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 %).

En aérospatial, les contraintes de masse ont conduit à utiliser des structures plus légères et par conséquent plus souples, induisant de nouveaux objectifs de commande, comme la réduction des efforts structuraux. Pour satisfaire ces objectifs, les modes de flexion doivent être considérés dès la synthèse de la loi de commande, ce qui entraîne certaines contraintes comme les non linéarités, le sous actionnement et l’altération des mesures par les modes souples. En considérant ces contraintes, cette thèse traite de la synthèse d’une méthode de commande non linéaire pour les systèmes aérospatiaux souples. Nous nous intéressons particulièrement au problème d’atténuation des oscillations provoquées par les modes souples. Pour cela, nous définissons une classe de système non linéaire, sous actionnée et à minimum de phase, représentative des systèmes aérospatiaux souples. Pour cette classe de système, nous proposons une loi de commande non linéaire synthétisée par retour d’état en utilisant des changements de variables et la technique du backstepping. La synthèse est effectuée de façon à améliorer le régime transitoire des modes souples. Les états souples n’étant pas mesurés, le problème du retour de sortie est également traité par l’intermédiaire d’observateurs adaptatifs (à temps fini et asymptotique). Des incertitudes sur la pulsation et l’amortissement des modes souples sont en particulier considérées. La méthode proposée est illustrée par des simulations numériques réalisées sur un lanceur et un avion hypersonique. / Due to mass constraints aerospace systems tend to have lightweight and flexible structures leading to new control objectives such as structural load reduction. To fulfil these objectives, flexible modes must be considered from the design of the controller, requiring to consider some constraints such as nonlinearities, underactuation, or measurement corruption terms. Consider these constraints, this thesis treats the design of a nonlinear control method for flexible aerospace systems. We particularly focus on the problem of reducing oscillations caused by the bending modes. To do that, we define a class of nonlinear system which is both underactuated and minimum phase and that represents flexible aerospace systems. Consider this class, we propose a nonlinear full-state controller based on changes of coordinates and the backstepping technique. The control design is carried out to enhance the transient of the flexible modes. Flexiblestates being not measured, the output-feedback problem is also treated through adaptive observers (finite-time and asymptotic). Uncertainties of natural damping and frequency of the bending modes are particularly considered. The proposed method is illustrated by numerical simulations performed on a space launch vehicle and an hypersonic aircraft.

Afin de contribuer à étendre le champ d'applications des microsystèmes à des nouvelles applications à haute valeur ajoutée mais faible série, il apparait nécessaire d'estimer et d'analyser la fiabilité d'un microsystème en prenant en compte les conditions d'utilisation. C'est pour répondre à cette problématique que les travaux de cette thèse ont été réalisés en vue de mettre en place une méthodologie d'étude de la fiabilité des microsystèmes par le biais de la modélisation. En effet, en réalisant un prototype virtuel complet d'un microsystème, on peut non seulement prédire son comportement dans n'importe quelles conditions environnementales d'utilisation mais aussi l'optimiser avant de lancer sa fabrication. Pour démontrer la faisabilité de cette méthode, les travaux ont été menés sur les actionneurs électrothermiques. Pour cela, nous avons (1) mis en place un modèle analytique du comportement idéal de la structure en utilisant la méthode des éléments finis mais surtout le langage VHDL-AMS, (2) fabriqué et caractérisé des véhicules de tests pour valider ce modèle, (3) réalisé des tests de vieillissement pour mettre en évidence les mécanismes de défaillance et enfin (4) avons mis en place des modèles empiriques de ce vieillissement pour compléter la description analytique.

Cette thèse présente la conception et la commande d’une main robotique légère et peu onéreuse pour un robot compagnon humanoïde. La main est conçue pour exprimer des émotions à travers des gestes et pour saisir de petits objets légers. Sa géométrie est définie à l’aide de données anthropométriques. Sa cinématique est simplifiée par rapport à la main humaine pour réduire le nombre d’actionneurs tout en respectant ses exigences fonctionnelles. La main préserve son anthropomorphisme grâce aux nombres et au placement de la base des doigts et à une bonne opposabilité du pouce. La mécatronique de la main repose sur un compromis entre des phalanges couplés, qui permettent de bien connaître la posture des doigts pendant les gestes, et des phalanges capable de s’adapter à la forme des objets pendant la saisie, réunis en une conception hybride unique. Ce compromis est rendu possible grâce à deux systèmes d’actionnement distincts placés en parallèle. Leur coexistence est garantie par une transmission compliante basée sur des barres en élastomère. La solution proposée réduit significativement le poids et la taille de la main en utilisant sept actionneurs de faible puissance pour les gestes et un seul moteur puissant pour la saisie. Le système est conçue pour être embarqué sur Romeo, un robot humanoïde de1.4 [m] produit par Aldebaran. Les systèmes d’actionnements sont dimensionnés pour ouvrir et fermer les doigts en moins de 1 [s] et pour saisir une canette pleine de soda. La main est réalisée et contrôlée pour garantir une interaction sûre avec l’homme mais aussi pour protéger l’intégrité de la mécanique. Un prototype (ALPHA) est réalisé pour valider la conception et ses capacités fonctionnelles. / This thesis presents the design and control of a low-cost and lightweight robotic hand for a social humanoid robot. The hand is designed to perform expressive hand gestures and to grasp small and light objects. Its geometry follows anthropometric data. Its kinematics simplifies the human hand structure to reduce the number of actuators while ensuring functional requirements. The hand preserves anthropomorphism by properly placing five fingers on the palm and by ensuring an equilibrated thumb opposability. Its mechanical system results from the compromise between fully-coupled phalanges and self-adaptable fingers in a unique hybrid design. This answers the need for known finger postures while gesturing and for finger adaptation to different object shapes while grasping. The design is based on two distinct actuation systems embodied in parallel within the palm and the fingers. Their coexistence is ensured by a compliant transmission based on elastomer bars. The proposed solution significantly reduces the weightand the size of the hand by using seven low-power actuators for gesturing and a single high-power motor for grasping. The overall system is conceived to be embedded on Romeo, a humanoid robot 1.4 [m] tall produced by Aldebaran. Actuation systems are dimensioned to open and close the fingers in less than1 [s] and to grasp a full soda can. The hand is realized and controlled to ensure safe human-robot interaction and to preserve mechanical integrity. A prototype(ALPHA) is realized to validate the design feasibility and its functional capabilities.

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 / Currently, microfluidic is a science field in constant development with an increasing need of devices able to generate flows at the micrometer order. At these length scales, physical phenomenons occurring in a moving fluid are mainly governed by its viscosity (low Reynolds number) contrary to macroscale flows dominated by inertial effects.In this thesis, a study on flows engendered by moving walls has been carried to fulfill to micropumps devices.In a first part, an analytical and a numerical study evaluates the possibility to generate a flow for a rotating cylinder close to moving boundaries.The results ranging from Stokes flows (Re=0) up to the low Reynolds number Re=60 in the stationary regime reveals the noticeable potential of integrating this device in microsystems as a micropump. In a second part, a new micropump, based on an innovative principle, is designed thanks to microfabrication technologies. In this perspective, the etching process of an elastomer called Silastic S is developed. Micropump performances in terms of pressure and flow rate are beyond the state of the art for similar microsystems and are achieved by using a simple and low-cost technology

Un des enjeux actuels de la recherche sur les robots parallèles est de concilier grandes capacités dynamiques<br />et bonne précision. Les travaux présentés dans cette thèse contribuent à la résolution de cette<br />problématique. Trois approches ont été considérées : l'étalonnage géométrique à partir de mesures externes,<br />l'utilisation de la redondance métrologique et enfin l'application du principe de mesure dissociée.<br />Tout d'abord, l'étalonnage géométrique classique d'un robot Delta linéaire puis du premier prototype<br />du robot Par4 sont présentés. Cette méthode, bien qu'efficace dans le cas de problèmes quasi-statiques,<br />s'avère insuffisante lorsque des efforts appliqués sur la structure du robot entraînent des déformations de<br />celui-ci. Le cas des robots parallèles à redondance d'actionnement présente ainsi la particularité d'être<br />difficile à étalonner car des contraintes internes peuvent apparaître dans ces mécanismes et déformer<br />leur structure. C'est pourquoi une méthode pour transformer la redondance d'actionnement en redondance<br />cinématique a été proposée. La redondance métrologique a également été étudiée et plusieurs<br />méthodes tirant profit de cette redondance ont été analysées et testées. Enfin, le concept de dissociation<br />entre l'actionnement et la mesure est introduit. Ce concept, novateur en robotique parallèle, repose<br />sur la séparation entre la transmission du mouvement et des efforts et la mesure de l'état du robot. Ce<br />concept a été appliqué sur une machine-outil à architecture parallèle et un prototype a été réalisé. Des<br />lois de commande ont été testées et les résultats en termes d'amélioration de la précision sont présentés.

La majorité des MEMS RF (Micro Electro Mechanical Systems Radio Fréquence) sont actionnés en utilisant une force électrostatique. La distance entre les deux électrodes est ainsi modifiée pour transmettre ou couper le signal RF. Ce type d'actionnement, malgré ses avantages, a un défaut majeur qui concerne le chargement des diélectriques. Ce dernier mène à terme à la défaillance du dispositif. Pour résoudre ou minimiser ce problème, nous avons travaillé dans deux directions. La première consiste à utiliser l'actionnement piézo-électrique à la place de l'actionnement électrostatique. La seconde direction concerne l'amélioration du comportement mécanique de la structure en augmentant la force de rappel sans modifier la tension d'actionnement. Les designs proposés ont été validés en utilisant une plateforme de simulation multi-physique.

La transduction électrostatique est utilisée depuis plusieurs décennies dans les fréquences du domaine audible, principalement sous la forme de microphones membranaires. La transposition du même principe de transduction, mais dans un domaine de fréquence au-dessus du MHz, et par l’utilisation de dispositifs micro-usinés, c'est-à-dire produits à l’aide de technologies de photolithographie, a été proposée à partir de la fin des années 1990. Ces transducteurs, désignés sous l’acronyme cMUT (capacitive micromachine ultrasonic transducers), se composent d’un assemblage de transducteurs élémentaires, chacun possédant une partie mobile conventionnellement appelée diaphragme ou membrane, actionnée par la pression électrostatique. Cette thèse s’inscrit dans le développement de transducteurs de ce type destinés au domaine de l’imagerie médicale ultrasonore. Ce secteur d’application utilise actuellement des transducteurs basés sur des céramiques (ou, dans certains cas précis, des polymères) piézoélectriques. Le cMUT est intéressant dans certains sous-domaines d’application des ultrasons médicaux en raison de sa bonne adaptation à une production en grande série, de son intégration plus facile avec des éléments électroniques, de son faible échauffement et de l’absence de matériaux toxiques dans son processus de fabrication. La partie théorique de cette thèse repose sur une approche de modélisation par différences finies. Un modèle basé sur la théorie des plaques minces est développé pour prendre en compte la mécanique du transducteur élémentaire cMUT (c'est-à-dire d’un seul diaphragme). Ce modèle est ensuite complété par l’intégration de l’effet d’un chargement acoustique par un fluide. De façon à modéliser un transducteur entier, il est nécessaire de prendre en compte le couplage acoustique existant entre les différentes membranes. Pour rendre cela possible, un circuit équivalent, permettant de réduire chaque membrane à un système à un seul degré de liberté, est développé. Il est validé en le comparant au modèle de différences finies dans des cas où celui-ci peut être utilisé. Les travaux expérimentaux ont fait appel principalement aux deux techniques de caractérisation suivantes : les mesures d’impédance électrique, et les mesures de déplacement effectuées par interférométrie laser. Ces mesures ont été utilisées dans une double optique. D’une part, dans un objectif de caractérisation, ils ont permis de vérifier la fonctionnalité des dispositifs fabriqués et d’évaluer leurs performances. D’autre part, en comparant différentes configurations entre elles, ils ont rendu possible une validation expérimentale du modèle qui a été mis au point. / Electro-acoustic transduction based on electrostatic force has a long history in the range of audible frequencies, mainly as membrane-based microphones. Starting in the late 1990’s, it has been proposed to use the same principle in the multi-MHz frequency domain, thanks to micro-machined devices – meaning they’re produced through lithography technology. Such transducers, known as cMUT for capacitive micromachine ultrasonic transducers, are made of an assembly of elementary vertically mobile cells, usually designated as membranes, driven by electrostatic force. This PhD work is part of the development of this kind of transducers designed for medical imaging applications. This area currently uses transducers based on piezoelectric ceramics (or piezoelectric polymers for some peculiar cases). CMUT is an interesting alternative for some subdomains of medical ultrasound applications, due to its volume production ability, its easier integration with electronic elements, its low heat dissipation and the absence of toxic materials.

L'évolution vers les avions plus électriques engendre des efforts importants pour développer des actionneurs à source de puissance électrique pour les commandes de vol. Pour de telles applications critiques, il est peut être intéressant dans le futur d'associer à une même surface de contrôle un actionneur conventionnel à source de puissance hydraulique et un actionneur à source de puissance électrique mais ceci pose un problème important lorsque les deux actionneurs sont actifs simultanément: comme chacun essaye d'imposer sa position à l'autre,les deux actionneurs luttent l'un contre l'autre en développant des efforts néfastes qui ne sont pas utilisés par la charge. L'objet du présent travail est de proposer des stratégies d’égalisation d’effort pour un système d'actionnement impliquant ces deux types d''actionneurs opérant en mode actif-actif. La première étape est de concevoir leur commande en position et de la valider sur banc d'essai. Un banc d'essai virtuel fidèle à la réalité est ensuite réalisé dans l'environnement de simulation AMESim pour pouvoir évaluer facilement les différentes stratégies d'égalisation d'effort entre les deux actionneurs. Ces stratégies sont proposées et évaluées virtuellement en deux étapes, statique puis dynamique. Pour finir, une étude de robustesse est réalisée a posteriori pour évaluer la sensibilité des indicateurs de performance aux incertitudes sur les modèles de simulation et sur les points et les conditions de fonctionnement. / On the way to more electric aircraft (MEA), more and more power-by-wire (PBW) actuators are involved in the flight control system. For a hybrid redundant actuation system composed by the conventional hydraulically powered actuators and the PBW actuators, one major issue while they operate on active/active mode is the force fighting between channels. As the grave influence of force fighting on accelerating material fatigue and increasing power consumption,it must be addressed with attention. This thesis was aiming at proposing some effective force equalization control strategies for the hybrid actuation system involving one servo-hydraulic actuator (SHA) and one electro-mechanical actuator (EMA). For this objective, the position controllers for SHA and EMA were designed and validated as a first step. Then, a virtual test bench regarding to the realistic behaviors was built in the AMESim simulation environment to accelerate the controller design and enable the robustness study. Following this, 2 static force equalization control strategies were proposed and experimentally validated. The first strategy hat introduced integral force fighting signal to compensate the actuator position control was proved a good candidate solution. In the next part, 3 dynamic force equalization strategies were proposed and assessed on the virtual test bench. Their performance sensitivities to the parameter uncertainties were studied through Monte-Carlo method. The first strategy that introduced velocity and acceleration feed-forwards to force the SHA and EMA having similar pursuit dynamics showed a good force equalization performance as well as good segregation and good robustness. In the end, the work presented in thesis was concluded and perspective was given to the ongoing work.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte des drones vise à réaliser à terme un Nano-dispositif volant (Nano Aerial Vehicle) capable d'imiter le vol des insectes. Ce mode de locomotion est privilégié car il présente des caractéristiques très adaptées au vol en milieu confiné. La solution proposée consiste à développer un drone de la taille d'un insecte s'appuyant sur des ailes vibrantes pour se mouvoir et à utiliser les technologies MEMS pour répondre aux problématiques de fabrication et de réduction d'échelle. La réussite d'un tel projet soulève néanmoins de nombreux défis scientifiques et technologiques, en particulier, les aspects aéro-élastiques des ailes et l'autonomie du drone. Pour répondre à ces défis, nous proposons dans un premier temps de mettre en œuvre des concepts comme la résonance et la torsion passive sur des prototypes en polymère (SU-8) réalisés par photolithographie. Dans un second temps, les différents composants de la chaîne de puissance sont optimisés, notamment l'actionneur électromagnétique, la liaison et les ailes de manière à maximiser la force de portance générée. Suite à ces améliorations, nous démontrons de façon expérimentale que le prototype était capable non seulement de reproduire une cinématique complexe mais également de compenser 75% de son poids. / This manuscript reports a work which aims to develop a tiny flying robots inspired by natural flyers. Our main objective is to devise a flying robot mimicking insects in terms of kinematics and scale using MEMS technologies in order to answer the scale challenges: the large-scale manufacturing and the system's small scale. The success this project faces different challenges such as aeroelastic aspects of wings and drone autonomy.In this work we propose the use of original concepts like resonance and passive torsion of the wings which are implemented on all-polymer prototypes obtained using a micromachining SU-8 photoresist process. In order to achieve a better efficiency of the prototype, each element of the energy transduction has been carefully examined and optimized. Especially, the actuation, the transmission and the wings in order to increase the lift. These improvements demonstrate experimentally that the prototype is able to produce a complex kinematic and compensate 75 % of its weight.