La manipulation et le micro-assemblage de composants de taille micrométrique (1 µm ->1 mm) afin de réaliser des microsystèmes posent énormément de problèmes. À cette échelle les composants sont quasiment invisibles à l'oeil nu et on constate une inversion de l'importante des forces : les forces surfaciques (capillarité, Van der Waals, électrostatiques, ...) deviennent prépondérantes par rapport aux forces volumiques (poids, inertie). Il est ainsi nécessaire et indispensable de mettre en oeuvre des stratégies novatrices appropriées tant du point de vue de l'imagerie et de la vision que de la manipulation et de la commande pour la fabrication des microsystèmes. Le micro-assemblage comporte des tâches de micromanipulation (positionnement, prise, transfert, dépose, ...) ainsi que tâches plus complexes (orientation dans l'espace, insertion, ...). Nos travaux répondent clairement à ces attentes c'est-à-dire utiliser un système de vision (un microscope optique) pour automatiser des tâches simples de manipulation de microcomposants et des tâches plus complexes d'assemblage de MEMS. Plusieurs lois de commande ont été développées telles qu'un asservissement visuel 2D multi-échelle pour la manipulation et un asservissement visuel 3D pour l'assemblage. Pour les deux approches développées, la précision et la répétabilité obtenues sur les processus de manipulation et d'assemblage sont satisfaisantes. Cependant, avant toute chose, le système de vision doit être calibré pour atteindre de meilleures performances. Dans cet objectif, une méthode de calibrage multi-échelle de microscopes photoniques a été présentée et détaillée. À partir de l'étude des contraintes liées à l'utilisation de ce genre d'imageur, des techniques de vision 3D telles le depth-from-focus et le pose-from-focus ont été pensées et intégrées pour aboutir à une station de micro-assemblage entièrement automatisée.

La force de diélectrophorèse (DEP) est utilisée pour manipuler, séparer et positionner différent types des particules (cellules, bactéries, nanotubes de carbone). Dans le but d'étudier et de simuler une loi de commande permettant le suivi de la trajectoire d'une particule soumise à la force DEP un modèle est nécessaire. Les méthodes utilisées pour simuler la force DEP sont généralement basées soit sur des simulateurs à éléments finis (FEM), soit sur des équations analytiques. Les simulateurs FEM ne permettent pas la variation des paramètres (tensions électriques) lors du calcul de la trajectoire et les équations analytiques sont limitées à des géométries simples des électrodes. Dans ce manuscrit, une méthode hybride basée sur les calculs FEM et analytique est proposée. Cette méthode permet de simuler la trajectoire d'une particule en utilisant des géométries complexes et en variant les tensions électriques lors de la simulation. Ce modèle est ensuite validé en le comparant à des relevés expérimentaux. Finalement, une loi de commande, basée sur la commande prédictive généralisée (GPC) est proposée dans le but de contrôler la trajectoire, en profitant de la grande dynamique du déplacement de la particule, et ce malgré les non-linéarités. Cette loi de commande a été validée par des résultats de simulations et une comparaison avec une loi de commande classique.

La tendance à la miniaturisation des produits n'est pas sans influence sur l'évolution de leurs moyens de production et d'assemblage. En effet, dû à la réduction d'échelle, l'assemblage de petits composants (appelé microassemblage) est perturbé par les forces de surface comme les forces de capillarité. Ces forces, exercées par le pont liquide reliant manipulateur et composant, sont habituellement négligeables (et négligées) dans l'assemblage conventionnel dominé par les forces de gravité. L'approche originale suivie dans ce travail consiste à tirer parti de ces effets et à les utiliser pour la manipulation de microcomposants, c'est-à-dire de composants dont la taille va de quelques dizaines de microns à quelques millimètres. Ce travail tente donc d'apporter quelques réponses aux problèmes de conception posés par un tel choix: quels sont les avantages d'une telle approche? Comment ces forces `fonctionnent-elles'? Sont-elles suffisamment grandes pour manipuler des microcomposants? Comment, dans ce cas, relâcher le composant? Quel rôle la tension de surface joue-t-elle? En quoi le choix des matériaux est-il important? Comment optimiser la conception du manipulateur? Tout au long de ce travail, le lecteur trouvera un inventaire des principes de manipulation existants, les éléments nécessaires à la modélisation des forces de capillarité, ainsi que la description de la simulation et du banc d'essai développés par l'auteur dans le but d'étudier ces paramètres de conception. Les résultats présentés dans cette thèse recouvrent essentiellement deux thèmes: quelles sont les règles de conception à suivre pour maximiser les forces de capillarité (problème de la préhension) et comment choisir une stratégie de relâche adéquate (problème de la relâche)?

La force de diélectrophorèse (DEP) est utilisée pour manipuler, séparer et positionner différent types des particules (cellules, bactéries, nanotubes de carbone). Dans le but d étudieret de simuler une loi de commande permettant le suivi de la trajectoire d une particule soumise à la force DEP un modèle est nécessaire. Les méthodes utilisées pour simuler la force DEP sont généralement basées soit sur des simulateurs à éléments finis (FEM), soit sur des équations analytiques. Les simulateurs FEM ne permettent pas la variation des paramètres (tensions électriques) lors du calcul de la trajectoire et les équations analytiques sont limitées à des géométries simples des électrodes. Dans ce manuscrit, une méthode hybride basée sur les calculs FEM et analytique est proposée. Cette méthode permet de simuler la trajectoire d une particule en utilisant des géométries complexes et en variant les tensions électriques lors de la simulation. Ce modèle est ensuite validé en le comparant à des relevés expérimentaux. Finalement, une loi de commande, basée sur la commande prédictive généralisée (GPC) est proposée dans le but de contrôler la trajectoire, en profitant de la grande dynamique du déplacement de la particule, et ce malgré les non-linéarités. Cette loi de commande a été validée par des résultats de simulations et une comparaison avec une loi de commande classique. / Micro and nano-particles can be trapped by a non uniform electric field through the effect of dielectrophoretic (DEP) principle. Dielectrophoresis is used to separate, manipulate and detect micro particles in several domains, such as in biological or Carbon Nano-Tubes (CNTs) manipulations. To study and simulate a vision based closed loop control law in order to control the trajectory of micro objects using DEP a numeric model is required. Current methods to simulate the trajectory of micro-particles under a DEP force field are based on finite element modeling (FEM) which requires new simulations when one of its parameters, like the electric voltage, is changed, or on analytic equations which is limited to very simple geometries. In the first section of this manuscript, we propose a hybrid method between analytic and numeric calculation able to simulate complex geometries and to easily change electrode voltage along the trajectory. This numeric model is, then, validated by comparing it with several experimental results. Finally, a control strategy based on the generalized predictive control method is proposed with the aim of controlling the trajectory, taking advantage of the high dynamics despite the non linearity. This control law has been validated by simulation and compared to classical control strategy.

La force de diélectrophorèse (DEP) est utilisée pour manipuler, séparer et positionner différent types des particules (cellules, bactéries, nanotubes de carbone). Dans le but d étudieret de simuler une loi de commande permettant le suivi de la trajectoire d une particule soumise à la force DEP un modèle est nécessaire. Les méthodes utilisées pour simuler la force DEP sont généralement basées soit sur des simulateurs à éléments finis (FEM), soit sur des équations analytiques. Les simulateurs FEM ne permettent pas la variation des paramètres (tensions électriques) lors du calcul de la trajectoire et les équations analytiques sont limitées à des géométries simples des électrodes. Dans ce manuscrit, une méthode hybride basée sur les calculs FEM et analytique est proposée. Cette méthode permet de simuler la trajectoire d une particule en utilisant des géométries complexes et en variant les tensions électriques lors de la simulation. Ce modèle est ensuite validé en le comparant à des relevés expérimentaux. Finalement, une loi de commande, basée sur la commande prédictive généralisée (GPC) est proposée dans le but de contrôler la trajectoire, en profitant de la grande dynamique du déplacement de la particule, et ce malgré les non-linéarités. Cette loi de commande a été validée par des résultats de simulations et une comparaison avec une loi de commande classique.

La combinaison de microscope photonique et de caméra est largement utilisée dans les applications de micro-assemblage. Cet instrument indispensable comporte cinq propriétés : un faible champ de vision, une faible profondeur de champ, une faible distance de travail, une forte dépendance à l'éclairage et un encombrement important. La conséquence directe de ces propriétés dans un contexte de micro-assemblage est l'utilisation de système de vision distribué composé d'imageurs de caractéristiques différentes et complémentaires qui ont un coût et un encombrement important. C'est pour cela que notre approche consiste a reconstruire certaines vues indispensables au contrôle de la station par des techniques de rendu d'images, limitant ainsi le nombre de vidéo microscopes photoniques réels dans la station. Pour cela, nous proposons d'utiliser deux techniques, la construction d'images mosaïques et le transfert trifocal. Avant toute chose le système de vision doit être calibré, nous présentons les étapes du calibrage stéréoscopique faible pour ce contexte de microscopie photonique ainsi que leurs améliorations par de nouveaux algorithmes. La construction d'images mosaïques est une technique qui permet de reconstruire une image complète d'une scène à partir d'un ensemble d'images représentant chacune une petite partie de cette scène. Après avoir présenté de nouveaux algorithmes en vue d'améliorer la construction de mosaïques nous l'utilisons pour la supervision de station de micromanipulation. Le transfert trifocal est une technique qui permet à partir d'un simple calibrage stéréoscopique faible de reconstruire une vue virtuelle à partir de seulement deux vues réelles sans le besoin d'information 3D explicite. Après un éclaircissement sur la théorie et la proposition de nouveaux algorithmes nous l'utilisons dans une boucle d'asservissement visuel de type look-and-move, pour contrôler le déplacement d'une micropince. La vue de côté virtuelle permettant le contrôle est reconstruite à partir des vues réelles provenant d'un stéréo microscope photonique.

Les tâches de saisie, de manipulation et d'assemblage d'objets de très<br />petites dimensions sont parmi les thèmes majeurs en micro-robotique. La<br />"micromanipulation" s'adresse d'une manière générale à la manipulation d'objets<br />de dimensions globalement comprises entre 1 micromètre et 1 mm et requiert une<br />résolution de positionnement en rapport avec ces dimensions. Le<br />micro-assemblage consiste à réaliser une séquence d'opérations élémentaires<br />conduisant à l'obtention de micro-composants constitués de différentes pièces.<br />La manipulation de chacune de ces pièces nécessite d'utiliser des effecteurs<br />dédiés, adaptés à leurs particularités (géométrie, dimensions, propriétés<br />mécaniques). Différents types d'outils doivent ainsi être utilisés<br />séquentiellement pour réaliser un micro-assemblage.<br /><br />Dans ce but, une station de micromanipulation a été réalisée. Elle est composée<br />d'une micropince montée sur un manipulateur à trois degrés de liberté. Un<br />système permettant de changer automatiquement l'extrémité de la micropince<br />(i.e. les outils) a plus particulièrement été étudié et réalisé. Il permet de<br />fixer alternativement les outils à l'actionneur de la micropince ou à un<br />magasin en utilisant une colle thermique. Celle-ci est liquéfiée par chauffage<br />ou solidifiée par refroidissement.<br /><br /><br />Ce système de changement d'outils apporte une flexibilité notablement accrue à<br />la station de micromanipulation et permet de réaliser des opérations de<br />micro-assemblage dans des espaces restreints comme par exemple la chambre d'un<br />microscope électronique à balayage. Un plan de travail compliant a également<br />été réalisé. Il permet de limiter les efforts en jeu pendant les opérations de<br />micromanipulation et d'améliorer ainsi le taux de réussite des opérations<br />délicates.

La thèse propose un concept de microbancs optiques reconfigurables (MOEMS 3D hybrides) à base d'éléments microfabriqués et assemblés à l'aide d'une station robotique : ces nouveaux bancs optiques combinent les avantages du micro-assemblage robotique et des techniques de microfabrication sur silicium. Le positionnement fin des supports optiques sur un substrat s'effectue par une tâche de guidage. La réalisation d'une telle tâche à l'échelle micrométrique est une contribution majeure de la thèse. Elle a nécessité plusieurs avancées. L'absence de modèles fiables et de mesures disponibles pour des contacts plan/plan, un type de contact très fréquent en micro-assemblage, nous a conduit au développement d'un banc de mesure robotisé pour évaluer la force de pull-off. Ensuite, un système robotique équipé de préhenseur à deux doigts de serrage instrumentés a été mis en oeuvre pour mesurer simultanément la force de serrage et la force de contact latéral qui agit sur le micro-objet manipulé durant le guidage. Un modèle de l'évolution de la force de serrage lors de l'apparition de la force de contact latéral est présenté et confronté à une modélisation par éléments finis ainsi qu'à des résultats expérimentaux. Enfin, une stratégie de guidage est établie en prenant en compte la stabilité de la saisie et les spécificités du micromonde. Une commande hybride force/position est choisie pour automatiser le guidage par deux doigts instrumentés (GDDI). Elle a été mise en oeuvre avec succès sur un système robotique.

L'alimentation en composants est un problème majeur dans la conception des systèmes de production et plus particulièrement d'assemblage. Un système d'alimentation doit garantir la position et l'orientation des composants qu'il fournit au système d'assemblage, quelle que soit la taille des composants. En revanche, le niveau de précision sera généralement d'autant plus important que les composants sont petits. Nos travaux ont été réalisés dans le contexte de l'alimentation en composants de taille millimétrique à microscopique avec des objectifs de modularité et de haute précision de positionnement. La première contribution de la thèse a consisté à élaborer une stratégie pour l'alimentation de haute précision en composants millimétriques pour une architecture ouverte, flexible et standardisée, proposée par un projet européen EUPASS (Evolvable Ultra Precision ASembly System). Un système standard a ainsi été développé. Il est modulaire, reconfigurable pour différents types de minicomposants et permet leur maintien micrométrique. Sur la base de ces travaux, nous avons étendu notre étude aux systèmes de micro-assemblage (microusine). L'objectif était de déplacer dans un plan des micro-objets jusqu'à une position donnée. L'idée retenue se fonde sur l'utilisation des vibrations pour entraîner ces micro-objets par inertie. Il a donc été nécessaire de caractériser les interactions entre la surface du système d'alimentation et la surface du micro-objet. Pour cela nous avons élaboré une méthode pour évaluer directement la force concernée qui est la force de friction. Le contrôle des vibrations du système a ensuite été conçu. Le pas de déplacement d'un micro-objet en fonction de ses caractéristiques est alors maîtrisé. Enfin, une boucle d'asservissement permet de contrôler le déplacement des micro-objets jusqu'à une position consigne.

Les systèmes micro mécatroniques intègrent dans un volume très réduit des fonctions de natures différentes (électrique, mécanique, thermique, magnétique ou encore optique). Ces systèmes sont des produits finaux ou sont dans des systèmes de taille macroscopique. La tendance à la miniaturisation et à la complexité des fonctions à réaliser conduit à des microsystème en trois dimensions et constitué´es de composants provenant de processus de (micro)fabrication parfois incompatibles. L’assemblage microbotique est une réponse aux challenges de leur réalisation. Pour assurer les opérations d’ assemblage avec des précisions et des résolutions élevées, des capteurs adaptés au micro monde et des outils particuliers de manipulation doivent être utilisés. Les éléments principaux constituants les systèmes de micromanipulation sont les micro-actionneurs.Ces derniers sont souvent faits à base de matériaux actifs parmi lesquels les matériaux Piézoélectriques . Les actionneurs piézoélectriques sont caractérisés par leur très haute résolution (souvent nanométrique), leur grande bande-passante (plus du kHz pour certains micro-actionneurs) et leur grande densité de force. Tout ceci en fait des actionneurs particulièrement intéressants pour le micro-assemblage et la micromanipulation. Cependant,ces actionneurs présentent, en plus de leur comportement non-linéaire, une forte dépendance à l’environnement et aux tâches considérées. De plus, ces tâches de micromanipulation et de micro-assemblage sont confrontées à un manque de capteurs précis et compatibles avec les dimensions du micromonde. Ceci engendre des incertitudes sur les paramètres du élaboré lors de l’identification. En présence du verrou technologique lié à la réalisation des capteurs et des propriétés complexes des actionneurs, il est difficile d’obtenir les performances de haut niveau requises pour réussir les tâches de micromanipulation et de micro-assemblage. C’est notamment la mise au point d’outils de commande convenables qui permet d’atteindre les niveaux de précision et de résolution nécessaires.Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce cadre. Afin de réussir les tâches de micromanipulation et de micro-assemblage, plusieurs méthodes de commande prenant en compte des incertitudes liées au modèle, comme les approches de commande robustes de type H-inf ont déjà utilisées pour commander les actionneurs piézoélectriques.L’un des inconvénients majeurs de ces méthodes est la dérivation de régulateurs d’ordre élevé qui sont coûteux en calcul et peuvent difficilement être embarqués dans les microsystèmes. Afin de prendre en compte les incertitudes paramétriques des modèles des Systèmes à commander, nous proposons une solution alternative basée sur l’utilisation du calcul par intervalles. Ces techniques du calcul par intervalles sont combinées avec les outils de l’automatique pour modéliser et commander les microsystèmes. Nous chercherons également à montrer que l’utilisation de ces techniques permet d’associer la robustesse et la simplicité des correcteurs dérivés / Micromechatronic systems integrate in a very small volume functions with differentnatures. The trend towards miniaturization and complexity of functions to achieve leadsto 3-dimensional microsystems. These 3-dimensional systems are formed by microroboticassembly of various microfabricated and incompatible components. To achieve theassembly operations with high accuracy and high resolution, adapted sensors for themicroworld and special tools for the manipulation are required. The microactuators arethe main elements that constitute the micromanipulation systems. These actuators areoften based on smart materials, in particular piezoelectric materials. The piezoelectricmaterials are characterized by their high resolution (nanometric), large bandwidth (morethan kHz) and high force density. This why the piezoelectric actuators are widely usedin the micromanipulation and microassembly tasks. However, the behavior of the piezoelectricactuators is non-linear and very sensitive to the environment. Moreover, thedeveloppment of the micromanipulation and the microassembly tasks is limited by thelack of precise and compatible sensors with the microworld dimensions. In the presenceof the difficulties related to the sensors realization and the complex characteristics ofthe actuators, it is difficult to obtain the required performances for the micromanipulationand the microassembly tasks. For that, it is necessary to develop a specific controlapproach that achieves the wanted accuracy and resolution.The works in this thesis deal with this problematic. In order to success the micromanipulationand the microassembly tasks, robust control approaches such as H∞ havealready been tested to control the piezoelectric actuators. However, the main drawbacksof these methods is the derivation of high order controllers. In the case of embedded microsystems,these high order controllers are time consuming which limit their embeddingpossibilities. To address this problem, we propose in our work an alternative solutionto model and control the microsystems by combining the interval techniques with theautomatic tools. We will also seek to show that the use of these techniques allows toderive robust and low-order controllers.