Contribution to the modeling of mechatronic and micro-mechatronic devices.
Contribution à la modélisation des systèmes mécatroniques et micro-mécatroniques.
Résumé
This thesis presents the research work conducted by the author since getting his PhD in 2000. The works were conducted in engineering sciences and concern mainly the modeling and control of mechatronic devices. Indeed, technological devices are becoming more and more complex and their design requires competences and knowledge from various fields. The design stage nowadays needs consequent modeling steps. These preliminary steps allow prediction of the system's behaviour and help the designer during hardware design (device design) as well as the software design (control design). The research reported in this thesis concern mainly micro-mechatronic devices - devices with a very small size or requiring great precision that simultaneously involve electrical, mechanical, thermodynamics and software parts. For these complex systems, coupling phenomena and scale law are predominant. To satisfy the working requirements, they must be taken into account from the beginning of the design procedure. The thesis document is divided into three main chapters each one dealing with a major scientific point. The first chapter deals with the design constraints for microsystems as well as modeling for micro-robotic devices in the frame of MEMS technologies. The second one outlines the modeling and design of micro-robotic devices for micro-manipulation applications (precise positioning, handling technologies and perception for microsystems). Finally, the third chapter details the topic of miniaturization for very high precision positioning systems. It focuses mainly on the use of smart materials and structures for these applications. These works were mainly conducted on two specific active materials: piezoelectric ceramics and magnetic shape memory alloys. These research results allowed the design and experiment of an important number of working prototypes. Most of the control law proposed during the researches could be experimented on these real devices. Performances and limits of the devices could be evaluated and compared with theoretical results and simulations obtained in the preliminary steps.
Ce mémoire présente une synthèse des travaux de recherche conduit par l'auteur depuis la fin de sa thèse de doctorat en 2000. Ces travaux se situent dans le cadre des sciences de l'ingénieur et s'intéressent plus particulièrement à la modélisation et à la commande des systèmes mécatroniques. En effet, les dispositifs techniques construits par l'homme étant de plus en plus complexes, leur conception requière de plus en plus de compétences et de connaissances pluridisciplinaires. De plus, le processus de conception de ces dispositifs nécessitent désormais d'importantes phases préliminaires de modélisation. Celles-ci permettent de prédire le comportement du système conçu et ainsi d'aider à sa conception, non seulement au niveau du dispositif lui même (partie matérielle) mais également au niveau de la commande qui permettra d'atteindre les performances désirées (partie logicielle). Les travaux abordés portent plus spécifiquement sur les dispositifs micro-mécatroniques, c'est-à-dire sur les systèmes de très petite taille ou de grande précision mettant en oeuvre simultanément des parties électriques, mécaniques, thermodynamiques et informatiques dans lesquelles les phénomènes de couplages multiphysiques sont prépondérants. La réduction d'échelle influe fortement sur la conception, la réalisation et le fonctionnement de ces dispositifs, c'est pourquoi elle doit être prise en compte comme une contrainte de conception à part entière. Le manuscrit s'organise autour de trois grandes problématiques scientifiques qui sont abordés successivement dans trois chapitres. Après avoir présenté quelques règles et contraintes de conception associées aux micro-systèmes, le premier chapitre présente les outils de modélisation développés pour la conception et la simulation de micro-systèmes robotiques réalisés en technologie « salle blanche ». Le deuxième chapitre s'intéresse à la modélisation et à la conception de dispositifs micro-robotiques pour des applications de micro-manipulation (fonctions de préhension, de perception et de positionnement). Enfin le troisième chapitre aborde la problématique de la miniaturisation des systèmes de positionnement à haute résolution et le remplacement des systèmes classiques par des actionneurs utilisant des matériaux actifs. Ces travaux abordent principalement les matériaux piézoélectriques et les alliages à mémoire de forme magnétique. Les différents travaux de modélisation présentés dans cette HDR ont permis de concevoir un certain nombre de dispositifs réels sur lesquels ont pu être expérimentées les stratégies de commande développées au cours de ces années de recherche. Les performances de ces dispositifs ont été évaluées et confrontées aux résultats théoriques issus de simulations sur les modèles développés et présentés dans le document.
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