La micromanipulation constitue l'une des fonctions principales de la microrobotique. Elle concerne la manipulation d'objets dont la taille est comprise globalement entre 1 µm et 1 mm. La maîtrise de la manipulation d'objets à ces dimensions représente des enjeux stratégiques et économiques majeurs. La conception et la réalisation de micromanipulateurs se heurtent à un grand nombre de difficultés liées d'une part aux problèmes de fabrication et d'autre part à la complexité des interactions qui se produisent dans le micromonde. Le travail mené dans le cadre de cette étude concerne la conception et la réalisation d'un système de micromanipulation constitué d'une micropince à actionneurs piézoélectriques et d'un micropositionneur utilisant des fils en alliage à mémoire de forme (AMF). La micropince, pour laquelle un modèle physique du comportement dynamique à été développé, est caractérisée par une résolution de positionnement de chaque doigt meilleure que 10 nm, largement compatible avec l'exécution de tâches dans le micromonde. Elle permet également la mesure ou l'estimation des forces exercées sur les objets manipulés. Cette propriété est particulièrement intéressante lorsqu'il s'agit de saisir des micro-objets fragiles (organismes biologiques, microcomposants optiques, électroniques...). Le micropositionneur réalisé est constitué d'une table de micropositionnement et d'un bras portant la micropince. Un microobjet peut être déplacé dans un volume de 6 mm3 avec une résolution de 1 µm. Plusieurs essais de micromanipulation ont été réalisés avec succès. Le système conçu est caractérisé par une grande simplicité de réalisation et par un coût extrêmement bas ce qui permet d'envisager son utilisation dans des applications industrielles et biomédicales.

La "micromanipulation", c'est-à-dire la saisie, le maintien, le déplacement, l'orientation et la dépose de dimensions globalement comprises entre 1 micron et 1 mm concerne de plus en plus de secteurs d'activité tels que l'assemblage de pièces micromécaniques rigides (microroues dentées, microlentilles optiques, circuits hybrides, etc...) ou la manipulation d'éléments biologiques pour la médecine ou les biotechnologies (micro-organismes, cellules, etc...). Les travaux présentés dans ce mémoire ont permis d'aboutir à la mise au point d'une nouvelle micropince à deux doigts de serrage, chacun étant capable de se mouvoir indépendamment dans deux directions perpendiculaires, offrant ainsi quatre degrés de liberté articulaires à la pince. En plus de l'ouverture/fermeture des doigts de la pince, ces mobilités autorisent notamment le centrage et l'orientation des objets entre les mors. Le principe d'actionnement d'un doigt repose sur un actionneur de type poutre piézoélectrique à électrodes répartie, appelé duo-bimorphe, pour lequel un modèle statique de comportement a été établi. Les micropinces développées présentent des courses d'ouverture/fermeture et de montée/descente de, respectivement, 320 microns et 400 microns pour 100 V et des forces de blocage d'environ 55 mN en serrage et 10 mN en montée/descente pour 100 V. Ce mémoire rapporte plusieurs expérimentations dont l'assemblage potentiel d'un pignon de montre, la micromanipulation de cubes de 300 microns de côté sous une binoculaire ou d'objets sphériques de 200 microns de diamètre dans un microscope électronique à balayage. Afin de commander cette micropince, et plus généralement les actionneurs piézoélectriques, une nouvelle commande est proposée permettant un contrôle fin en boucle ouverte des déplacements de l'actionneur. Elle est fondée sur la juxtaposition d'une commande à charge électrique constante et une commande à tension constante. Une réduction de l'hystérésis d'un facteur dix est ainsi obtenue.

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.

Ce travail propose l’utilisation d’un nouveau matériau, appelé PMN-PT, qui continue aider la miniaturisation des systèmes complexes, utilisés dans des différentes technologies. Le travail est présenté dans le cadre de collaboration entre deux projets, MIOP et ADMAN. Les besoins tient compte que les actionneurs soient capables de délivrer de haute déplacement tout en conservant la simplicité et la fiabilité du système. L’accent est mis sur la polyvalence de ce matériau piézo-électrique, PMN-PT, en raison de ses propriétés électro-mécanique. Le travail comprend un aperçu sur quoi influence les propriétés électro-mécaniques du PMN-PT. L’accent est mis sur deux différentes, mais très puissants coupes: anisotrope [011] et longitudinale [001], choisi pour grand déplacement et haute dynamique avec un volume petit. Pour le PMN-PT[001], une structure de type poutre a été étudié, avec un modèle amélioré pour prendre en compte les spécificités de matériel. Les déplacements et forces ont été trouvés d’ être supérieur `a un actionneur en PZT, similairement dimensionnée, tandis que avoir des non-linéarités réduites. Ceci est illustré avec une micro pince avec 6DDL. L’étude de PMN-PT [001] coupé longitudinal suit. Cette étude a été fait en utilisant PMNPT comme un actionneur avec une structure simple, facile à intégrer. Les résultats démontrent les améliorations PMN-PT peut apporter à micro-spectrométrie et la correction d’image avec des micromiroirmobiles. Un micro actionneur PMN-PT a été intégré dans une structure compatible avec des MOEMS et présenté. / This work proposes the use of a novel material, called PMN-PT, that futher aids the miniaturizationof complex systems used in different technologies. The work is presented within the collaborativeframework of two projects, MIOP and ADMAN. The end-needs account for actuators capable ofdelivering high displacement, while maintaining system simplicity and reliability. The focus is onthe versatility of the PMN-PT piezoelectric material, due to its electro-mechanical properties. Thework includes an overview on what influences the electro-mechanical properties focusing on twodifferent, though very potent cuts: anisotropic [011] and longitudinal [001]. They were chosen forgenerating large displacement and high dynamics with small volume. For PMN-PT[001] a cantileverstructure was studied, for which the model was improved taking into account the material specificities.Displacements and forces were found to be superior to a similarly dimensioned PZT actuator, whilsthaving reduced non-linearities. This is exemplified with a 6 DoF capable microgripper. The PMNPT[001] longitudinal cut based actuator study follows. This is done by using PMN-PT as a simple,easy to integrate, bulk actuator. The findings demonstrate the improvements PMN-PT can bringto micro-spectrometry and image correction with micro-mirror displacement. A bulk PMN-PT microactuator was integrated into a MOEMS compatible structure and presented.

Lorsqu'on applique une réduction d'échelle aux systèmes mécatroniques habituellement rencontr és dans le macromonde, la miniaturisation n'est possible que si elle est accompagnée d'une intégration fonctionnelle de ces systèmes. Cette tendance générale pousse les microsystèmes à posséder une densité fonctionnelle de plus en plus importante, qui les fait converger progressivement vers le concept d'adaptronique. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode de synthèse optimale de structures flexibles monolithiques, pour permettre la conception d'actionneurs intégrés. Notre méthode de synthèse est basée sur l'agencement optimal de blocs flexibles élémentaires grâce à un algorithme génétique multi-critères. Ces blocs flexibles sont de type treillis de poutres et décrits par une méthode aux éléments finis. Ils peuvent être passifs ou rendus actifs par effet piézoélectrique inverse, permettant ainsi l'intégration de la fonction d'actionnement au sein même de la structure du mécanisme. En outre, une représentation dynamique du comportement entrée(s)-sortie(s) de ces mécanismes flexibles permet la prise en compte dans la méthode d'optimisation, dès la phase amont de conception, de nouvelles spécifications permettant de garantir certaines performances lors de la commande ultérieure des systèmes ainsi synthétisés. Enfin, un prototype de micropince piézoélectrique monolithique est conçu de manière optimale grâce à l'outil logiciel développé : les tests expérimentaux effectués permettent de valider la démarche de conception mécatronique dans son ensemble, depuis l'étape amont de l'étude complète de sa topologie, jusqu'à l'étape finale de sa commande robuste en boucle fermée.