Systèmes de micro-convoyage tridimensionnel pour la micro-usine – ALVEO

Le programme de travail du projet ALVEO se décompose en trois phases successives. La première phase du projet consiste à développer un micro-actionneur numérique élémentaire 2D basé sur une architecture hexagonale disposant de six positions discrètes. Un modèle de comportement multiphysique (magnétique – électromagnétique – mécanique) de l’actionneur sera développé et utilisé lors de la phase de conception et de dimensionnement. Un démonstrateur du micro-actionneur 2D sera enfin réalisé à l’aide de techniques de micro-fabrication et ses performances seront caractérisées. Un modèle de comportement d’un réseau de micro-actionneurs numériques 2D sera également développé au cours de la première phase et sera utilisé pour développer et simuler des stratégies de pilotage permettant de définir le parcours optimisé de l’objet convoyé et les mouvements correspondants pour les micro-actionneurs. Ces stratégies de pilotage prendront en compte, d’une part, la possibilité de combiner les actions élémentaires, issues chacune d’un micro-actionneur, afin de réaliser des actions complexes, et d’autre part, le déplacement optimal de l’objet convoyé obtenu par accumulation de pas. La deuxième phase du projet porte sur le développement d’un micro-actionneur à architecture hexagonale à laquelle un axe de déplacement supplémentaire vertical sera ajouté. Le modèle de comportement multiphysique développé lors de la première phase du projet sera adapté afin de prendre en compte cet axe de déplacement supplémentaire. La deuxième phase du projet aboutira à la réalisation d’un démonstrateur de ce micro-actionneur 3D réalisé par micro-fabrication et dont les performances seront également qualifiées. La troisième phase du projet consiste en la réalisation de trois objectifs : la mise en réseau de micro-actionneurs numériques 3D, le développement de stratégies de pilotage couplées à des algorithmes d’optimisation et la validation de l’application de micro-convoyage tridimensionnel.

Les travaux menés dans le projet ALVEO ont permis d’aboutir à un système de micro-convoyage capable de générer des tâches de micro-convoyage dans le plan sur deux niveaux. Pour aboutir à ce résultat, des modèles permettant de simuler les différents phénomènes physiques présents au sein des systèmes étudiés (efforts magnétiques et électromagnétiques générés, phénomènes de frottement et de rebond, etc.) ont tout d’abord été élaborés. Ces modèles ont ensuite été utilisés pour dimensionner plusieurs prototypes de systèmes de micro-convoyage qui ont été réalisés à l’aide de technologies silicium afin de minimiser les erreurs de fabrication. Ces prototypes ont mis en œuvre des architectures de complexité croissante : tout d’abord carrée puis hexagonale, initialement 2D puis 3D afin d’aboutir à un système permettant un micro-convoyage tridimensionnel d’objets. Les performances de ces différents prototypes ont ensuite été caractérisées telles que la vitesse de convoyage, la masse transportable, l’erreur de trajectoire, etc. Les travaux ont également conduit à l’élaboration de stratégies de convoyage dédiées en déterminant la meilleure trajectoire à suivre pour un déplacement donné ainsi que les signaux de pilotage des micro-actionneurs permettant de l’obtenir. Ces stratégies reposent sur les outils de modélisation et ont été mises en œuvre et validées expérimentalement à l’aide des prototypes développés durant le projet.

Les perspectives au projet ALVEO s'orientent selon deux grands axes. Le premier concerne la mise en application des convoyeurs et des stratégies de pilotage développés dans le cadre du projet pour un système de production en conditions réelles en prenant en compte les spécificités de celui-ci. Les travaux réalisés avaient pour objectif d'aboutir à un système flexible et l'application de celui-ci sur une application réelle de micro-convoyage constitue donc une perspective directe d'application des travaux. Le second axe de perspective porte sur l'amélioration des performances du système de micro-convoyage. Cette amélioration pourra se faire selon deux points principaux. Les travaux réalisés dans le cadre du projet ALVEO ont consisté à développer un système capable de réaliser des tâches de micro-convoyage sur deux niveaux. Une première perspective consisterait à développer un système capable de réaliser des tâches de convoyage sur un grand nombre de niveaux ce qui permettra d'envisager réellement des micro-usines organisées dans le volume et non dans le plan. La seconde perspective consiste à développer un système de micro-convoyage modulaire composé de modules élémentaires, comprenant chacun des micro-actionneurs numériques, pouvant être assemblés afin d'obtenir une surface de convoyage adaptée à la trajectoire souhaitée.

Duque Tisnes, S.; et al. Trajectory and conveyance validation of a micro conveyor based on a digital electromagnetic actuators array for the micro-factory. Applied Sciences, Micro Robotics Special Issue. 2021, 11(24).

Deshmukh, A.; et al. Planar micro-positioning device based on a 3D digital electromagnetic actuator. Actuators. 2021, 10(12), 310.

Duque Tisnes, S.; et al. Modeling and experimental validation of a planar micro conveyor based on a 2 x 2 array of digital electromagnetic actuators. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2021, 26(3), 1422-1432.

Deshmukh, A.; et al. A Novel 3-D Electromagnetic Digital Actuator with 12 Discrete Positions. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2018, 23(4), 1653-1661.

Le projet ALVEO s’inscrit dans l’Axe 2 (Usine du futur – Système, produit, process) du Défi 3 (Stimuler le renouveau industriel) du plan d’action 2015 de l’ANR. Les travaux proposés s’insèrent dans le contexte de la micro-usine qui est particulièrement adaptée à la production d’objets miniatures en petite et moyenne séries et qui dispose d’un haut niveau de flexibilité et de reconfigurabilité. De nombreux travaux sont actuellement menés sur ce concept et portent principalement sur le développement de systèmes de micro-positionnement ou de micro-préhension mais peu d’études sont réalisées sur les systèmes permettant de réaliser du micro-convoyage au sein de tels systèmes. L’objectif du projet ALVEO consiste à développer des systèmes permettant de réaliser des tâches de micro-convoyage tridimensionnelles complexes en contexte de micro-usine. Le système de convoyage proposé intègre une plateforme physique, composée d’un réseau de micro-actionneurs numériques, et des stratégies de pilotage assurant un fonctionnement optimal. Les actionneurs numériques, sur lesquels repose la plateforme, disposent d’une architecture simple, composée de positions discrètes entre lesquelles la partie mobile de l’actionneur peut se déplacer. Toutes positions intermédiaires ne constituent que des états transitoires ne pouvant être conservés dans un fonctionnement normal. Les actionneurs numériques ne nécessitent donc qu’une commande minimaliste basée sur des impulsions d’énergie nécessaires uniquement lors d’un changement d’état, ceci ayant pour effet de limiter la consommation d’énergie, enjeu majeur au regard du plan d’action 2015 de l’ANR. Les actionneurs numériques possèdent également l’avantage de disposer d’un maintien en position discrète de la partie mobile et ce sans apport d’énergie. De plus, étant donné que les positions discrètes sont précisément définies lors de la fabrication, la commande minimaliste ne nécessite aucun capteur pour commander chaque actionneur numérique de façon répétable, contrairement à des systèmes plus classiques, ce qui facilite leur intégration dans des systèmes compacts ou fortement intégrés. Dans le cadre du projet ALVEO, une architecture originale de micro-actionneur capable de réaliser des déplacements tridimensionnels est proposée ce qui permettra d’atteindre un grand nombre de positions discrètes (12 positions). Des démonstrateurs, de complexité croissante, seront développés ce qui permettra d’aboutir à un réseau de micro-actionneurs numériques tridimensionnels à architecture hexagonale. Avec un tel réseau, des actions complexes pourront être générées par combinaison d’actions élémentaires simples, chacune réalisée par un micro-actionneur. Une application de type convoyage tridimensionnel en contexte de micro-usine est visée pour ce démonstrateur. Chaque micro-actionneur du réseau pourra être piloté de manière indépendante assurant ainsi un haut niveau de flexibilité et de reconfigurabilité au système de micro-convoyage, caractéristiques essentielles en contexte de micro-usine. Des stratégies de pilotage seront également développées au cours du projet afin de rechercher le trajet optimal pour l’objet convoyé et de déterminer les déplacements correspondants pour chaque micro-actionneur constitutif du réseau. Les développements et travaux réalisés dans le cadre du projet ALVEO seront menés selon trois phases successives. La première phase visera à démontrer la faisabilité d’un micro-actionneur planaire à six positions discrètes. En seconde phase, un micro-actionneur basé sur une architecture tridimensionnelle et disposant de douze positions discrètes sera développé et caractérisé. Lors de la troisième phase, les travaux se focaliseront sur le développement d’un réseau de micro-actionneurs tridimensionnels à douze positions discrètes, sur la définition de stratégies de pilotage adaptées et enfin sur la validation de l’application au micro-convoyage en contexte de micro-usine.