Couplages haptiques pour la téléopération à l'échelle nanoscopique      - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Haptic coupling schemes for nanoscale teleoperation

Couplages haptiques pour la téléopération à l'échelle nanoscopique     

Résumé

A key issue for further developments in nanotechnology is the manipulation of objects. Operators cannot handle them manually due to the reduced size, complex and counterintuitive force fields, and the high influence of environmental conditions. Force feedback teleoperation appears as a promising solution as it allows high intuitivity and flexibility. For the different steps of conception, fabrication, and analysis of new nanoscale systems, two tools are required: robotic manipulators and simulators. Similar issues arise for teleoperations dealing with these tools, including complex force fields that must be transmitted to users, and instabilities due to the scaling difference. Currently, for teleoperation of either real or virtual objects, there is no system that can be used to perform complex manipulations. Applications are limited to demonstrations of some pre-defined experiments. In order to develop multi-purpose remote nano handling systems, following issues should be resolved: - the control of the influence of the scale reduction on the coupling schemes, and the adequacy between the coupling characteristics and the applications, in terms of transparency and stability, - the definition of strategies in respect to technological constraints of manipulation systems, - the use of methods to overcome the compromise between stability, ease of manipulation and haptic feedback quality due to the scale difference. In this work, first complex teleoperations at nanoscale have been performed by considering these points. On a variety of implemented remote nano handling applications, users were able to manipulate micro spheres (rolling, pick and place) while receiving haptic feedback on nanoscale interactions. A state-of-art example of 3D manipulation with force-feedback is also presented. Moreover, as an example of nanoscale realtime simulation applications, a molecular simulator has been fitted with a haptic interface. The operator is hence able to act directly on the simulated molecule, and induce deformations and atomic motions while receiving haptic information relative to inter molecular atomic forces. This work is a preliminary step toward the generalized use of haptic remote handling in nanoscale, and demonstrates the advantages of this approach for nanotechnology through several dedicated applications.
Dans le domaine des nanosciences, la manipulation directe des objets par l'opérateur est impossible, à cause notamment de leur taille, des champs de forces complexes et non intuitifs, ainsi que de la très grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. La téléopération avec retour d'effort apparaît donc comme une solution prometteuse pour les nanosciences alliant intuitivité de manipulation et flexibilité. Pour obtenir des dispositifs complets, permettant la conception, la fabrication, et l'analyse de systèmes aux propriétés inédites, deux outils principaux sont nécessaires : les systèmes de manipulation robotisés, et les simulateurs. Les problématiques de la téléopération pour ces deux outils sont similaires, et comportent notamment des problèmes importants de transparence du fait des champs de forces complexes qui doivent être retournés aux utilisateurs, et de stabilité du fait de la réduction d'échelle. Dans l'état actuel des développements, que ce soit pour la téléopération d'objets réels ou virtuels, il n'existe pas de systèmes complets, utilisables pour réaliser des manipulations complexes. Les applications se limitent le plus souvent à de simples démonstrations de faisabilité. Pour obtenir des systèmes avec une large gamme d'applications, plusieurs points doivent être abordés : - la maîtrise de l'influence de la réduction d'échelle sur les schémas de commande, et l'adéquation entre les performances des couplages et les applications recherchées, notamment en termes de transparence et de stabilité, - la définition de stratégies adaptées aux contraintes technologiques des systèmes de manipulation, - l'utilisation de solutions adaptées pour s'affranchir du compromis fort entre stabilité, facilité de manipulation et qualité du ressenti haptique dû à la différence d'échelle. Les premières téléopérations complexes à l'échelle nanoscopique ont pu être menées en prenant en compte les points précédents. Des opérations de ressenti des interactions nanoscopiques ont été réalisées, et des billes de quelques micromètres ont été manipulées, par roulement ou par saisie-dépose. Cette dernière manipulation est la première téléopération 3D complexe avec retour d'effort sur des objets microscopiques. Pour la simulation, un système de téléopération moléculaire avec un large champ d'application, comprenant notamment la modification globale de systèmes moléculaires, la recherche d'états caractéristiques ou encore la déformation de molécules, a été développé. Ce travail n'est que le premier pas vers l'utilisation de la téléopération à l'échelle nanoscopique pour des manipulations complexes, mais il montre la faisabilité et l'intérêt de cette approche pour les nanosciences.
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Dates et versions

tel-00546946 , version 1 (15-12-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00546946 , version 1

Citer

Aude Bolopion. Couplages haptiques pour la téléopération à l'échelle nanoscopique     . Automatique / Robotique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00546946⟩
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