La fécondation avec micro-injection du spermatozoïde est une technique d'aide médicale à la procréation. Afin de faciliter la tâche des médecins et d'augmenter le taux de réussite de cette technique (30 %), il est nécessaire d'automatiser certaines étapes du processus. Nous proposons de réaliser le transfert automatique de cellule. Les cellules se déplacent en milieu biologique dans un microcanal qui alimente les zones de travail. Elles sont poussées par une particule ferromagnétique, appelée pousseur, de taille des cellules et qui suit les mouvements d'un aimant disposé à l'extérieur du canal. Les travaux présentés dans cette thèse exposent la modélisation complète du comportement dynamique du pousseur. Cette modélisation est décomposée en trois blocs fonction qui déterminent successivement la valeur de l'aimantation interne, les efforts subis et la trajectoire du pousseur. L'intérêt de cette modélisation est que nous pouvons reproduire la trajectoire d'un objet ferromagnétique plan en fonction des variations du champ magnétique environnant. Le fait de réduire le champ d'application de la modélisation à des objets plan nous permet d'obtenir un résultat répondant à nos critères d'utilisation dans un temps de calcul nettement inférieur à celui d'une application telle que Flux3DR. L'utilisation du modèle a mis en évidence l'influence des caractéristiques géométrique et magnétique des éléments actifs sur le comportement général du pousseur. Le dispositif expériemental développé a permis de déplacer des billes en verre de 200 micromètres de diamètre en mode télé opéré et en boucle ouverte ainsi que des ovocytes humains de 150 micromètres de diamètre en mode télé opéré.

L’intérêt des ultrasons pour la caractérisation de milieux ou pour l’actionnement à plus forte puissance n’est plus à démontrer. L’intégration de fonctions acoustiques substrats de silicium soulève en revanche de nombreux problèmes technologiques. Le travail de thèse présenté fait suite aux premiers développements technologiques qui ont permis la validation du concept de caractérisation acoustique haute fréquence en canal microfluidique. Les principales avancées de ce travail concernent l’optimisation du transfert de l’énergie acoustique dans le canal microfluidique dans une bande de fréquence allant de 500 à 1000 MHz. Des dépôts de couches minces sur les miroirs et le développement de transducteurs en couches épaisses constituent les principales avancées. Une première évaluation de l’actionnement de fluides ou de particules en canal microfluidique est également présentée ainsi qu’une application du système à la mesure de température en canal microfluidique par ultrasons. / The interest of ultrasounds for media characterization or for actuation when using more power is well known. Nevertheless, the integration of these acoustic functions in silicon based Lab-on-chips requires specific technological developments. The possibility to use high frequency bulk acoustic waves in this kind of systems for characterization or detection has been presented previously in another PhD work. The main objective of this work was to optimize acoustic energy transfer to a microfluidic channel in a frequency range between 500 MHz and 1000 MHz. To do that, the main technological developments achieved among others concern the coating of the guiding mirrors to avoid acoustic mode conversion and ZnO thick films sputtering for the fabrication of piezoelectric transducers. The developed system has been used for particles detection or concentration evaluation. Moreover, a first evaluation of fluids/particles actuation was demonstrated, along with temperature evaluation using ultrasound were achieved in microfluidic channels.

Les mutations profondes observées au cours des vingt-cinq dernières années dans le monde de l'électronique ont actuellement cours en biologie, en partie grâce aux biotechnologies. Le concept communément appelé "laboratoire sur puce" (Lab-On-Chips, LOC) doit son essor à l'effort considérable qui a été mené en matière de développement des technologies de micro-fabrication. Le nombre d'outils technologiques disponibles actuellement pour la fabrication de réseaux microfluidiques est important mais la réalisation de systèmes complexes tridimensionnels reste encore un challenge. Le développement des micro- et nanotechnologies à de nouveaux matériaux comme les polymères, et en particulier la SU-8, a permis d'ouvrir la voie à une intégration plus élaborée telle que nous la présentons dans ce travail de thèse. Nous y exposons la démarche et les détails d'une approche consistant en la conception, la modélisation et la fabrication de dispositifs d'actionnement magnétique intégrés au sein de réseaux microfluidique en SU-8 pour la manipulation de billes magnétiques ; le tout étant élaboré sur un substrat souple de type PET. Le développement des outils de caractérisations des systèmes réalisés a également été présenté. Ils ont permis la mise en place d'un protocole expérimental visant à évaluer et quantifier les différents paramètres électriques, thermiques, fluidiques et magnétiques concourant à obtenir un dispositif LOC efficient dans la circulation de fluides, le piégeage de billes magnétiques, leur transfert d'une zone à un autre et leur orientation guidée vers des canaux privilégiés.

Le projet de recherche, initié en automne 2014 par le Centre des Technologies Avancées de Sherbrooke, partenariat entre Bombardier Recreational Products (BRP) et l’Université de Sherbrooke, se focalise sur le système de transmission d’un véhicule de sport-tourisme à trois roues dans le but de réduire, d’une part la consommation énergétique de ce dernier et d’autre part le niveau de vibration de ce dernier. La première partie du projet de recherche vise à imaginer, modéliser, dimensionner, optimiser, concevoir et contrôler (end-to-end) un nouvel actionneur d’embrayage électrique innovant et moins énergivore que l’actuel actionneur d’embrayage électrohydraulique utilisé dans la transmission manuelle automatisée (AMT) du véhicule. Grâce à une stratégie de commande avancée, cette rupture technologique doit permettre d’être écoénergétique tout en ayant un niveau de performance élevé et pour un coût acceptable. La deuxième partie du projet de recherche vise à investiguer le sens physique et mathématique d’un phénomène d’oscillations transverses de la courroie de transmission – transmettant le couple du bloc moteur à la roue arrière – observé sur le véhicule pour certains régimes moteurs. Puis, proposer une solution mécatronique innovante, basée sur une stratégie de contrôle spécifique de l’actionneur d’embrayage du véhicule, afin de supprimer ces oscillations de courroie sans altérer l’expérience de conduite. Ce document regroupe l’ensemble des travaux effectués et les résultats obtenus pour les deux projets de recherche. Dans un premier temps, la revue de l’état de l’art sur les embrayages, leurs actionnements et leurs stratégies de contrôle sont présentés. Puis, le nouveau dispositif d’actionnement d’embrayage dimensionné et optimisé et sa stratégie de contrôle sont développés. Ensuite, une nouvelle méthode agile et faible coût pour évaluer expérimentalement la consommation d’énergie d’un dispositif d’actionnement virtuellement intégré à un véhicule sur un cycle normalisé est exposée et appliquée à notre cas d’étude. Par la suite, les travaux réalisés pour comprendre le phénomène d’oscillations de courroie et la solution mécatronique proposée pour supprimer celui-ci sont présentés. Puis, la stratégie de contrôle spécifique de l’actionneur d’embrayage conçue, dans notre cas, pour supprimer les oscillations de courroie est développée en détail. Pour finir, les travaux effectués pour ces deux projets de recherche sont conclus en fin de document.

Ces dernières années une attention particulière a été portée sur les systèmes autonomes de taille micrométrique. La taille de ces robots, ou particules, rend impossible l’embarquement d’énergie. Des systèmes d’actionnement et de contrôle à distance, notamment par effets magnétiques, ont été proposés. Ils évoluent généralement dans le milieu liquide. Ce milieu est privilégié en raison de la force de trainée qui stabilise les systèmes et simplifie donc leur contrôle. En revanche, ce milieu induit une limitation majeure sur la vitesse de déplacement de ces particules. Pour exploiter pleinement le potentiel d’actionnement rapide lié à la faible inertie de ces particules de petite taille, cette thèse propose la conception et la commande d’un système microrobotique dédié à l’actionnement haute vitesse. Les choix de conception, notamment l’augmentation de la force magnétique, l’utilisation de particules ferromagnétiques et le choix d’un environnement de travail en milieu ambiant permettent d’atteindre de grandes vitesses de déplacements. Cependant, le milieu ambiant pose des problématiques d’adhésion entre la particule et le substrat de travail et d’absence de modèle de connaissance. Des solutions sont proposées pour vaincre ou réduire les forces d’adhésion dans ce milieu, allant de l’actionnement en couple de la particule magnétique à la structuration mécanique du substrat. Une est également implémentée pour augmenter la précision du positionnement et de l’orientation des particules. Une approche permettant de synthétiser et d’implémenter une loi de régulation proportionnelle des deux paramètres de contrôle est proposée. L’approche expérimentale adoptée permet de quantifier les problématiques rencontrées dans le milieu ambiant et de proposer des solutions systématiques. Ce travail n’est qu’un premier pas dans l’intégration des systèmes microrobotiques en milieu ambiant, mais il fournit des méthodologies de contrôle adaptées à ses spécificités. / In the past few years, much attention has been given to autonomous systems of micrometric size. The small size of these robots, or particles, makes it impossible to embed their energy sources. Wireless systems for actuating and control, in particular through magnetic effects, have been proposed. They usually operate in a liquid environment. This environment is favored due to the drag force which stabilizes a system and therefore makes it easier to control. However, this medium comes with a major limitation to the moving speed of these particles. In order to fully exploit the potential for high speed actuation inherent to the low inertia of these small-sized particles, this thesis proposes the design and control of a microrobotic system dedicated to high speed actuation.The design choices, such increasing the magnetic force, using ferromagnetic particles and choosing to work in an ambient environment increases the displacement speed. However, the dry environment leads to adhesion issues between the particle and the surface of the working substrate, and lack of knowledge-based model. Various solutions are proposed in this thesis to overcome or reduce adhesion forces in this environment, from the coupled actuation of the magnetic, to the mechanical structuring of the surface of the substrate. A closed-loop control has also been integrated to increase the accuracy of the positioning and orientation of the particles. An approach to the synthesis and implementation of a proportional regulation is proposed for the two control parameters. The chosen experimental approach makes it possible to quantify the issues related to the ambient environment and bring systematic solutions to them.This work is but a first step in the integration of microrobotic systems in ambient environments, but it offers a control methodology, which is adapted to its specificities.

Quel que soit le type d'exosquelettes de jambes, la question d’équilibre du système est très importante, puisqu'il s'agit de robots physiquement attachés à l'utilisateur. Dans le but de respecter au maximum la volonté de l'utilisateur ainsi que ses mouvements, cette thèse a pour objectif de développer des stratégies de commande de gestion d'équilibre pour un exosquelette d’assistance. Il s'agit alors d'assister l'équilibre du système couplé (utilisateur valide + exosquelette), en gérant l'équilibre de l'exosquelette soumis à l'action de l'utilisateur. La commande de gestion d'équilibre proposée s'inspire des commandes développées par le CEA-LIST sur les exosquelettes Hercule et des stratégies de récupération d'équilibre observées chez l'humain. Elle est essentiellement basée sur le concept du point de capture instantané. En effet,le point de capture instantané est un bon outil qui englobe aussi bien le cas statique que le cas dynamique et surtout, qui contient une information sur la direction de mouvement, ce qui nous permet d'anticiper certaines actions comme l'action de faire un pas. Les contributions de cette thèse sont alors :• l'application d'une commande du point de capture à un exosquelette d'assistance ;• la proposition d'une nouvelle répartition des efforts sur les deux jambes de l'exosquelette permettant d'anticiper les perturbations et le pas ;• la gestion du sous-actionnement (toutes les articulations ne sont pas motorisées) en phase de double support via un calcul d'optimisation qui a pour objectif de suivre la répartition des efforts désirée et de maîtriser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'exosquelette. / The postural stability of leg exoskeletons, no matter their purposes (medical, military or civil), is a real issue since the user is fastened to them. Indeed, in order to respect the will of the user and his movements to the maximum, we have to study the system balance. Therefore, the purpose of this thesis is to develop balance strategies for a leg exoskeleton designed for industrial applications such as static work. It is about assisting the balance of the coupled system (user +exoskeleton) by dealing with the exoskeleton’s balance subjected to the user’s action. We present a balance control which is inspired by control methods developed by CEA-LIST for the Hercule exoskeleton, as well as by human balance strategies. It is mainly based on the instantaneous capture point concept. The first contribution of this thesis is the application of a classical instantaneous capture point control to a leg exoskeleton that assists a user. The user’s intention is first detected through the position of the instantaneous capture point and the assistance provided by the exoskeleton differs. The second contribution focuses on how we candistribute the effort to the legs. The experience of the «Master-Slave » control of CEA-LIST showed that the main difficulty, for a user, is to handle the weight transfer in order to take the swing leg off and make a step. We suggest a newleg distribution, that is able to anticipate a step. The last contribution is related to the underactuation of the exoskeleton in the double support phase. We propose an optimization algorithm that aims at following the leg distribution, and at managing the interaction forces between the user and the exoskeleton.

Cette étude a été motivée par les nombreux avantages du procédé de micromoulage, qui couple la croissance électrolytique et la localisation du film avec un moule en résine épaisse. Ce procédé permet en effet la réalisation de micro-objets, dont les dimensions sont uniquement dépendantes de la résolution des techniques de lithographie employées pour définir les moules en résine. Le micromoulage permet donc de réaliser des microstructures métalliques et est compatible avec la technologie MEMS. Nous avons mis en évidence l’influence de différents paramètres expérimentaux dans le cadre de l’étude de la croissance électrolytique du samarium-cobalt en solution aqueuse dans une cellule de Hull. Cette étude nous a permis de déterminer plusieurs points de fonctionnement conduisant à des teneurs en samarium et des épaisseurs élevées : jusqu'à 50 % de samarium et plusieurs microns d’épaisseur. En outre, un certain nombre d’hypothèse ont été émises, qui lient le procédé d’élaboration et le mécanisme de croissance. Nous avons aussi réussi a montré qu’il est possible de réaliser des micromotifs de plusieurs microns d’épaisseur contenant un rapport Sm/(Sm+Co) relativement élevé (10 %) et une faible contamination en oxygène (8 %). / This study was motivated by the advantags of micromolding process, which couples the electrolytic growth and location of the film with a thick resin mold. This method makes it possible the achievement of micro-objects, the dimensions of which are only dependent on the resolution of the lithographic techniques used to define the resin molds. The micromolding can therefore produce metal microstructures and is compatible with MEMS technology. We have highlighted the influence of various experimental parameters in the context of the study of the electrolytic growth of samarium-cobalt in aqueous solution in a Hull cell. this study allowed us to identified several operating points resulting in samarium contents and high thicknesses up to 50% of samarium and several microns thick. In addition, a number of hypotheses have been put forward, which link the process of development and growth mechanism. We also successfully showed that it is possible to create micropatterns of several microns thick report containing Sm / (Sm + Co) relatively high (10%) and low oxygen contamination (8%).

Les systèmes d’actionnement à distance pour la manipulation d’objets de taille micrométrique ont connu un développement sans précédent ces dernières années dans les laboratoires de recherche. Ils permettent de contrôler à distance le déplacement et l’orientation d’objets en appliquant des champs de force à distance. Ils sont donc spécialement adaptés pour agir dans des milieux confinés pour lesquels les problèmes d’accessibilité empêchent l’utilisation de manipulateurs robotisés classiques. De plus la faible inertie de ces systèmes permet d’atteindre des cadences de manipulation importantes. Parmi les effets physiques exploitables pour actionner ces systèmes une attention particulière est portée sur les effets magnétiques, en raison des niveaux de forces élevés atteignables. L’état de l’art montre un nombre de travaux importants dans le domaine de l’actionnement magnétique en environnement liquide. Cependant les vitesses atteignables sont limitées par les frottements visqueux. Quelques études font état de l’utilisation de l’actionnement magnétique en milieu ambiant, mais les forces d’adhésion entre le substrat et la particule rend le système peu répétable. Cette thèse propose une approche originale alliant faibles frottements visqueux et grande répétabilité en considérant un milieu de travail peu étudié : l’interface air/liquide. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement à la modélisation, la caractérisation, l’analyse des performances et la commande d’un système d’actionnement magnétique à l’interface air/liquide pour des applications à l’échelle micrométrique. / In recent years research laboratories have shown an increasing interest for non-contact actuation systems at micrometer scale. These systems control both the displacement and the orientation of the objects using remote force fields. They are of major interest in confined spaces in which traditional approaches based on robotic grippers are not suitable. In addition high manipulation throughputs can be reached due to the low inertia of these systems. Several physical principles can be considered as the actuation source. Among them a special attention is given to magnetic forces due to the high forces that can be applied to the objects. A large amount of work has been carried out on magnetic actuation systems for manipulation in liquid environments. However velocities are limited by viscous effects. A few studies are reported on magnetic systems in ambient environments. However repeatability is decreased by adhesion forces between the substrate and the objects. This work proposes an original approach with a good trade off between low viscous effects and high repeatability based on the use of a specific environment: the air/liquid interface. This thesis presents the modelling, the characterization, the performance analysis and the control of a magnetic actuation system at the air/liquid interface for applications at the micrometer scale.

Au cours de la dernière décennie, des travaux de recherche importants ont été effectués dans le domaine de la microrobotique. Ces travaux concernent la conception, la fabrication et la commande de microrobots destinés à exécuter diverses tâches dans le micromonde (le monde des objets de taille micrométrique). Il s'agit notamment de tâches de manipulation d'objets artificiels ou biologiques à des fins de positionnement, de caractérisation ou de tri mais aussi pour le micro-assemblage industriel. Les recherches effectuées ont montré l'efficacité des matériaux actifs pour l'actionnement des microrobots. Toutefois, en dépit de leur haute résolution intrinsèque, ces matériaux présentent des inconvénients qui rendent la commande des microrobots difficile. Le comportement de ces matériaux et plus généralement des actionneurs qui les utilisent est souvent complexe, non linéaire et parfois non stationnaire. L'implantation de lois de commande nécessite donc l'emploi de capteurs et d'instruments coûteux et encombrants pour le traitement des signaux et l'exécution en temps réel. Dans le but de lever les difficultés citées précédemment et d'ouvrir des perspectives nouvelles pour la conception et la commande de microrobots, nous proposons une nouvelle approche pour la microrobotique appellée « microrobotique numérique » qui utilise un concept de modularité et une commande en boucle ouverte. Ces nouveaux microrobots sont construits à partir de « modules élémentaires » possédant deux états mécaniques stables et répétables. La position de l'extrémité du microrobot dépend de l'état des différents modules bistables qui le composent. Cette approche introduit un nouveau paradigme en microrobotique permettant la conception de cinématiques diverses adaptées au micromonde. Les principaux avantages de cette nouvelle microrobotique sont la modularité, l'absence de capteurs, la flexibilité, la possibilité de réaliser des robots microfabriqués et l'absence d'asservissement. Cette thèse propose la conception, la microfabrication et la caractérisation d'un module bistable.

A l'heure actuelle, la microfluidique est une science en plein développement ayant un besoin croissant de dispositifs permettant de générer des écoulements aux échelles micrométriques. Les phénomènes physiques mis en jeu lors du mouvement d'un fluide sont en effet majoritairement gouvernés par la viscosité (bas nombre de Reynolds) contrairement aux écoulements macroscopiques dominés par les effets inertiels.Dans cette thèse, les écoulements engendrés par le mouvement de parois mobiles ont été étudiés en vue d'une application aux micropompes, dispositifs essentiels en microfluidique.Dans une première partie, une étude analytique et numérique évalue la possibilité de générer un écoulement par un cylindre en rotation à proximité de parois mobiles.Les résultats obtenus du régime de Stokes (Re=0) jusqu'à un nombre de Reynolds Re=60 en régime stationnaire témoignent du potentiel notable d'intégration de cette géométrie dans les microsystèmes en tant que micropompes.Dans une seconde partie, une micropompe, basée sur un principe de fonctionnement novateur, est conçue par l'intermédiaire des techniques de microfabrication. Dans cette optique, le procédé de gravure RIE d'un élastomère est entièrement développé. Les performances de la micropompe en terme de pression et débit générés dépassent l'état de l'art des microsystèmes similaires et ceci en utilisant une technologie simple et bas-coût