Modélisation, Conception et Commande de Robots Miniatures Souples – MiniSoRo

L'approche proposée dans MiniSoRo est le développement de méthodes originales pour concevoir, modéliser et contrôler des robots parallèles miniaturisés composés d'éléments rigides et flexibles à grandes déformations, ainsi que le développement de nouvelles méthodes pour les contrôler.
La cinématique parallèle sera adoptée pour pouvoir miniaturiser les structures des robots et placer tous les actionneurs à la base du robot. Le résultat sera une structure légère pouvant atteindre des vitesses élevées. De nouvelles architectures cinématiques parallèles seront adoptées pour intégrer la préhension en tant que mobilité interne du robot, qui sera également actionnée depuis la base du robot.
Des articulations souples en polymère ou des éléments flexibles métalliques (robot continu) seront utilisés dans les mécanismes parallèles au lieu des articulations mécaniques classiques afin : i) d'éliminer les défauts mécaniques tels que les jeux et les frottements ; ii) de développer des mécanismes très compacts et ; iii) de couvrir un grand espace de travail en translation et en rotation.
MiniSoRo utilisera des techniques de microfabrication en salle blanche associées à des actionneurs piézoélectriques compacts et instrumentés et à large bande passante. Les éléments déformables seront probablement en PDMS comme articulations souples ou des tubes de Nitinol comme jambes flexibles du robot.

MiniSoRo développera des méthodes de modélisation, de conception et de contrôle de robots parallèles déformables miniaturisés avec une plateforme configurable, ainsi que des méthodes pour les fabriquer.
Le robot miniaturisé intégré aura des performances exceptionnelles par rapport à l'état de l'art. En plus de ses degrés de liberté (DoF), les robots proposés seront capables de saisir et de manipuler des micro/nano-objets dans l'espace 3D (translations et rotations) grâce à une plateforme configurable. Des éléments flexibles ou des articulations souples seront utilisés pour augmenter l'amplitude de mouvement du robot et éliminer le jeu. En outre, tous les capteurs et actionneurs seront intégrés, ce qui produira un robot très compact, capable d'atteindre des vitesses et des précisions très élevés et d'effectuer de grands déplacements en translation et en rotation par rapport aux microrobots existants.
Un tel robot miniaturisé devrait être le seul robot au monde à combiner de telles performances (compacité, précision et vitesse) et à améliorer plusieurs critères de performance à la fois.
Les contributions technologiques sont : i) le développement de technologies et de procédés pour la fabrication et l'intégration d'éléments souples dans des structures submillimétriques et micrométriques et ; ii) l'intégration de capteurs (jauges de contraintes par exemple) pour mesurer les positions et les couples à la base du robot et d'actionneurs (piézoélectriques) dans les structures robotiques.

Les caractéristiques et les performances attendues du robot sont les suivantes : empreinte ~1cm2 ; vitesse ~10 opérations/s et précision en translation < 1µm (pour une plage de translation > 200µm). Un tel robot sera le micro/nano-manipulateur le plus compact, le plus précis et le plus rapide au monde.

Related publications and patents:
International Journals:
W. Haouas, R. Dahmouche, N. Le Fort-Piat, and G. J. Laurent, “A New Seven Degrees-of-Freedom Parallel Robot With a Foldable Platform,” J. Mech. Robot., vol. 10, no. 4, p. 045001, 2018.
W. Haouas, R. Dahmouche, J. Agnus, N. Le Fort-Piat, and G. J. Laurent, “New integrated silicon-PDMS process for compliant micro-mechanisms,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 27, no. 12, p. 127001, Dec. 2017.
International conferences:
W. Haouas, R. Dahmouche, and G. J. Laurent, “Analysis of an Integrated 4-DoF Parallel Wrist for Dexterous Gripping,” in 2018 IEEE 14th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), 2018, vol. 2018-Augus, pp. 1448–1453.
W. Haouas, R. Dahmouche, N. Le Fort-Piat, and G. J. Laurent, “4-DoF spherical parallel wrist with embedded grasping capability for minimally invasive surgery,” in IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2016, pp. 2363–2368.
Related patents:
R. Dahmouche and W. Haouas, “Robotic Structure with Six Degrees of Freedom Allowing Gripping,” WO2018065702, 2016.
G. Laurent, R. Dahmouche, W. Haouas, and N. Piat, “Parallel Robotic Wrist with Four Degrees of Freedom,” WO 2018/065734, 2018.

L'objectif de MiniSoRo est de développer une nouvelle génération de robots dextres, compacts et précis ainsi que des méthodes de modélisation, de conception et de contrôle pour effectuer des manipulations fines et dextres aux petites échelles. Ces robots représentent les principales briques d’un futur système d'assemblage automatisé de nanodispositifs contribuant ainsi à la révolution des nanotechnologique.

Les principales hypothèses scientifiques sur lesquelles repose MiniSoRo sont les suivantes : i) des technologies innovantes basées sur des micro/nanodispositifs intégrant des matériaux hétérogènes (nanofils, nanotubes, cristaux photoniques, etc.) qui ont un impact dans plusieurs domaines (médical, information, sécurité, etc.) ne sont pas produites massivement en raison de l'absence de systèmes de manipulation et d'assemblage appropriés ; ii) la manipulation par contact convient à la manipulation, en particulier lorsque des matériaux hétérogènes doivent être assemblés ; iii) les systèmes de manipulation actuels n'ont pas les fonctionnalités/performances requises pour réaliser les tâches de manipulation et d'assemblage requises et/ou ; iv) ne sont pas compatibles avec l'environnement opérationnel (microscopes électroniques à balayage, IRM, etc.).

Les principaux obstacles scientifiques qui seront levés par MiniSoRo sont liés aux structures, modèles et technologies de robots actuels qui ne sont pas capables de combiner dextérité, précision et compacité dans le même système robotique pour pouvoir opérer correctement dans des espaces confinés. L'approche proposée dans MiniSoRo est d'intégrer des matériaux flexibles comme articulation au lieu de articulations mécaniques classiques dans des micro-mécanismes parallèles afin de : i) éliminer les défauts mécaniques tels que les jeux ; ii) développer des mécanismes très compacts et ; iii) couvrir un grand espace de travail en translation et rotation.

En effet, la manipulation d'objets miniatures avec des robots de dimensions comparables améliorera la résolution du positionnement et intégrera un grand nombre de robots par unité de surface. De plus, les faibles masses et l'inertie de ce type de robot permettent d'obtenir, à termes, des temps de cycles faibles par rapport aux robots encombrants classiques.

Les résultats scientifiques recherchés dans MiniSoRo sont le développement de méthodes originales de modélisation, de conception et de contrôle de robots parallèles miniaturisés composés d'éléments rigides et flexibles à grandes déformations, ainsi que le développement de méthodes pour contrôler la position, la force et la conformité de ces robots. Des méthodes d'auto-calibrage des robots flexibles avec une redondance de mesure seront également étudiées. Les contributions technologiques sont : i) le développement de technologies et de procédés pour la fabrication et l'intégration d'éléments flexibles dans des structures submillimétriques et micrométriques et ii) l'intégration d’actionneurs et de capteurs pour mesurer les positions et les couples à la base du robot. Le robot intégré sera caractérisé et utilisé pour assembler un transistor sans jonction à base de nanofile, qui est la principale technologie utilisée pour les capteurs à base de nanofils/nanotubes.

MiniSoRo contribuera ainsi de manière significative au développement des nanotechnologies qui trouvent des applications dans les domaines de la santé, de l'énergie, de la communication, de la sécurité et de la défense, etc.