Département de microtechnique (Laboratoire de systèmes robotiques 2 LSRO2)

Actionneurs "stick and slip" pour micro-manipulateurs

Breguet, Jean-Marc ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1756.

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    Summary
    This thesis is a contribution to the development of simple micromanipulators, having high resolution and several degrees-of-freedom, dedicated to the manipulation of miniature objects, the manipulation of biological specimens or to the assembly of microsystems. The actuators for these micromanipulators must have a submicronic resolution over displacements of a few centimeters at a speed of several millimeters per second. They must also be compact and rigid in order ease their integration and to have a high rejection of the external perturbations (vibrations, temperature changes, etc.). Stick and slip actuators studied in this work fulfil very well these requirements. Their main features are: a resolution better than 5 nm over strokes of a few centimeters at a speed of several millimeters per second (2-5 mm/s); a high rigidity (6.5 N/μm) giving an excellent rejection of external perturbations; an extreme simplicity obtained by the combination of the guiding and actuating functions and by using an innovative concept of monolithic flexible structures. This report presents all the stages of our research work: the state of the art: originally, stick and slip actuators have been developed for the scanning probe microscopy (STM or AFM). We have adapted this concept to our purposes. Several innovative solutions allow us to simplify and improve significantly these actuators; the modeling: it allows us to understand in details the behavior of stick and slip actuators and to optimize them; the study of scaling down: it demonstrates that stick and slip actuators can be miniaturized. New applications in the field of microsystems are therefore promising; the experiment: the characterization of a one-degree-of-freedom actuator demonstrates its performances and validates our modeling; the-implementation-and-tests-of-severa1micro-mani.pulators-actuated-by-stick and slip confirm the pertinence of our approach; The results of this thesis will help engineers to design and implement efficient micromanipulators using stick and slip actuators.
    Résumé
    Ce travail de thèse est une contribution au développement de micro-manipulateurs simples, à haute résolution et à plusieurs degrés de liberté, pour la manipulation d'objets microscopiques, la manipulation d'échantillons biologiques, ou encore l'industrialisation des microsystèmes. Les actionneurs pour ces micro-manipulateurs doivent allier une résolution submicronique à des déplacements de plusieurs millimetres parcourus en quelques secondes. Ils doivent aussi être compacts et rigides pour faciliter leur intégration et présenter une meilleure immunité aux perturbations externes (vibrations, variations de température, etc.). Les actionneurs "stick and slip" étudiés dans ce travail répondent de façon optimale à ces exigences. Ils sont caractérisés par les points suivants: une résolution de quelques nanomètres (<5nm) pour des courses de l'ordre du centimètre à des vitesses de plusieurs millimètres par seconde (2-5 mm/s); une rigidité élevée (6.5 N/μm) garantissant une excellente immunité aux perturbations externes; une grande simplicité obtenue par la combinaison des fonctions de guidage et d'entraînement et par l'utilisation d'un concept original de structures flexibles monolithiques. Ce rapport présente les différentes étapes de notre recherche: étude de l'état de l'art: les actionneurs "stick and slip" ont été développés à l'origine pour la microscopie à balayage (STM ou AFM). Nous avons adapté le concept de base à nos besoins. Plusieurs solutions originales sont proposées pour simplifier et améliorer les performances de ces actionneurs; modélisation: elle apporte une compréhension détaillée du fonctionnement des actionneurs "stick and slip" et permet leur optimisation; étude par les lois de similitude: elle démontre que les actionneurs "stick and slip" peuvent être miniaturisés tout en gardant, voire améliorant, leurs performances. Ce résultat ouvre des perspectives prometteuses pour ces actionneurs dans le domaine des microsystèmes; expérimentation: la caractérisation d'un actionneur "stick and slip" à un degré de liberté met en évidence ses performances et valide notre modélisation; la réalisation et les tests de plusieurs micro-manipulateurs actionnés par "stick and slip" confirment la pertinence de notre approche. Les résultats de ce travail de thèse doivent aider l'homme de l'art dans la conception et la réalisation de micro-manipulateurs performants actionnés par "stick and slip".