Microrobot à structure parallèle, localisé dans un grand espace de travail – micro-SPIDER

Les partenaires ont adopté une méthodologie de gestion de projet suivant un cycle en V qui permet à la fois de concevoir et valider le dispositif global mais également chaque sous-ensemble. En début de projet, la tâche T1 « Approche systémique du microrobot » a pour objectif initial de fournir un cahier des charges issu de cette approche système aux tâches T2, T3 et T4, respectivement en charge de concevoir, modéliser et valider les sous-ensembles « système d’actionnement », « structure parallèle » et « systèmes de mesure ». Dans une deuxième phase de projet, la tâche T1 aura pour objectif de valider l’intégration et de caractériser les performances atteintes en combinant les développements réalisés dans les tâches T2, T3 et T4.

Cette structuration, alliant une vision globale du système développé avec un découpage en tâches de développement des sous-ensembles, permet à la fois de faciliter les interactions entre les différentes tâches et également de gérer les risques potentiels existant dans chaque sous-tâche en proposant des solutions de repli adaptées ne bloquant pas l’avancée globale du projet.

Le programme de travail du projet µSPIDER est structuré en 5 tâches et vont s’échelonner selon deux phases : une première phase d’établissement du cahier des charges puis de conception et dimensionnement des différents sous-systèmes (surface d’actionnement, structure parallèle, et système de mesure) et une seconde phase de commande, d’intégration et de caractérisation des différents dispositifs expérimentaux.

Les résultats du projet µ-SPIDER seront de nature théorique et expérimentale.

• Modèle multiphysique au niveau de la cellule puis un modèle global de la surface

• Prototype expérimental de la smart surface conçu et dimensionnée à partir du modèle en tenant compte des contraintes imposées par le microrobot.

• Modèle physique du microrobot

• Prototype expérimental de microrobot à 6DDL utilisant des actionneurs à faible course du commerce

• Microrobot à 3DDL capable de se courber à plus de 90° dans un volume extrêmement réduit

• Modélisation et méthode de dimensionnement d’un réseau de capteurs à effet Hall

• Prototype expérimental d’une smart surface instrumentée par un réseau de capteurs à effet Hall

• Modélisation et conception d’un système de tracking optique pour la localisation de plusieurs palettes

• Prototype expérimental montrant les performances de la mesure par tracking optique

• Méthodologie de mesure exploitant la fusion des mesures optique et magnétique

• Algorithmes d’estimations de force par vision adaptés aux robots parallèles continus

Plusieurs verrous ont été mis à jour durant le projet micro-SPIDER. Ils constituent des perspectives de travaux pour l'avenir.

L'association de la smartsurface de déplacement avec la structure parallèle miniature réalisée n'a pas pu être finalisé faute de temps et d'incompatibilité entre les dimensions de la structure parallèle et des actionneurs existant. Un système d'actionnement alternatif est actuellement à l'étude dans le cadre d'une thèse de doctorat au sein du laboratoire Roberval.

Par ailleurs, l’assemblage en 3D des structures continûment déformables de petite dimension reste un enjeu technologique majeur. Au niveau méthodologique, l’étalonnage de ces robots, qui est indispensable pour assurer leur exactitude, pose également problème tant les paramètres sont nombreux et difficiles à mesurer à petites échelles. Les systèmes de mesure développés (position et force) dans micro-Spider couplés à l’utilisation de modèles éléments finis ont permis d’avancer sur l’identification les paramètres géométriques de micro-robots parallèles continus.

Le réseau de capteurs à effet Hall conçu et testé expérimentalement a montré des perspectives intéressantes et continuera à être développer. Il a cependant montré que l'étape d'étalonnage est très longue pour garantir une haute précision de la mesure sur une grande surface. Cela constitue un verrou identifié qui fait l'objet de travaux complémentaires qui seront réalisés au laboratoire Roberval.

Les deux partenaires font partie d'un consortium qui a déposé un projet d'axe thématique sur la robotique miniature dans le cadre du PEPR Robotique. Les travaux réalisés dans le cadre du projet micro-Spider constituent une base pour certaines actions proposées notamment sur la robotique flexible et sur la mesure à petite échelle.

Un projet ANR (Xtremloc) a été déposé et sélectionné en 2024; L'objectif du projet est de développer un système de localisation spatiale à haute résolution dédié à la chirurgie des extrémités et particulièrement la main. Le moyen de localisation spatiale est basé sur le moyen de localisation développé dans le cadre du projet micro-spider. Il sera miniaturisé et permettra une localisation en 3D.

Les développements récents en microrobotique se sont concentrés sur l’augmentation de la précision et de la dextérité des micromanipulateurs. Néanmoins, ces robots restent très volumineux par rapport à la taille des objets manipulés ce qui induit un rapport masse transportée/masse en mouvement très défavorable. La masse de ces robots ne leur permet pas non plus d’atteindre des cadences industrielles ni des dynamiques élevées. Un enjeu majeur concerne donc la réduction de la masse en mouvement des micromanipulateurs. Par ailleurs, leur espace de travail est souvent réduit car d’une part, les performances de précision requises conduisent souvent à une limitation des courses des actionneurs et d’autre part, les résolutions de mesure requises sont généralement obtenues par des capteurs à faible étendue de mesure.
L’objectif du projet micro-SPIDER vise à lever ce verrou en développant une nouvelle génération de micromanipulateur alliant une grande dextérité (6 degrés de libertés), de très faibles masses en mouvement et une précision micrométrique sur de très grandes courses. Dans ce but, nous proposons d’associer les savoir-faire du laboratoire ROBERVAL dans les domaines de l’actionnement et de la mesure sans contact avec ceux de l’institut FEMTO-ST en microrobotique parallèle. Cette nouvelle génération de micromanipulateur sera fondée sur l’utilisation d’une structure parallèle dont les pieds seront montés sur des palettes mobiles. Ces palettes font partie d’une smart surface électromagnétique et se déplacent selon deux (XY) ou trois degrés (XY?) de liberté sur de très grandes courses. Étant donné que les mouvements des palettes sont limités au plan, ce principe d’actionnement est insuffisant pour réaliser des tâches de micromanipulation tridimensionnelles. Pour augmenter la dextérité et notamment obtenir des mouvements en rotation hors plan, nous proposons d’utiliser et combiner les mouvements de trois palettes pour actionner la structure parallèle. Une architecture parallèle déformable adaptée permettra en effet de générer les six degrés de liberté de l’espace à partir de mouvements de translation plans. Comme l’actionnement sera réalisé par la smart surface, la structure parallèle pourra être très légère. L’approche proposée ici est en rupture avec les approches actuelles qui utilisent des structures en mouvement plus massives. Enfin, les robots parallèles sont connus pour avoir des espaces de travail relativement restreints mais, associée à une smart surface à grande course, une structure parallèle pourrait atteindre un très grand volume opérationnel. Cette caractéristique de grande étendue nécessite le développement d’un système de mesure de la position de la structure parallèle quelle que soit sa position sur la smart surface. Les partenaires du projet micro-SPIDER proposent deux approches de mesure ayant en commun la capacité à réaliser une mesure à haute résolution sur une grande étendue planaire : un réseau de capteurs à effets Hall intégrés à la smart surface, tirant profit de la propriété magnétique des palettes et un système de localisation et de suivi optique sans contact impactant peu les palettes mobiles et la structure parallèle. Ces deux moyens de mesure seront comparés sur le plan de leurs performances respectives et les mesures issues de ces deux dispositifs pourront également être fusionnées de façon à améliorer les performances globales du micromanipulateur et de rationaliser le déploiement de ces capteurs.
La méthodologie de conception et développement adoptée dans le projet micro-SPIDER est également originale car elle associe une approche systémique permettant d’optimiser la conception et les performances globales du micromanipulateur développé ainsi qu’une approche disciplinaire (structure, actionnement et mesure) permettant de maîtriser chaque sous-système de façon détaillée.