Institut des Systèmes Intelligents
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Titre : "Conception d'une chaîne de micro téléopération stable et transparente".
 

La soutenance se déroulera le mardi 5 mars à 14h30 dans la salle suivante :

UPMC - Campus Jussieu, 4 Place Jussieu - 75005 Paris
Salle 211, Tour 55-65, 2ème étage (UFR d'Ingénierie)


Jury :

Rapporteurs :

M. Nicolas CHAILLET,  Professeur à l'Université de Franche-Comté
M. Pierre RENAUD,     Professeur à l'Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Examinateurs :

M. Jöel CHEVRIER,     Professeur à l'Université de Grenoble
M. Lionel BUCHAILLOT, Directeur de recherche CNRS à l'Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie de Lille
Mme. Aude BOLOPION ,  Chargé de recherche CNRS à FEMTO-ST

Co-directeurs de thèse :

M. Stéphane REGNIER,  Professeur à l'UPMC
M. Vincent  HAYWARD,  Professeur à l'UPMC




Résumé

En microrobotique, l'interaction directe avec les objets par l'opérateur est impossible, en raison notamment de leur taille, des phénomènes physiques complexes et de la grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. Les systèmes de téléopération apparaissent comme un moyen prometteur pour interagir avec l'échelle microscopique où la perception sensorielle humaine a dépassé ses limites. Cependant, ces systèmes doivent répondre à deux problématiques importantes : la transparence du fait des phénomènes physiques complexes qui doivent être retransmis à l'opérateur et la stabilité du fait de la réduction d'échelle. Bien que les travaux actuels aient donné lieu à des systèmes performants, des insuffisances apparaissent notamment par la prise en compte de la spécificité du couplage haptique liée au changement d'échelle, de la mesure de force d'interaction microscopique, de la nature des efforts renvoyés à l'opérateur, de l'inertie importante des interfaces haptiques utilisées, etc. Pour obtenir des systèmes complets et intuitifs, plusieurs points doivent être abordés :

- le choix d'une interface haptique adaptée,
- le développement d'un nouvel outil de mesure de microforces,
- la synthèse de loi de commande,
- l'utilisation d'un couplage bilatéral direct.

Dans cette optique, un nouveau système de téléopération est conçu en prenant en compte les points précédents. Des téléopérations mono-dimensionnelles ont pu être menées sur une goutte d'eau pour valider la chaîne. Plusieurs utilisateurs inexpérimentés ont testé la chaîne au cours de démonstrations publiques. Ils ont tous réussi à utiliser le système pour interagir avec une goutte d'eau en décrivant des cycles d'approche-retrait. Durant ces démonstrations, ils ont pu ressentir les différents efforts d'interaction, notamment le pull-in et le pull-off. Ce travail n'est qu'un premier pas vers des systèmes de micro téléopération intuitifs. Il montre également la faisabilité et l'intérêt de l'approche proposée pour la microrobotique.

Mots clés : microrobotique, téléopération, interface haptique, mesure de force, actionneur électrostatique, schéma de couplage, transparence, stabilité.


Abstract

Direct user interaction  in microrobotics is a challenge because of the scale of treated objects, the complexity of the physical phenomena and the high impact of environmental conditions. Teleoperation in this case is a promising approach to supplement human perception. Its success requires a control scheme guaranteeing transparency and stability, to represent complex physical phenomena  to the user without degradation. Although several control schemes are proposed with good performances, it clearly appears that there is room for improvement especially in regard to specificities of multiscale haptic coupling, the rendering of the haptic information, force sensing at the microscale, the mechanics of measurement devices...
Several issues need to be addressed in this purpose :

- design of an adapted haptic device,
- design of a force sensor with proper dynamic properties and bandwidth,
- development of a case-specific control scheme,
- implementation of bilateral coupling between the haptic device and the force sensor.

Therefore, this thesis describes a novel teleoperation chain for microscale force probing. Experimental validations are carried out, with single axis measurements on a water droplet. The system is also tested by several user with no experience in microscale phenomena. All the test subjects were able to  correctly master the approach-and-retreat operations. Various interaction forces, pull-in and pull-off phenomena are correctly rendered.  The proposed system is a proof-of-concept of a new design for a microscale force sensing tool, a high-fidelity haptic device, and appropriate bilateral coupling. It also stands for a more widespread use of human-operated microrobotics systems.

Keywords : microrobotics, teleoperation, haptic interface, force measurement, electrostatic actuator, coupling scheme, transparency, stability.