Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de microtechnique IMT (Laboratoire de systèmes robotiques 2 LSRO2)

Préhenseurs, conditions et stratégies pour une micromanipulation de précision

Dafflon, Mélanie ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2008 ; no 4160.

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    Summary
    Currently microsystems consist of more and more functionalities in even smaller volumes. Components size has then to be reduced as well, coming through micro- and then nanoscale. The industrial equipments dedicated to their fabrication and assembly have comparatively a huge size, but one observes now a new and welcome trend for reducing their overall dimensions. However the latest robotic technologies allow achieving nanometric resolution and precision of positioning. Microcomponents assembly is still yet badly controlled and many surprising effects can occur without understanding of the real phenomenon. In fact, below one millimeter size objects are becoming insensitive to gravity comparing to surface forces. The manipulation of such components needs new and innovative ways to control these forces and so on to allow the release. In this study pick and place operations have been analyzed with an adimensional parameter Γ. It represents the ratio of the forces that act at the "object – gripper" and "object – target surface" interface. The adhesion effect is then taken into account in a comparative manner. The advantage of such procedure is due to the large amount of uncontrolled or unknown parameters that are needed to evaluate the adhesive forces. The behaviors of the micro object during pick and place operations are then studied on the base of Γ. Characteristics allowing a reliable transfer can be extracted with focus on the ones that generate fewer disturbances on the position. Generalization of the models allows finally to study different manipulation principles. The conception of microgrippers needs to consider the adhesion effects. Thus a methodology is proposed. Its main point concerns the importance of a strong interaction between the designers of the different elements that are the component, the receiver and the gripper. In such a way optimal choices for the surfaces and principles of manipulation can be done. After having defined the main trends theoretically, the difficult evaluation of the adhesion effect in real conditions causes the need to check rapidly by experiments the feasibility of the pick&place operations. A micromanipulation setup has been developed in order to make comparative tests between the different gripper principles. Gripper characterization means in particular the measurement of the positioning errors induced during the placing step. Several gripper families were conceived during this study: microtweezers, inertial gripper based on adhesion, capillary grippers that use the condensation/evaporation of the relative humidity, electrostatic grippers as well as vacuum gripper. Experiments were conducted with polystyrene spheres of ∅ 50µm. A high sensitivity to the alignment between finger tip or gripper tip and micro object was observed. It concerns in fact mainly the need to limit the force applied on the component during manipulation. The gripper withdrawal direction has also showed to be of the most importance to control the operations and their reliability. Finally robotic assembly of MEMS components was realized to get a 3D structure. The methodology was experimented on this application. The importance of a close interaction of the different designers has been demonstrated. We proposed here an approach as well as the models allowing studying the main trends with taking into account the adhesion forces. The whole arrangement of the contact areas as well as each force present during the operations is included into the models. The interfaces characteristics can so be analyzed. This allows defining the optimal strategy. This study is a tool for the designer of microassembly equipment. With the proposed methodology we hope or rather give the opportunity to stimulate integration or combination of innovative micromanipulation principles.
    Résumé
    A l'heure actuelle, les microsystèmes intègrent de plus en plus de fonctionnalités dans des volumes également toujours plus petits. Les composants suivent donc le chemin de la miniaturisation, les amenant vers les échelles micro-, puis nanométriques. Les installations permettant leur fabrication, puis leur assemblage sont comparativement de taille importante, même si l'on observe une tendance nouvelle et bienvenue à réduire leur encombrement. Les technologies de la robotique permettent cependant déjà d'atteindre des positionnements de résolutions et précisions nanométriques. Et pourtant, l'assemblage de microcomposants reste une étape mal contrôlée, sujette à beaucoup d'incompréhensions et donc de surprises, nous mettant ainsi au défi de les anticiper. Effectivement, passés sous la barre du millimètre, les objets deviennent insensibles à la gravité tant les effets de surface sont devenus importants. La manipulation de tels composants requiert donc de nouveaux moyens pour maîtriser ces forces et ainsi permettre les déposes. Dans cette étude, les opérations de prise et de dépose ont été modélisées sur la base d'un paramètre adimensionnel Γ représentant le rapport des forces aux interfaces "objet – préhenseur" et "objet – substrat". Les effets d'adhésion sont ainsi pris en compte de manière comparative. L'évaluation de ces forces d'adhésion fait intervenir de nombreux paramètres difficilement contrôlés ou mesurables. L'introduction de ce paramètre de comparaison nous a permis d'étudier le comportement d'un objet lors de phases de prise et de dépose, puis d'en extraire les éléments assurant un transfert fiable tout en ne générant qu'un minimum de perturbation au niveau du positionnement du micro-objet. La généralisation de ces modèles permet ensuite d'étudier différents principes de manipulation. La conception de micropréhenseurs doit donc tenir compte de ces effets d'adhésion. A cet effet, une méthodologie de conception est proposée. Elle prône un développement concerté du système à assembler et du préhenseur afin d'optimiser le choix des surfaces et des principes de manipulation. La difficulté d'évaluer les effets d'adhésion en conditions réelles engendre la nécessité de valider rapidement la faisabilité des opérations expérimentalement après avoir défini les tendances principales par modélisation. Une installation permettant de mener des tests comparatifs entre préhenseurs fonctionnant avec différents principes de prise et de dépose a donc été développée. Celle-ci permet la caractérisation des préhenseurs notamment en terme de mesure des erreurs de positionnement résultant de l'opération de dépose. Plusieurs familles de préhenseurs ont de ce fait été conçues durant ce travail. Il s'agit de micropinces, de préhenseurs inertiels mettant à profit les effets d'adhésion pour la saisie, de préhenseurs par capillarité basés sur les phénomènes d'évaporation/condensation de l'humidité relative ambiante, de préhenseurs électrostatiques et finalement de préhenseurs vacuum. A noter que les expériences se sont focalisées sur la manipulation de billes de polystyrènes de ∅ 50µm. Les aspects sensibles des opérations concernent essentiellement la finesse de l'alignement des doigts ou de la surface de préhension avec le composant dans le but de limiter les forces appliquées à ce dernier. L'importance de la direction du retrait du préhenseur a notamment été mise en évidence. Finalement, l'assemblage robotisé de composants MEMS en une structure tridimensionnelle a été réalisé avec succès. Ce développement a permis de mettre en pratique cette méthodologie de conception et de relever l'importance d'une forte interaction entre les divers concepteurs des éléments composant, récepteur et préhenseur. Les méthodes de référencement y ont aussi été analysées. Nous proposons une démarche claire ainsi que des modèles permettant d'évaluer les tendances des différents comportements en intégrant l'action des forces d'adhésion. Les modèles englobent de plus l'ensemble des dispositions des zones de contact ainsi que toutes les forces actives au cours des opérations. Les caractéristiques des interfaces "objet-préhenseur" et "objet-substrat" sont donc analysées, permettant alors de définir les stratégies optimales. Cette étude est un outil pour le concepteur d'installation de microassemblage. Par la méthodologie proposée, nous espérons ou plutôt offrons les moyens de stimuler l'intégration ou la combinaison de principes novateurs de micromanipulation.