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.

Dans le domaine du développement d'outils de micromanipulation de haute précision pour le biomédical, les microrobots mobiles immergés font figures de technologie émergente prometteuse pour des applications in-vitro, puis à plus long terme pour l'in-vivo. Mes travaux portent sur l'étude de la propulsion de microrobots par voie magnétique dans des fluides circulant dans des microcanaux, à une échelle où les phénomènes d'adhérence et d'amortissement prévalent. Leur application pour des opérations de transduction est développée dans un deuxième volet.Un dispositif d'asservissement par vision à haute fréquence d’échantillonnage (~5kHz) a été développé rendant possible le contrôle sous champ magnétique uniforme ou gradient. Les performances du système ont notamment demandé l’implémentation d'une interface multi-tâches afin de pouvoir acquérir et traiter les images en parallèle de l'actuation du robot. L'analyse de la dynamique permet de mieux appréhender les phénomènes parfois imprévisibles liés au déplacement du robot, MagPol, intégré dans une puce microfluidique. Il peut réciproquement servir de capteur dans son environnement fluidique.Ce design original de robot a été conçu pour la micromanipulation et permet également d'explorer des nouvelles stratégies de déplacement. Ces capacités ont été éprouvées sur des objets de même taille qu'en biologie cellulaire (billes, bulles).Enfin, une démonstration de l'asservissement visuel en planification de tâche a été effectuée. Sous réserve de posséder un algorithme suffisamment performant, l'échantillonnage haute fréquence en temps réel devient possible et l'observation de performances sur des trajectoires complexes est démontrée. Les performances, la portabilité et la reproductibilité du système démontrent des capacités de transduction à haut débit qui sont très prometteuses pour l'aspect applicatif. / In the research for new high performances tool for micrometric scale manipulation, mobile microrobots immersed are considered as a promising technology for in-vitro applications, and with a long term view in-vivo. My work focuses on the propulsion study of mobile microrobots immersed in microfluidic channels controlled through electromagnets. At this scale, surface and damping phenomena predominates. Application for transduction operation is developed in a second part.A high sampling rate (≈5kHz) visual servoing setup have been developed making a control possible through uniform and gradient magnetic field. Performances of the system have notably required a multi-thread programmed user interface to acquire and analyze the frame in parallel of the robot actuation. Dynamic analysis allow to better apprehend the perturbation dynamics of the robot MagPol, integrated in a microfluidic chip. It can reciprocally serve as a sensor for in fluidic environment.MagPol design has been originally conceived for micromanipulation, and also allows to explore new displacement strategies. Its capacities have been tested on beads and bubbles equivalent to cell biology characteristic size (10µm – 100µm).Finally, a demonstration of planned trajectory using visual servoing was accomplished. Though it has required an algorithm sufficiently efficient, high frequency real-time sampling is possible and lead to control and post observation on complex trajectory. Global performances, repeatability and portability of our system has demonstrated its capacities as a high-throughput transducer, promising for single microagent applications.

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.

En microrobotique, la mesure de micro et nano force figure parmi les informations nécessaires pour caractériser les interactions mécaniques présentes à l'échelle micrométrique. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de mesure micro et nano force reposant sur un principe de flottaison-magnétique. L'organe sensible du capteur est une plate-forme macroscopique rectangulaire sur laquelle s'appliquent les forces et couples à mesurer. La sustentation et le maintien de la plate-forme sont assurés par le biais de forces magnétiques et de la poussée d'Archimède appliquée à quatre flotteurs placés à ses coins. La plate-forme est conçue pour mesurer uniquement des forces dan le plan horizontal ainsi que le couple vertical associé. L'étendue de mesure des forces varie entre -100 et +100 micronN avec une résolution de l'ordre du nanoNewton. elle travaille en mode actif grâce à un asservissement autour de sa configuration d'équilibre (établie en absence d'efforts à mesurer). La nature des efforts de rappel utilisés pour la mise en oeuvre de l'asservissement est électromagnétique. Les modèles magnétique et électromagnétique développés permettent alors de déterminer les forces qui s'appliquent au centre de gravité de la plate-forme par le biais de la connaissance de la configuration spatiale de cette dernière et des courants dans les bobines de commande. En termes d'application, cette plate-forme peut être utilisée dans le cadre de la caractérisation des micro-objets déformables (micromécanismes, cellules, etc...) et des microsurfaces.

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.

Nous présentons dans cette thèse les différentes étapes de conception d'une plateforme microrobotique dédiée au positionnement sous faisceau de lumière d'objets de dimensions micrométriques. Cette plateforme a pour vocation de mettre en oeuvre des méthodologies d'asservissement et de suivi de position de micro-objets placés au coeur même d'un faisceau de lumière. L'objectif final étant de caractériser des micro/nano-matériaux par diffraction et diffusion des rayons X. Les différentes contraintes technologiques rencontrées par les systèmes de micro-nanomanipulation actuels en environnement synchrotron nous ont amené à concevoir une plateforme microrobotique de manipulation duale utilisant des sondes de microscope à force atomique (AFM). Diverses méthodologies de préhension avec une ou deux sondes AFM avec capteur de force intégré - ont été proposées en vue d'évaluer chacune d'entre-elles dans un contexte de positionnement tridimensionnel. Une stratégie de commande des micromanipulateurs à double étage est mise en oeuvre pour assurer l'asservissement de position des sondes AFM lors des tâches d’approche et de transport du micro-échantillon sous test. Afin d’augmenter la robustesse de positionnement vis-à-vis des erreurs de modélisation, des perturbations extérieures et des bruits de mesure, nous avons proposé une commande robuste de type H∞, avec optimisation des paramètres de pondération à partir d’algorithmes génétiques. De plus, les erreurs aléatoires d’alignement du faisceau de lumière avec l’objet sont corrigées en temps-réel par l’utilisation d’estimateurs de position (filtres de Kalman et particulaire). Finalement, des tâches microrobotiques automatisées de micro-préhension, de transport et de positionnement de microobjets sphériques de 8 μm de diamètre placés sous faisceau de lumière laser ont été réalisées avec succès. Le « benchmark » proposé est en cours de transfert au sein du European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble pour validation sous faisceau de rayons X. / We present in this thesis the various stages in the design of a microrobotics platform dedicated to the manipulation of micro/nano objects in a synchrotron environment. It is composed of dual micro/nano manipulators in order to handle and to maintain a micro/nano-sample through the focus of a X-ray or laser beam for material characterization and analysis. The main idea is to control and to drive in a robust way the micro/nanomanipulators by focusing the beam on the center part of the handled micro-object. A microgripper based on two Atomic Force Microscope (AFM) tips with integrated piezoresistive force sensors is proposed. First, the dual manipulators are controlled cooperatively by combining the different actuator dynamics to track a laser beam with nanometer precision. A robust control strategy based on H∞ control ensures a robust microhandling task under the focus of the laser beam whatever the external perturbations involved and parametric model uncertainties. The Genetic Algorithm (GA) approach is used to compute the parameter weighting functions in to obtain an optimal H∞ controller. Then, we propose to compensate the laser beam variations (thermal drift, mechanical variations) by estimating the position of the laser beam using stochastic estimators (Kalman and particle filters). To this aim, the maximum intensity of the laser beam is measured and tracked in real-time by a four-quadrant photodiode sensor. Finally, experimental results performed of micro-spheres (diameter: 8 μm) demonstrate the robustness of the robotic microhandling tasks using the proposed control scheme strategy.

La microrobotique est un domaine de recherche en croissance rapide et les microsystèmes sont très demandés par un large éventail de notre vie. Aujourd’hui, des solutions d'automatisation massive sont déjà disponibles pour la production en série des microsystèmes, tandis que la production de petites quantités s'appuie principalement sur des processus manuels en l'absence de système de micro-manipulation flexible. Un processus manuel impose des contraintes à la productivité et la précision, ce qui accroît les difficultés pour les petites et moyennes entreprises à conquérir leur place sur le marché international. Dans ce contexte, la société pionnière pour la microrobotique Percipio Robotics a proposé une plate-forme cobotique Chronogrip, qui vise à gérer la micro-manipulation flexible. Toutefois, la solution n'est pas encore complète et il y a trois principaux défis à résoudre :• la dynamique de l'actionneur piézo-électrique stick-slip n'est pas entièrement comprise, ce qui retarde le développement des stratégies de suivi de trajectoire;• les interfaces haptiques ont peu de bande passante en raison des propriétés mécaniques, par conséquent il n'y a aucune option disponible qui soit capable de reproduire des informations haptiques de haute dynamique depuis le micromonde;• pour la micro-manipulation à la pince dans l'horlogerie, aucune interface haptique existante n'est en mesure d'assurer un fonctionnement intuitif et efficace.L’objectif de la thèse consiste à répondre à ces trois défis. La première partie de la thèse est consacrée à l'élaboration d'un modèle dynamique non linéaire de l'actionneur piézo-électrique stick-slip. Le résultat montre qu'il est le premier modèle dynamique qui puisse décrire la dynamique de l'actionneur dans des domaines temporels et fréquentiels, pour les fonctionnements en sous-pas et en grand déplacement, et à la fois pour les directions vers l'avant et l’arrière. La deuxième partie de la thèse est consacrée à développer une méthode pour étendre la bande passante d’une interface haptique en double étage en utilisant la technique de signal crossover. Le résultat montre que la bande passante est uniformément étendue à 1 kHz, ce qui rend possible la reproduction des phénomènes de haute dynamique depuis le micromonde. La troisième partie de la thèse vise à concevoir une interface haptique intuitive dédiée aux opérations d’horlogerie à la pince. Le design est également compatible avec l'utilisation conventionnelle d’une pince. Il est prévu d'intégrer tous les résultats de ces trois sujets de recherches dans la plate-forme de cobotique Chronogrip afin d’améliorer la productivité et l'efficacité de la micro-manipulation. / Microrobotics is a fast growing field of research and microsystems are in high demand from across a wide spectrum of our life. Nowadays, mass automation solutions are already available for large batch production of microsystems, while small batch production mainly relies on handmade processes due to the lack of flexible micro-manipulation system. Handmade processes have limited productivity and accuracy, which makes it more and more difficult for small and medium-sized enterprises to conquer their place on the international market. Under such circumstances, pioneer microrobotics company Percipio Robotics has proposed a desktop cobotic platform, Chronogrip, which aims to handle flexible micro-manipulation. However, the solution is not yet complete and there are three main challenges to resolve:• the dynamics of the piezoelectric stick-slip actuator is not fully understood, which delays the development of trajectory tracking strategies;• existing haptic interfaces have limited bandwidth due to their mechanical properties, consequently there is no available option that is able to render high dynamic haptic information from the microworld;• for tweezers-based micro-manipulation in watchmaking process, no existing haptic interface is able to provide intuitive and effective operation.The objective of thesis is to address these three issues. The first part of the thesis is dedicated to the development of nonlinear dynamic model of the piezoelectric stick-slip actuator. The result shows that it is the first dynamic model which can describe the actuator dynamics in time and frequency domain, for stepping and scanning mode, and for both forward and backward motion. The second part of the thesis is devoted to develop a method to extend the bandwidth of dual-stage haptic interface by using the signal crossover technique. The result shows that the bandwidth is uniformly extended to 1 kHz, which makes it possible to reproduce high dynamic phenomena from the microworld. The third part of the thesis aims to design an intuitive haptic interface for tweezers-based watchmaking operations. The design is also compatible with conventional tweezers-based usage. It is expected to integrate all of the three research results into the cobotic platform Chronogrip to enhance the productivity and effectiveness of micro-manipulation.

En microrobotique, la commande des systèmes est délicate car les phénomènes physiques liés à l'échelle microscopique sont complexes. Les méthodes dites d'apprentissage par renforcement constituent une approche intéressante car elles permettent d'établir une stratégie de commande sans connaissance \emph(a priori) sur le système. Au vu des grandes dimensions des espaces d'états des systèmes étudiés, nous avons développé une approche parallèle qui s'inspire à la fois des architectures comportementales et de l'apprentissage par renforcement. Cette architecture, basée sur la parallélisation de l'algorithme du Q-Learning, permet de réduire la complexité du système et d'accélérer l'apprentissage. Sur une application simple de labyrinthe, les résultats obtenus sont bons mais le temps d'apprentissage est trop long pour envisager la commande d'un système réel. Le Q-Learning a alors été remplacé par l'algorithme du Dyna-Q que nous avons adapté à la commande de systèmes non déterministes en ajoutant un historique des dernières transitions. Cette architecture, baptisée Dyna-Q parallèle, permet non seulement d'améliorer la vitesse de convergence, mais aussi de trouver de meilleures stratégies de contrôle. Les expérimentations sur le système de manipulation montrent que l'apprentissage est alors possible en temps réel et sans utiliser de simulation. La fonction de coordination des comportements est efficace si les obstacles sont relativement éloignés les uns des autres. Si ce n'est pas le cas, cette fonction peut créer des maxima locaux qui entraînent temporairement le système dans un cycle. Nous avons donc élaboré une autre fonction de coordination qui synthétise un modèle plus global du système à partir du modèle de transition construit par le Dyna-Q. Cette nouvelle fonction de coordination permet de sortir très efficacement des maxima locaux à condition que la fonction de mise en correspondance utilisée par l'architecture soit robuste.

En microrobotique, l'interaction directe avec les objets par l'opérateur est impossible, en raison notamment de leur taille, des phénomènes physiques complexes et de la grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. Les systèmes de téléopération apparaissent comme un moyen prometteur pour interagir avec l'échelle microscopique où la perception sensorielle humaine a dépassé ses limites. Cependant, ces systèmes doivent répondre à deux problématiques importantes: la transparence du fait des phénomènes physiques complexes qui doivent être retransmis et la stabilité du fait de la réduction d'échelle. Bien que les travaux actuels aient donné lieu à des systèmes performants, des insuffisances apparaissent notamment par la prise en compte de la spécificité du couplage haptique, de la mesure de microforces, de l'inertie importante des interfaces haptiques utilisées, etc. Pour obtenir des systèmes complets et intuitifs, plusieurs points doivent être abordés : le choix d'une interface haptique adaptée, le développement d'un nouvel outil de mesure de microforces, la synthèse de loi de commande et l'utilisation d'un couplage bilatéral direct. Une chaîne de micro téléopération est conçu en prenant en compte les points précédents. Des téléopérations mono-dimensionnelles ont pu être menées pour valider la chaîne. Plusieurs utilisateurs inexpérimentés ont réussi à utiliser le système pour interagir avec une goutte d'eau. Ils ont pu ressentir les différents efforts d'interaction, notamment le pull-in et le pull-off. Ce travail n'est qu'un premier pas vers des systèmes de micro téléopération intuitifs. Il montre aussi l'intérêt de l'approche proposée en microrobotique.

Le Dynamic Vision Sensor (DVS) est un prototype de la rétine silicium qui n'enregistre que des changements de contraste de la scène sous la forme de flux d'événements, excluant donc naturellement les niveaux de gris absolus redondants. Dans ce contexte, de nombreux algorithmes de vision asynchrones à grande vitesse basées sur l'événement ont été développés et leurs avantages par rapport aux méthodes de traitement traditionnel basé sur l'image ont été comparés. En retour haptique pour la micromanipulation, la vision est un candidat qualifié pour l'estimation de la force si le modèle position-force est bien établi. La fréquence d'échantillonnage doit toutefois atteindre 1 kHz pour permettre une sensation tactile transparente et fiable et assurer la stabilité du système. La vision basée sur l'événement a donc été appliquée pour fournir le retour d'effort nécessaire sur deux applications de micromanipulation: Le retour haptique sur la pince optique; Assistance virtuelle haptique sur micro-outil mécanique. Les résultats montrent que l'exigence de fréquence haptique de 1 kHz a été réalisée avec succès. Pour la première application, les algorithmes de détection de la position d'une microsphère à haute vitesse ont été développés. Un système de retour haptique tridimensionnel capable de manipuler plusieurs pièges optiques a été réalisé. Dans la deuxième application, un nouvel algorithme d'enregistrement de forme basé sur l'événement capable de suivre objet de forme arbitraire a été développé pour suivre une micropince piézoélectrique. La stabilité du système a été considérablement renforcée pour aider les opérateurs à effectuer des tâches de micromanipulation complexes.