Conception and control of magnetic microrobotic systems in the dry environment
Conception et commande de systèmes microrobotiques magnétiques en milieu ambiant
Résumé
In the past few years, much attention has been given to autonomous systems of micrometric size. The small size of these robots, or particles, makes it impossible to embed their energy sources. Wireless systems for actuating and control, in particular through magnetic effects, have been proposed. These systems have yielded results which are especially promising as to their applications, thanks to their ability to perform in constrained environments, as well as from a scientific perspective. They usually operate in a liquid environment. This environment is favored due to the drag force which stabilizes a system and therefore makes it easier to control. However, this medium comes with a major limitation to the moving speed of these particles. In order to fully exploit the potential for high speed actuation inherent to the low inertia of these small-sized particles, this thesis proposes the design, fabrication, control and testing of a microrobotic system dedicated to high speed actuation.
The design choices include increasing the magnetic force by winding the magnetic coils around cores, using ferromagnetic particles and choosing to work in an ambient environment. This last point does away with the viscosity of a liquid medium and makes it possible to reach speeds otherwise unattainable with state-of-the-art systems. However, this leads to adhesion issues between the particle and the surface of the working substrate which are without precedent and not described by any known model. Various solutions are proposed in this thesis to overcome or reduce adhesion forces in this environment, from the coupled actuation of the magnetic particle in order to make it come unstuck, to the mechanical structuring of the surface of the substrate in order to reduce adhesion. Many experimental tests confirm the suitability of the proposed solutions. A closed-loop control has also been integrated to increase the accuracy of the positioning and orientation of the particles. An approach to the synthesis and implementation of a proportional regulation is proposed for the two control parameters, respectively the time length and intensity of the current applied to the coils. The chosen experimental approach makes it possible to quantify the issues related to the ambient environment and bring systematic solutions to them.
This work is but a first step in the integration of microrobotic systems in ambient environments, but it offers a control methodology which is adapted to its specificities.
Ces dernières années une attention particulière a été portée sur les systèmes autonomes de taille micrométrique. La faible taille de ces robots, ou particules, rend impossible l’embarquement d’énergie. Des systèmes d’actionnement et de contrôle à distance, notamment par effets magnétiques, ont été proposés. Ces systèmes ont montré des résultats particulièrement prometteurs tant au niveau applicatif, de par leur faculté à agir dans des environnements contraints, qu’au niveau scientifique. Ils évoluent généralement dans le milieu liquide. Ce milieu est privilégié en raison de la force de trainée qui stabilise les systèmes et simplifie donc leur contrôle. En revanche, ce milieu induit une limitation majeure sur la vitesse de déplacement de ces particules. Pour exploiter pleinement le potentiel d’action- nement rapide lié à la faible inertie de ces particules de petite taille, cette thèse propose la conception, la fabrication, la commande et le test d’un système microrobotique dédié à l’actionnement haute vitesse.
Les choix de conception portent notamment sur l’augmentation de la force magnétique par l’intégration de noyaux dans les bobines, l’utilisation de particules ferromagnétiques et le choix d’un environnement de travail en milieu ambiant. Ce dernier point permet de s’af- franchir de la viscosité du milieu liquide et d’atteindre des vitesses inatteignables avec les systèmes de l’état de l’art. Cependant il pose des problématiques inédites d’adhésion entre la particule et le substrat de travail et d’absence de modèle de connaissance. Différentes solutions sont proposées dans cette thèse pour vaincre ou réduire les forces d’adhésion dans ce milieu, allant de l’actionnement en couple de la particule magnétique pour la décoller à la structuration mécanique du substrat pour réduire l’adhésion. De nombreux tests expérimentaux attestent de la validité des solutions proposées. Une commande en boucle fermée est également implémentée pour augmenter la précision du positionnement et de l’orientation des particules. Une approche permettant de synthétiser et d’implémenter une loi de régulation proportionnelle des deux paramètres de contrôle, respectivement la durée d’application et l’amplitude du courant appliqué aux bobines, est proposée. L’approche expérimentale adoptée permet de quantifier les problématiques rencontrées dans le milieu ambiant et de proposer des solutions systématiques à ces dernières.
Ce travail n’est qu’un premier pas dans l’intégration des systèmes microrobotiques en milieu ambiant, mais il fournit des méthodologies de contrôle adaptées à ses spécificités.