Thermomechanical modelling and control of SMA actuators for microrobotics.
Modélisation thermomécanique et commande d'actionneurs en alliages à mémoire de forme pour la microrobotique.
Résumé
A lot of application require the use of small size robots in order to perform tasks in enclosed or inacessible environments for human, such as in pipe inspection or manipulation of objects of small dimensions. The transition from robotics to microrobotics by reducing the size of the existing components has shown its limits : for instance, conventional technologic processes which do not allow a sufficient level of miniaturisation or conventional actuation principles for which mechanical work becomes too weak. These limits require to develop technologies and actuation principles able to generate strokes ans to transmit efforts compatible with the considered scales. In order to fulfil to the need of microactuation, materials such as piezoelectric, magnetostrictive or some shape memory alloys and polymers describe as "active materials", seem to be full of promise because of their characteristics compatible with required forces and movements and miniaturisation possibilities. As for us, we are particularly interested in shpe memory alloys noted SMA, which under certain thermomechanical conditions can transform supplied thermal energy to mechanical work. In this way, they can return strains of about 6 at 8 %, and generate quite important efforts when they are heated.
So in order to design, to size and to control such microactuators at the top of their performances, it is at first necessary to collect some knowledge and data about these materials. This constitutes the aim of our research, which is divided in two main parts. The first one is to obtain a predictive dynamic model of the thermomechanical behaviour of SMA. This model is based on the approach developed by Leclercq and Lexcellent. In order to validate this model, appropriate thermomechanical tests habe been made with a view to identify the "material parameters" and simulation have been conducted, for which results are compared with the ones of corresponding tests. The second part of the research is dedicated to the study of SMA actuators. At first, we have taken an interest in characteristics of these microactuators in term of available stroke, energy density, efficiency and bandwidth. In a second time, to treat the problems of motion and effort control of SMA microactuators, we exploit non linear control techniques for dynamic systems, linear with respect to control input, using in particular the Lie derivatives. From a non linear state representation of the system, it is possible with an algebric transformation operating on the states to convert the dynamic behaviour of a non linear system to a partially or totally linear dynamic behaviour and so to control the performances of the system in closed loop.
So in order to design, to size and to control such microactuators at the top of their performances, it is at first necessary to collect some knowledge and data about these materials. This constitutes the aim of our research, which is divided in two main parts. The first one is to obtain a predictive dynamic model of the thermomechanical behaviour of SMA. This model is based on the approach developed by Leclercq and Lexcellent. In order to validate this model, appropriate thermomechanical tests habe been made with a view to identify the "material parameters" and simulation have been conducted, for which results are compared with the ones of corresponding tests. The second part of the research is dedicated to the study of SMA actuators. At first, we have taken an interest in characteristics of these microactuators in term of available stroke, energy density, efficiency and bandwidth. In a second time, to treat the problems of motion and effort control of SMA microactuators, we exploit non linear control techniques for dynamic systems, linear with respect to control input, using in particular the Lie derivatives. From a non linear state representation of the system, it is possible with an algebric transformation operating on the states to convert the dynamic behaviour of a non linear system to a partially or totally linear dynamic behaviour and so to control the performances of the system in closed loop.
De nombreuses applications nécessient l'utilisation de robots de petite taille pour la réalisation de tâches difficiles, dangereuses et inacessibles à l'homme que ce soit pour l'exploration et l'intervention en milieu technologique ou biologique fortement encombré et confiné (canalisations de faible diamètre) ou pour le prélèvement et la manipulation d'objets de faibles dimensions (domaine médical). Le passage de la robotique à la microrobotique par passage aux échelles inférieures de composants déjà existants a montré ses limites au niveau des technologies conventionnelles (elle ne permettent pas un degré de miniaturisation suffisant) ainsi qu'au niveau des principes d'actionnement traditionnels où les efforts moteurs deviennent très faibles. Ces limites imposent de développer des technologies et des principes d'actionnement capables de générer des mouvements et de transmettre des efforts compatibles avec les échelles mises en jeu. Pour répondre aux besoins de microactionnement, les matériaux piézo-électriques, magnétostrictifs ou les polymères et les alliages à mémoire de forme, qualifiés de "matériaux actifs", semblent prometteurs en raison des caractéristiques compatibles avec les forces, les mouvements requis et les possibilités de miniaturisation. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux alliages à mémoire de forme, notés AMF, lesquels, sous certaines conditions thermomécaniques, peuvent transformer une énergie thermique qui lui est fournie en un travail mécanique. Il peuvent ainsi restituer des déformations de l'ordre de 6 à 8 % et générer des efforts relativement importants lorsqu'ils sont chauffés.
Ainsi, dans le but de concevoir, dimensionner et commander au mieux de leurs performances de tels microactionneurs, il est tout d'abord nécessaire de disposer d'un certain nombre de connaissances et dedonnées sur ces matériaux. Ceci constitue l'objectif de notre travail de recherche qui s'articule en deux grandes parties. L'objectif de la première partie est l'obtention d'un modèle dynamique prédictif du comportement thermomécanique des AMF. Ce modèle est basé sur l'approche développée par Leclercq et Lexcellent. pour valider ce modèle, des essais thermomécaniques appropriés ont été menés en vue de l'identification des paramètres "matériau" et des simulations ont été effectuées, dont les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux correspondants. La seconde partie est consacrée à l'étude des actionneurs AMF. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques de ces microactionneurs en terme de course disponible, de densité d'énergie, de rendement et de bande passante. Dans un second temps, pour aborder les problèmes de la commande de position et d'effort des actionneurs AFM, nous exploitons des techniques de commande non linéaire, utilisant en particulier l'algèbre de Lie. A partir d'une représentation d'état non linéaire du système, il est possible par une transformation algébrique agissant sur les états de transformer le comportement dynamique d'un système non linéaire en un comportement dynamique partiellement ou totalement linéaire et ainsi maîtriser les performances en boucle fermée du système.
Ainsi, dans le but de concevoir, dimensionner et commander au mieux de leurs performances de tels microactionneurs, il est tout d'abord nécessaire de disposer d'un certain nombre de connaissances et dedonnées sur ces matériaux. Ceci constitue l'objectif de notre travail de recherche qui s'articule en deux grandes parties. L'objectif de la première partie est l'obtention d'un modèle dynamique prédictif du comportement thermomécanique des AMF. Ce modèle est basé sur l'approche développée par Leclercq et Lexcellent. pour valider ce modèle, des essais thermomécaniques appropriés ont été menés en vue de l'identification des paramètres "matériau" et des simulations ont été effectuées, dont les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux correspondants. La seconde partie est consacrée à l'étude des actionneurs AMF. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques de ces microactionneurs en terme de course disponible, de densité d'énergie, de rendement et de bande passante. Dans un second temps, pour aborder les problèmes de la commande de position et d'effort des actionneurs AFM, nous exploitons des techniques de commande non linéaire, utilisant en particulier l'algèbre de Lie. A partir d'une représentation d'état non linéaire du système, il est possible par une transformation algébrique agissant sur les états de transformer le comportement dynamique d'un système non linéaire en un comportement dynamique partiellement ou totalement linéaire et ainsi maîtriser les performances en boucle fermée du système.