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Livre

La microrobotique : applications à la micromanipulation

Résumé

Présentation du secteur de la robotique qui concerne la manipulation des objets de dimension micrométriques. Détail du comportement des objets aux échelles micrométriques et les solutions robotique adaptées, en termes d'actionneurs, de préhenseurs, de manipulateurs, de perception de l'environnement et de microtechnologie.


  • Contributeur(s)
  • Éditeur(s)
  • Date
    • impr. 2008
  • Notes
    • Bibliogr. p. 491-521. Index
  • Langues
    • Français
  • Description matérielle
    • 1 vol. (521 p.) : ill. ; 24 cm
  • Collections
  • Sujet(s)
  • ISBN
    • 978-2-7462-1885-7
  • Indice
    • 62.1 Ingénierie, automatique appliquée
  • Quatrième de couverture
    • La microrobotique est un domaine récent et en plein essor dont les applications sont nombreuses et variées : industrie, médical, instrumentation de laboratoire, etc. Cet ouvrage présente pour la première fois en détail et en français ce secteur de la robotique qui concerne la manipulation des objets de dimensions micrométriques.

      A ces dimensions, le comportement des objets est sensiblement différent de celui, mieux connu, des échelles supérieures. Cet effet d'échelle conduit à mettre en oeuvre des solutions parfois radicalement différentes de celles plus habituellement utilisées. Ce livre détaille le comportement des objets aux échelles micrométriques et les solutions robotique adaptées, en termes d'actionneurs, préhenseurs, manipulateurs, perception de l'environnement et de microtechnologie.

      Cet ouvrage, assorti d'exercices applicatifs corrigés, permettra aux ingénieurs, étudiants et chercheurs de se familiariser avec ce domaine récent et de contribuer à son développement par leurs actions scientifiques.


  • Tables des matières
      • La microrobotique

      • Applications à la micromanipulation

      • Lavoisier

      • Préface 17
      • Etienne Dombre
      • Introduction 21
      • Nicolas Chaillet et Stéphane Régnier
      • Chapitre 1. La physique du micromonde 25
      • Michaël Gauthier, Pierre Lambert et Stéphane Régnier
      • 1.1. Introduction25
      • 1.1.1. Effet d'échelle25
      • 1.1.2. Illustration de l'effet d'échelle26
      • 1.1.3. Les micromondes27
      • 1.2. Spécificités du micromonde29
      • 1.2.1. Perception30
      • 1.2.1.1. Mesure des positions30
      • 1.2.1.2. Mesure des forces30
      • 1.2.2. Conception des micro-actionneurs et technologie de réalisation31
      • 1.2.3. Comportement des micro-objets32
      • 1.2.4. Contrôle de l'environnement32
      • 1.2.5. Répétabilité et dextérité des microrobots32
      • 1.2.6. Synthèse33
      • 1.3. Les forces de surface33
      • 1.3.1. Les forces de van der Waals34
      • 1.3.1.1. Origines34
      • 1.3.1.2. Potentiel intermoléculaire de van der Waals36
      • 1.3.1.3. Intégration du potentiel intermoléculaire37
      • 1.3.1.4. Constante de Hamaker38
      • 1.3.1.5. Théorie de Lifshitz39
      • 1.3.1.6. Relations de combinaison40
      • 1.3.1.7. Effets retardés des forces de van der Waals41
      • 1.3.1.8. Modèle simplifié de Derjaguin42
      • 1.3.1.9. Approche numérique44
      • 1.3.2. Effets de la tension de surface : forces de capillarité47
      • 1.3.3. Les forces électrostatiques60
      • 1.3.3.1. Modèles plan-plan et plan-sphère61
      • 1.3.3.2. Le modèle conique63
      • 1.3.3.3. Le modèle asymptotique63
      • 1.3.3.4. Modèle conique incliné64
      • 1.3.3.5. Le modèle hyperboloïde65
      • 1.4. Les forces de contact66
      • 1.4.1. Rappel sur la thermodynamique des surfaces66
      • 1.4.2. Les différents modèles67
      • 1.4.2.1. Le modèle de Hertz67
      • 1.4.2.2. Le modèle JKR69
      • 1.4.2.3. Le modèle DMT70
      • 1.4.2.4. Le modèle Dugdale70
      • 1.4.3. Transition entre l'énergie de surface et la constante de Hamaker71
      • 1.5. Analyse expérimentale des forces pour la micro-manipulation73
      • 1.5.1. Le microscope à force atomique73
      • 1.5.1.1. Description d'un microscope à force atomique73
      • 1.5.1.2. La méthode de mesure75
      • 1.5.1.3. Les forces de pull-off et les forces de van der Waals77
      • 1.5.1.4. Les forces électrostatiques78
      • 1.5.2. Mesure des forces capillaires80
      • 1.5.2.1. Description du système de mesure de forces80
      • 1.5.2.2. Analyse de mesure d'une caractéristique force-distance82
      • 1.6. Les forces en milieu liquide84
      • 1.6.1. Impact du milieu liquide sur les forces85
      • 1.6.1.1. Impact du milieu liquide sur les forces capillaires85
      • 1.6.1.2. Impact du liquide sur la force électrostatique85
      • 1.6.1.3. Impact du liquide sur la force de pull-off86
      • 1.6.1.4. Impact du liquide sur les forces de van der Waals87
      • 1.6.1.5. Quelques mesures dans l'eau87
      • 1.6.2. Modèles de la double couche électrique88
      • 1.6.2.1. Chargement des surfaces en milieu liquide88
      • 1.6.2.2. Modèles qualitatifs de la double couche électrique89
      • 1.6.2.3. Modèle de Stern90
      • 1.6.2.4. Potentiel zêta91
      • 1.6.2.5. Equation de Poisson-Boltzmann91
      • 1.6.3. Interactions sphère/sphère et sphère/plan92
      • 1.6.3.1. Méthode LSA92
      • 1.6.3.2. Méthode Derjaguin93
      • 1.6.3.3. Formules améliorées95
      • 1.6.3.4. Théorie DLVO96
      • 1.6.3.5. Le modèle XDLVO98
      • 1.6.4. Impact des effets hydrodynamiques100
      • 1.6.4.1. Domaine fluidique à considérer en microrobotique100
      • 1.6.4.2. Lois d'écoulement101
      • 1.6.4.3. Efforts appliqués102
      • 1.6.4.4. Impact sur le comportement des micro-objets103
      • 1.7. Friction et rugosité104
      • 1.7.1. Description simplifiée de la friction microscopique104
      • 1.7.1.1. Lois d'Admonton104
      • 1.7.1.2. Modèle de Tabor et Bowden104
      • 1.7.1.3. Approche mono-aspérité106
      • 1.7.1.4. Approche microscopique106
      • 1.7.2. La rugosité106
      • 1.7.2.1. Etats de surface : problème multi-échelle107
      • 1.7.2.2. Mesure des états de surface107
      • 1.7.2.3. Modélisations de la rugosité108
      • 1.7.2.4. Modèles de rugosité et procédés de fabrication111
      • 1.8. Quelques paramètres et indicateurs pertinents111
      • 1.8.1. Quelques paramètres pertinents111
      • 1.8.2. Bibliothèque de constantes112
      • 1.8.2.1. Constantes de Hamaker112
      • 1.8.2.2. Energie de surface112
      • 1.8.2.3. Angle de contact et tension de surface112
      • 1.9. Exercices112
      • 1.9.1. Impact des effets visqueux112
      • 1.9.2. Illustration de l'impact des forces capillaires114
      • 1.9.3. Estimation de la force de van der Waals116
      • 1.9.4. Analyse de courbe de force expérimentale116
      • 1.9.5. Calcul numérique de la force de capillarité117
      • 1.9.6. Calcul de la force de capillarité en dérivant l'énergie interfaciale118
      • 1.9.6.1. Préliminaires118
      • 1.9.6.2. Force entre une sphère et un plan119
      • 1.9.7. Calcul numérique de la force de capillarité120
      • 1.9.8. Choix d'une poutre pour la mesure de force121
      • 1.10. Liste des symboles123
      • Chapitre 2. Actionneurs pour la microrobotique 127
      • Nicolas Chaillet, Moustapha Hafez et Pierre Lambert
      • 2.1. Introduction127
      • 2.2. Principes de mouvements et de guidage129
      • 2.2.1. Génération de mouvements129
      • 2.2.2. Du guidage glissant au guidage compliant130
      • 2.3. Classification des actionneurs138
      • 2.4. Actionneurs piézoélectriques143
      • 2.4.1. Introduction à la piézoélectricité143
      • 2.4.2. Principaux matériaux piézoélectriques144
      • 2.4.3. Ferroélectricité des céramiques piézoélectriques145
      • 2.4.4. Propriétés des céramiques piézoélectriques146
      • 2.4.4.1. Déformations mécaniques146
      • 2.4.4.2. Déplacement électrique147
      • 2.4.4.3. Généralisation des équations dans un espace 3D148
      • 2.4.5. Les actionneurs piézoélectriques multicouches «stack»151
      • 2.4.6. Les actionneurs bimorphes «bender»153
      • 2.4.7. Les actionneurs «Stick-Slip»156
      • 2.5. Actionneurs électrostatiques157
      • 2.5.1. Principe158
      • 2.5.2. Actionneur électrostatique élémentaire160
      • 2.5.2.1. Actionnement vertical à plaques parallèles160
      • 2.5.2.2. Actionnement latéral à plaques parallèles163
      • 2.5.2.3. Effet d'échelle165
      • 2.5.3. Peignes interdigités167
      • 2.5.4. SDA, Scratch Drive Actuator168
      • 2.5.5. Conclusion170
      • 2.6. Actionneurs thermiques171
      • 2.6.1. Effet d'échelle171
      • 2.6.2. Actionneurs exploitant la dilatation thermique173
      • 2.6.2.1. Bilame thermique174
      • 2.6.2.2. Micro-actionneur à gradient thermique178
      • 2.6.3. Alliages à mémoire de forme181
      • 2.6.3.1. Préambule181
      • 2.6.3.2. Principe181
      • 2.6.3.3. Effet mémoire simple sens185
      • 2.6.3.4. Effet mémoire double sens185
      • 2.6.3.5. Applications en micromanipulation186
      • 2.6.3.6. Autres matériaux187
      • 2.7. Polymères électro-actifs189
      • 2.7.1. Les polymères ioniques190
      • 2.7.1.1. Les polymères IPMC (Ionic Polymer Metal Composites)190
      • 2.7.1.2. Les polymères conducteurs190
      • 2.7.2. Polymères électriques192
      • 2.7.2.1. Elastomères diélectriques192
      • 2.7.2.2. Polymères piézoélectriques194
      • 2.8. Fluides magnéto/électro-rhéologiques195
      • 2.8.1. Principe de fonctionnement196
      • 2.8.2. Exemple d'application des fluides198
      • 2.9. Synthèse200
      • 2.10. Fournisseurs de matériaux actifs202
      • 2.10.1. Fournisseurs de matériaux piézoélectriques202
      • 2.10.2. Fournisseurs d'Alliages à mémoire de forme202
      • 2.10.3. Fournisseurs de polymères électroactifs204
      • 2.10.4. Fournisseur de fluides magnétorhéologiques204
      • 2.10.5. Fournisseur actionneurs magnétostrictifs204
      • 2.11. Exercices204
      • 2.11.1. Dimensionnement d'une table à 4 cols204
      • 2.11.2. Etude de cas d'un actionneur multicouche204
      • 2.11.3. Etude de cas d'un actionneur bimorphe205
      • 2.11.4. Mouvement d'un diélectrique206
      • 2.11.5. Actionneur «x y»207
      • 2.11.6. Calcul d'un actionneur bilame thermique207
      • 2.11.7. Calcul d'un actionneur simple en AMF209
      • Chapitre 3. Micropréhension et stratégies de micromanipulation 211
      • Michaël Gauthier, Pierre Lambert et Stéphane Régnier
      • 3.1. Introduction211
      • 3.2. Micromanipulation et positionnement sans contact212
      • 3.2.1. Par pinces optiques212
      • 3.2.2. Par forces électrostatiques215
      • 3.2.2.1. Expression de la force de diélectrophorèse217
      • 3.2.2.2. Couple de diélectrophorèse217
      • 3.2.2.3. Application de la diélectrophorèse218
      • 3.2.2.4. Positionnement de particules par diélectrophorèse220
      • 3.2.2.5. Utilisation de champ électrique continu221
      • 3.2.3. Par forces magnétiques222
      • 3.2.4. Lévitation acoustique224
      • 3.3. Micromanipulation et positionnement avec contacts230
      • 3.3.1. Par pinces à doigts de serrage230
      • 3.3.1.1. Les micropinces actionnées monolithiques231
      • 3.3.1.2. Micropinces actionnées multicomposants232
      • 3.3.1.3. Pince à doigts de serrage passif234
      • 3.3.2. Par changement de phase236
      • 3.3.3. Préhension par dépression239
      • 3.3.4. Manipulation par adhésion240
      • 3.3.4.1. Description d'une tâche de manipulation240
      • 3.3.4.2. Etude des phases de saisie et de dépose241
      • 3.3.4.3. Expériences de saisie et dépose statiques en milieu sec244
      • 3.3.5. Tension de surface245
      • 3.4. Stratégies de lâcher253
      • 3.4.1. La dépose dynamique253
      • 3.4.1.1. Saisie en vrac et dépose sélective256
      • 3.4.2. Lâcher de micro-objets par diélectrophorèse258
      • 3.4.3. Le roulement259
      • 3.4.3.1. Dépose expérimentale par roulement261
      • 3.4.3.2. Dépose précise par roulement263
      • 3.5. Synthèse264
      • 3.6. Conclusion268
      • 3.7. Exercices268
      • 3.7.1. Lévitation acoustique268
      • 3.7.2. Etude numérique de la dépose inertielle268
      • 3.7.3. Etude numérique du roulement270
      • 3.7.4. Etablissement du domaine de validité fréquentielle272
      • 3.7.5. Etablissement du diagramme de Bode273
      • 3.7.6. Calcul de la force de diélectrophorèse274
      • 3.7.7. Comportement d'un objet sous laser trapping275
      • 3.7.8. Manipulation synchronisée276
      • Chapitre 4. Architecture d'une station de micromanipulation 279
      • Joël Agnus, Mehdi Boukallel, Cédric Clévy, Sounkalo Dembélé et Stéphane Régnier
      • 4.1. Introduction279
      • 4.2. Cinématiques280
      • 4.2.1. Problématique280
      • 4.2.2. Evolution et historique282
      • 4.2.3. Architectures possibles283
      • 4.2.3.1. Robots à postes mobiles283
      • 4.2.3.2. Robots à postes fixes286
      • 4.2.4. Solutions constructives290
      • 4.2.4.1. Systèmes commercialisés290
      • 4.2.4.2. Etude et développement de systèmes nouveaux291
      • 4.2.4.3. Exemples d'intégration293
      • 4.2.4.4. Un exemple : le système []MAD294
      • 4.3. Perception par vision298
      • 4.3.1. Importance de l'image298
      • 4.3.2. Imagerie299
      • 4.3.3. Propriétés301
      • 4.3.4. Modélisation et calibrage307
      • 4.3.5. Augmentation du champ de vision308
      • 4.3.5.1. Solutions matérielles309
      • 4.3.5.2. Solutions logicielles309
      • 4.3.6. Augmentation de la profondeur de champ314
      • 4.3.7. Métrologie à haute résolution316
      • 4.3.8. Commande référencée capteur de vision317
      • 4.3.8.1. Un exemple simple : l'asservissement visuel 2D319
      • 4.4. Perception des efforts322
      • 4.4.1. Architecture des systèmes de perception des efforts324
      • 4.4.1.1. Les méthodes de mesure indirecte324
      • 4.4.1.2. Les méthodes de mesure directe325
      • 4.4.2. Au moyen de capteurs intégrés au micropréhenseur325
      • 4.4.2.1. Exemples de capteurs à jauges de déformation résistives325
      • 4.4.2.2. Exemples de capteurs d'effort à variation de capacité330
      • 4.5. Introduction à la commande linéaire multivariable332
      • 4.5.1. Systèmes asservis en microrobotique332
      • 4.5.2. Système multivariable334
      • 4.5.2.1. Représentation par un système d'équations différentielles334
      • 4.5.2.2. Représentation par matrice de transfert335
      • 4.5.2.3. Représentation par un modèle d'état335
      • 4.5.3. Notions de commandabilité et d'observabilité336
      • 4.5.4. Commandabilité336
      • 4.5.5. Observabilité336
      • 4.5.6. Techniques de commande pour les systèmes multivariables337
      • 4.5.6.1. Commande par découplage337
      • 4.5.6.2. Commande optimale linéaire quadratique339
      • 4.6. Application à l'automatisation et la téléopération340
      • 4.6.1. La commande référencée effort à un degré de liberté340
      • 4.6.2. La télé micro-manipulation à un degré de liberté343
      • 4.6.2.1. Organe maître : interface haptique Brigit343
      • 4.6.2.2. Organe esclave : micro-manipulateur []MAD345
      • 4.6.2.3. Etude de différents couplages345
      • 4.6.2.4. Le couplage homothétique346
      • 4.6.2.5. Le couplage passif347
      • 4.6.2.6. Performances comparées des deux couplages348
      • 4.6.2.7. Interface haptique industrielle354
      • 4.6.2.8. Commande du nano-translateur356
      • 4.6.2.9. Résultats expérimentaux357
      • 4.7. Contrôle de l'environnement358
      • 4.7.1. Paramètres environnementaux influents358
      • 4.7.1.1. La température358
      • 4.7.1.2. Le degré d'hygrométrie360
      • 4.7.1.3. Vibrations mécaniques361
      • 4.7.1.4. Particules en suspension361
      • 4.7.1.5. Autres paramètres influents361
      • 4.7.2. Conséquences des variations des paramètres361
      • 4.7.3. Solution pour pallier les effets des variations363
      • 4.8. Applications365
      • 4.8.1. Composants artificiels365
      • 4.8.1.1. Applications industrielles365
      • 4.8.1.2. Instrumentation et recherche367
      • 4.8.2. Manipulation à des fins d'applications biologiques372
      • 4.8.2.1. Tri de cellules et manipulation de cellules uniques373
      • 4.9. Conclusion374
      • 4.10. Exercices375
      • 4.10.1. Exercice 1375
      • 4.10.2. Exercice 2375
      • 4.10.3. Exercice 3375
      • Chapitre 5. Microtechnologies et micromanipulation 377
      • Lionel Buchaillot
      • 5.1. Procédés d'usinage de surface sur silicium377
      • 5.1.1. Introduction377
      • 5.1.2. Usinage de volume du silicium378
      • 5.1.3. Historique du micro-usinage de surface381
      • 5.1.4. Principe382
      • 5.1.5. Avantages et inconvénients384
      • 5.1.6. Organisation du chapitre384
      • 5.2. Premiers démonstrateurs385
      • 5.2.1. Micromécanismes mobiles385
      • 5.3. Procédés standard et exemples de réalisation388
      • 5.3.1. Le procédé SUMMiTTM389
      • 5.3.2. Le procédé MUMPs®390
      • 5.4. Procédés d'usinage de surface alternatifs394
      • 5.4.1. Le procédé HexSil396
      • 5.4.2. Le procédé SCREAM396
      • 5.5. Co-intégration avec l'électronique398
      • 5.5.1. Filière intégrée400
      • 5.5.2. Réalisation séquentielle400
      • 5.5.2.1. Microstructures401
      • 5.5.3. Microstructures en post-fabrication de circuits CMOS402
      • 5.6. Fiabilité du micro-usinage de surface403
      • 5.6.1. La stiction403
      • 5.6.1.1. Adhésion par les forces de contact solide-solide405
      • 5.6.1.2. Prévention de la stiction406
      • 5.6.2. Fatigue du silicium polycristallin408
      • 5.6.2.1. Méthodologie et mise en oeuvre des essais409
      • 5.6.2.2. Mécanisme d'endommagement et fatigue409
      • 5.7. Conclusion410
      • Chapitre 6. Perspectives 413
      • Philippe Lutz et Stéphane Régnier
      • 6.1. La micro-usine413
      • 6.1.1. Les principales caractéristiques des micro-usines414
      • 6.1.2. Les fonctions principales d'une micro-usine416
      • 6.1.2.1. La fonction de micromanipulation416
      • 6.1.2.2. La fonction de transport417
      • 6.1.2.3. La fonction de perception419
      • 6.1.2.4. La fonction d'attachement420
      • 6.1.3. Les principales réalisations à travers le monde420
      • 6.1.3.1. Micro-usines multistation423
      • 6.1.3.2. Micro-usines monoposte426
      • 6.1.3.3. Conclusion433
      • 6.1.4. Proposition d'architecture de micro-usine434
      • 6.1.4.1. Cellules de micromanipulation modulaire437
      • 6.2. La nanomanipulation439
      • 6.2.1. Différentes techniques de microscopie441
      • 6.2.1.1. Microscope électronique en transmission441
      • 6.2.1.2. Microscope électronique à balayage442
      • 6.2.1.3. Comparaison avec le microscope optique442
      • 6.2.1.4. Microscopes à sonde locale444
      • 6.2.2. Comparaison des techniques utilisées en imagerie445
      • 6.2.3. Méthodes de manipulation446
      • 6.2.3.1. Electrophorèse446
      • 6.2.3.2. Piège optique447
      • 6.2.3.3. Manipulation par sonde locale449
      • 6.2.3.4. Comparatif des méthodes449
      • 6.2.3.5. Couplage d'un AFM dans un MEB451
      • 6.2.3.6. La télé-nanomanipulation453
      • 6.2.4. Le nanomanipulateur454
      • 6.2.5. Le télénanoprojet455
      • 6.2.6. Zyvex, Texas457
      • 6.2.7. Conclusion457
      • Chapitre 7. Réponses aux exercices 459
      • Tous les auteurs
      • 7.1. Chapitre 1459
      • 7.1.1. Impact des effets visqueux459
      • 7.1.2. Illustration de l'impact des forces capillaires461
      • 7.1.3. Estimation de la force de van der Waals461
      • 7.1.4. Analyse de la courbe de force expérimentale462
      • 7.1.5. Calcul de la force de capillarité463
      • 7.1.6. Calcul numérique de la force de capillarité464
      • 7.1.7. Choix d'une poutre466
      • 7.2. Chapitre 2466
      • 7.2.1. Dimensionnement d'une table à 4 cols466
      • 7.2.2. Etude de cas d'un actionneur multicouche468
      • 7.2.3. Etude de cas d'un actionneur bimorphe469
      • 7.2.4. Mouvement d'un diélectrique470
      • 7.2.5. Actionneur «x y»470
      • 7.2.6. Calcul d'un actionneur bilame thermique471
      • 7.2.7. Calcul d'un actionneur simple en AMF472
      • 7.3. Chapitre 3472
      • 7.3.1. Lévitation acoustique472
      • 7.3.2. Etude numérique de la dépose inertielle473
      • 7.3.3. Etude numérique du roulement475
      • 7.3.3.1. Modèle statique475
      • 7.3.3.2. Conditions de glissement475
      • 7.3.3.3. Calcul des paramètres du problème476
      • 7.3.3.4. Condition de roulement476
      • 7.3.3.5. Conditions de roulement et de glissement477
      • 7.3.3.6. Simulation et analyse477
      • 7.3.3.7. Remarques478
      • 7.3.4. Etablissement du domaine de validité fréquentielle479
      • 7.3.5. Etablissement du diagramme de Bode481
      • 7.3.6. Calcul de la force de diélectrophorèse appliquée482
      • 7.3.7. Comportement d'un objet sous laser trapping483
      • 7.3.8. Manipulations synchronisées485
      • 7.4. Chapitre 4487
      • 7.4.1. Exercice 1487
      • 7.4.2. Exercice 2487
      • 7.4.3. Exercice 3488
      • Bibliographie 491

  • Origine de la notice:
    • BNF
  • Disponible - 62.1 MIC

    Niveau 3 - Techniques