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Événement - date Journées du GDR Robotique - 23-24 Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets.

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1 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets Michaël Gauthier Chargé de recherche CNRS FEMTO-ST Département AS2M

2 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Contexte : micromanipulation et micro-assemblage Préhension par glace immergée Lâcher actif par diélectrophorèse Préhension par doigts de serrage et adhésion Conclusion et perspectives Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets

3 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle 1 mm Définition de la micromanipulation Etude de la manipulation des objets dune taille caractéristique entre 1µm et 1mm. Domaines dimensionnels de la micromanipulation 100 µm 10 µm 1 µm 10µm100µm1mm Microscopie optiqueMicroscopie électronique Microfabrication Fabrication mécanique Prédominance des effets de surface 200 µm ovocyte bactérie 2-6 µm pollen µm lymphocyte 6-15 µm prothèse auditive 1 mm engrenage 800 µm bobine 130 µm Définition de la micromanipulation Etude de la manipulation des objets dune taille caractéristique entre 1µm et 1mm. Pas dobjets industriels en dessous de 100 micromètres

4 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Manipulation de cellules uniques Micro-assemblage Domaines applicatifs de la micromanipulation Applications Microsystèmes MEMS Fabrication en 2D1/2 Difficultés dhybridation Micro-assemblage Obtenus par assemblage (microconnecteurs, microroulement, etc.) Micromécanismes Enjeux de létude du micro-assemblage Miniaturisation et automatisation Réduction de la taille des produits Fiabilisation des procédés Microsystèmes MEMS Hybride 3D Augmentation des fonctionnalités Diminution de lencombrement

5 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Comportement des objets Problématiques scientifiques et effet déchelle Méthodes de vision Méthodes de préhension Moyens de mesure de force Automatique et commande robotique Méthodes dactionnement Forces surfaciques Inertie négligeable Faible profondeur de champ Influence de léclairage Rapport signal/bruit Mécanismes compliants Matériaux actifs Systèmes non linéaires Grande dynamique Précision importante Technique de fabrication Mesure de force Impact de leffet déchelle sur lensemble des fonctions Microscopie électronique

6 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle micro-actionnement modélisation du micromonde préhension perception - vision automatique perception - force 2004 Frontière des connaissance et des méthodes 1µm10µm100µm1mm Avancée majeure en préhension sur ces quatre dernières années 2008 Taille des objets considérés Augmentation des fonctionnalités

7 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Démarche détude des méthodes de micropréhension Conception Preuve de concept Particularités de la démarche scientifique –Recours nécessairement important à lexpérimentation –Phase de modélisation complexe Nouvelle méthode de micropréhension Analyse Expérimentations Automatique, Robotique Lois de commande pour le micromonde Prototype Modélisation Etude de lois de commande Prototype fonctionnel Physique Modèle du comportement des micro-objets

8 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Contexte : micromanipulation et micro-assemblage Préhension par glace immergée Lâcher actif par diélectrophorèse Préhension par doigts de serrage et adhésion Conclusion et perspectives Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets

9 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Micropréhension par glace immergée Saisie : génération du microvolume de glaceDépose : fonte du microvolume de glace eau effecteur objet relâché pas de glace glace objet objet saisi Repositionnement Analyse initiale Micropréhension par glace immergée Préhension par glace + Force de préhension importante + Large variété dobjets manipulables - Forces capillaires au lâcher Micromanipulation en milieu liquide + Réduction des forces dadhésion + Augmentation des effets visqueux - Difficultés de perception 1 2 3

10 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Modélisation des échanges thermiques eau MicroPelt MiniPeltier radiateur système de refroidissement par convection forcée air -10 °C 25 °C Modèle thermique par analogie électrique –Analogie électrique –Facilité dutilisation T1T1 T2T2 h T ext Q1Q1 Q2Q2 Modèles modulaires pour les micro-actionneurs thermiques Modèle thermique du préhenseur à glace Modélisation du fonctionnement du préhenseur

11 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Démonstrateur de préhension par glace immergée 1 mm Méthode originale de micropréhension en milieu acqueux

12 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Contexte : micromanipulation et micro-assemblage Préhension par glace immergée Lâcher actif par diélectrophorèse Préhension par doigts de serrage et adhésion Conclusion et perspectives Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets

13 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Micropréhension et diélectrophorèse Analyse initiale Micropréhension et diélectrophorèse Manipulation par pince + Force de blocage importante + Flexibilité - Difficultés au lâcher Force de diélectrophorèse Micromanipulation sans contact + Effet déchelle favorable + Effet répulsif - Force de blocage faible F drag F DEP tension alternative Contrôler le lâcher grâce à la force de diélectrophorèse Contrôler la trajectoire après le lâcher. grâce à la force de diélectrophorèse F PO F DEP pince avec électrodes micro-objet tension alternative Force répulsive

14 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Modélisation des micromanipulations sans contact Verrous scientifiques –Passage dune modélisation statique de la force à la simulation de trajectoire –Contrôle de la trajectoire dun objet possédant de très grande dynamique Simulation hybride du comportement géométrie N tensions position de lobjet Base de donnée EF Théorème de superposition Equation de la dynamique N simulations Simulateur générique de trajectoire dobjets sous diélectrophorèse Perspectives : étude de la commande –Commande prédictive, Filtrage de Kalman

15 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Méthode originale de lâcher de micro-objets Manipulation sans contactLâcher actif dobjets Démonstrateur de manipulation par diélectrophorèse

16 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Contexte : micromanipulation et micro-assemblage Préhension par glace immergée Lâcher actif par diélectrophorèse Préhension par doigts de serrage et adhésion Conclusion et perspectives Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets

17 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Micropréhension par pince à doigts de serrage Analyse initiale Principe : exploiter ladhésion pour maîtriser le lâcher Manipulation par pince + Force de blocage importante + Flexibilité - Difficultés au lâcher Manipulation par adhésion + Utilisation des effets prédominants - Fortement bruité - Force de blocage faible objet substrat SaisieLâcher serrage F objetsubstrat A préhenseur-objet A objetsubstrat A Augmentation de ladhésion entre le substrat et lobjet Diminution de ladhésion entre le préhenseur et lobjet

18 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Mise en œuvre –Profil de rugosité important sur leffecteur –Utilisation dun substrat polymère souple Micropréhension par pince à doigts de serrage 50µm Caractérisation –Mesures expérimentales comparatives de force de pull-off Méthode de micropréhension à haute fiabilité Commande géométrique de robots de micromanipulation –précision submicronique exigée, difficultés didentification des défauts O y x Ro O2O2 M Prise en compte de ces défauts : augmentation de performances x6 Méthode de calibration robotique pour la micromanipulation

19 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Cycle de prise-dépose strategiesobjetsnombre de testréferencefiabilité pousséeBille PS 50µm100[Gauthier et al, 2005]51-67% doigts de serrageBille PS 50µm60[Dafflon et al, 2006]74-95% doigts de serrageObjets silicium 40µm60[Gauthier et al, 2008]99%

20 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Micro-assemblage téléopéré temps x5temps x3 Méthode de microassemblage robotique de micro-objets

21 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle 100µm Contexte général du micro-assemblage Rupture culturelle dans les moyens de réalisation des MEMS Création de méthodes en amont de la demande industrielle Conclusion Franchissement des 100 micromètres Objets influencés par les effets de surface Prise en compte des spécificités du micromonde Fiabilisation des procédés Création de connaissances Compréhension du comportement des micro-objets Méthodes originales de préhension Automatique et robotique pour la micromanipulation

22 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Micromanipulation automatique Franchissement des 10µm microactionnement modélisation du micromonde préhension perception - vision automatique perception - force Perspectives 1µm10µm100µm1mm Taille des objets considérés Augmentation des fonctionnalités

23 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Nouveau paradigme –Niveaux requis de répétabilité et de précision très important –Système de vision électronique (SEM) –Limite des moyens de réalisation classique de microfabrication –Influence accrue de la physicochimie des surfaces Franchissement des 10 micromètres Verrous scientifiques –Simulation et mesure dinteraction entre objets complexes Passage de la physique aux outils de lingénieur –Méthodes de préhension fiable Approche pluridisciplinaire en lien avec les nanotechnologies Lien avec lauto-assemblage (milieu liquide) –Méthodes de vision pour imageurs électroniques Images fortement bruitées, compromis temps de réponse / bruit –Micro-actionnement Commande de systèmes compliants, adaptronique.

24 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Méthodes dautomatique –Robotique de très haute précision –Commande de systèmes à grandes dynamiques –Commande hybride force-position –Téléopération avec retour haptique Micromanipulation automatique Méthodes de traitement visuel pour le micromonde –Faible profondeur de champ, forte dépendance à léclairage –Nécessité de localisation tridimensionnelle Moyens de mesure de force –Conception et réalisation de microcapteurs –Traitement de linformation bruitée Fonctions périrobotiques –Systèmes dalimentation et de stockage –Méthodologie de conception des micro-usines

25 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets Michaël Gauthier Chargé de recherche CNRS Département AS2M FEMTO-ST

26 Événement - date Journées du GDR Robotique Octobre 2008 Michaël GAUTHIER – GT Manipulation multi-échelle Compréhension du comportement des micro-objets –Modélisation et simulation des forces dadhésion et de surface –Etude de principe de mesure de ces forces Problématiques scientifiques liées à la micromanipulation Méthodes de vision microscopique –Etude de moyens de vision tridimensionnelle adaptés aux faibles profondeurs de champ –Etude de moyens de vision sous microscope électronique Méthodes de préhension –Modélisation et commande de principes fiables adaptés aux micro-objets Moyens de mesure de force de préhension –Conception et réalisation de nouveaux principes de mesure –Traitement de signaux fortement bruités Automatique et robotique –Commande des micro-objets possédant une très grande dynamique –Commande des micro-actionneurs dont le comportement est non linéaire –Commande géométrique et calibration robotique des robots de micromanipulation


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