally, we have designed and assembled a dexterous micromanipulation robotic platform to experimentally validate our methodology.