Bistable surfaces activation by piezoelectric materials, application to haptic feedback - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Bistable surfaces activation by piezoelectric materials, application to haptic feedback

Activation de surfaces bistables par matériaux piézoélectriques, application au retour haptique

Résumé

The objective of this thesis is to model, design and realise a haptic feedback system, based on the activation of a bistable surface by piezoelectric actuation.Surface activation is a major technological challenge. Among the functions sought, the detection and positioning of a contact are a major issue. Piezoelectric materials are particularly well positioned to meet this defiance. They inherently integrate the sensor and actuator functions, allow efficient electrical-mechanical conversion in a small volume and, with optimal sizing, can achieve interesting displacement ranges.The surface is made of a passive beam structure made bistable, on which piezoelectric actuators are glued or printed. These actuators are optimally placed to minimise the snap-through voltage from one stable equilibrium state to another of the bistable structure.This thesis work involves a wide range of knowledge in the field of mechanical and electrical engineering. Two types of bistable systems are modelled, prototyped and mechanically characterised to understand the characteristic force levels they have to endure in bistable snap-through. Piezoelectric actuation models from the literature are compared to each other, through a parametric study, and then compared to a numerical model to conclude on their validity for our system. This result is then used to model and optimise the actuation of piezoelectric materials on passive structures in order to achieve a proof of concept of the intended haptic feedback application.The work carried out incorporates both 'Materials' aspects for the understanding of the physical mechanisms involved, and 'Systems' aspects for a good understanding of the stresses endured by the structures.
L’objectif de cette thèse est de modéliser, concevoir et réaliser un système à retour haptique, basé sur l'activation d'une surface bistable par actionnement piézoélectrique.L'activation de surface est un enjeu technologique majeur. Parmi les fonctions recherchées, la détection et le positionnement d'un contact sont des défis d'ampleur. Les matériaux piézoélectriques sont particulièrement bien positionnés pour relever ce défi. Ils intègrent par nature les fonctions capteur et actionneur, permettent une conversion électrique-mécanique efficace dans un volume restreint et, moyennant un dimensionnement optimal, peuvent permettre d'obtenir des amplitudes de déplacement intéressantes.La surface réalisée est constituée d'une structure passive de type poutre rendue bistable, sur laquelle sont collés ou imprimés des actionneurs piézoélectriques. Ces actionneurs sont placés de façon optimale pour minimiser la tension de basculement d'un état d'équilibre stable à l'autre de la structure bistable.Ce travail fait appel à un large éventail de connaissances dans le domaine de l'ingénierie mécanique et électrique. Deux types de systèmes bistables sont modélisés, prototypés et caractérisés mécaniquement pour comprendre les niveaux de force caractéristiques qu'ils doivent subir pour le basculement bistable. Les modèles d'actionnement piézoélectrique de la littérature sont comparés entre eux, par le biais d’une étude paramétrique, puis comparés à un modèle numérique pour conclure sur leur validité d’usage dans le cas de notre système. Ce résultat est par la suite utilisé pour modéliser l’actionnement des matériaux piézoélectriques sur les structures passives et l’optimiser, afin de réaliser une preuve de concept.Le travail réalisé incorpore à la fois des aspects 'Matériaux' pour la compréhension des mécanismes physiques à l’œuvre, et des aspects 'systèmes' pour une bonne compréhension des sollicitations subies par les structures.
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2021UPAST106_AJNADA_archivage.pdf (21.05 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04213452 , version 1 (21-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04213452 , version 1

Citer

Taha Ajnada. Bistable surfaces activation by piezoelectric materials, application to haptic feedback. Electric power. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST106⟩. ⟨tel-04213452⟩
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