1 - ACTIONNEURS PIÉZOÉLECTRIQUES

• 1.1 - Principe de base
  Figure 1 - Exemples de céramiques PZT de formes différentes (Noliac A/S) Figure 2 - Représentation des trois modes de couplage électromécaniques possibles avec un barreau parallélépipédique PZT : le barreau connaît un allongement (forme finale en pointillés) sous l’action de la tension appliquée. Les flèches représentent les directions de déformation
• 1.2 - État de l’art
  Figure 3 - Principe de construction d’un actionneur piézoélectrique multicouches : chaque couche est soumise à une tension électrique provoquant son allongement Figure 4 - Diagramme effort-déplacement représentant le domaine d’exploitation d’un actionneur piézoélectrique Figure 5 - Vue d’un actionneur piézoélectrique avec structure mécanique amplificatrice intégrée (Cedrat Technologies APA®60S) Figure 6 - Principe de fonctionnement du moteur piézoélectrique à technologie Piezo Walk® (Physik Instrumente GmbH & Co) Figure 7 - Profil de commande de l’actionneur piézoélectrique et structure d’un moteur exploitant l’effet de stick-slip (cinématique simplifiée à partir du principe du moteur PI Inertia Drive, Physik Instrumente GmbH & Co) Figure 8 - Actionneur PiezoLegs (PiezoMotor Uppsala AB) avec élément mobile en partie centrale et construit en céramique Figure 9 - Principe de mise en déplacement d’un moteur Nanomotion Inc de type HR : les phases 1 à 3 exploitent la flexion de l’actionneur PZT pour entraîner l’élément mobile. Dans les phases 4 à 6, l’actionneur effectue un mouvement hors plan qui permet un retour sans contact avec l’élément mobile Figure 10 - Allure du diagramme force-vitesse pour un moteur piézoélectrique USR-60 (Shinsei Corporation). Domaine (A) de fonctionnement continu, domaine (B) de fonctionnement intermittent Tableau 1 - Caractéristiques principales de stacks piézoélectriques, pour une [...] Tableau 2 - Caractéristiques en effort et vitesse de moteurs piézoélectriques
• 1.3 - Caractéristiques spécifiques
• 1.4 - Modélisation et intégration
  Figure 11 - Évolution de la caractéristique effort-déplacement en fonction de la charge appliquée à un actionneur piézoélectrique. À gauche, cas d’une charge constante et à droite cas d’un chargement variant avec le déplacement
• 1.5 - Applications
  Figure 12 - Dispositif d’usinage robotisé avec porte-broche à actionnement piézoélectrique [7] Figure 13 - Hexapode de positionnement exploitant des moteurs piézoélectriques (Physik Instrumente GmbH & Co) Figure 14 - Pince PiezoGripper pour la microrobotique à actionnement piézoélectrique (Percipio Robotics) Figure 15 - Stabilisateur cardiaque robotisé à actionnement piézoélectrique. Vue générale (gauche) et zoom sur le mécanisme compliant associé à l’actionneur piézoélectrique [8] Figure 16 - Vues du dispositif robotisé Squipabot : (a) la structure compliante, (b) la platine d’actionnement avec deux moteurs piézoélectriques, (c) l’ensemble après intégration avec le miroir en partie supérieure [9] Figure 17 - Robot de positionnement d’aiguille pour l’insertion dans la prostate. Le moteur 1 gère la rotation de l’aiguille, le moteur 2 son insertion et le moteur 3 l’élévation de la table porte-aiguille [10]. Figure 18 - Microrobot volant par approche bioinspirée [12]
• 1.6 - Synthèse

  • Quiz d'entraînement

2 - ACTIONNEURS FLUIDIQUES FLEXIBLES

• 2.1 - Principes de base
  Figure 19 - Principes de base : (a) dilatation isotrope, (b) élongation, (c) contraction, (d) flexion (d’après [27]) Tableau 3 - Comparaison du ratio limite élastique σ max/module de Young E pour [...]
• 2.2 - État de l’art
  Figure 20 - Schéma de principe de l’actionneur McKibben (l 0 : longueur initiale, l : longueur après contraction) Figure 21 - Paramètres du muscle pneumatique à plis proposé par Daerden [19] Figure 22 - Principe de l’actionneur de type ballon (a) principe (b) et de son fonctionnement bidirectionnel [23] Figure 23 - Actionneurs de type ballon localisés (d’après [27]) Figure 24 - Actionneur fluidique flexible à 3 chambres, se courbant sous l’action de la pression régnant dans la chambre de droite (en rouge) [14] Figure 25 - (a) Exemple de rigidité anisotrope obtenue en incisant le côté qui devient l’extrados sous pression positive (d’après [28]) (b) Exemple d’actionneur flexible obtenu par moulage de silicone (contribution des auteurs, d’après la conception décrite dans [28], pression p = 50 kPa) Figure 26 - Exemple d’actionneur fluidique flexible de torsion (17 mm × 7 mm × 0,65 mm (photo mise à disposition par Benjamin Gorissen, d’après [30]) Tableau 4 - Diversité des appellations suivant les sources : [14] [18] [19] [20] [...]
• 2.3 - Caractéristiques spécifiques
  Figure 27 - Abaque de comparaison des actionneurs proposée par [2], présentant la contrainte développée en fonction de la déformation. On a superposé les performances des actionneurs McKibben (en bleu, numérotés 1, 3-5, 7-9), PPAM (en vert, numéroté 2) et fluidique de flexion (en rouge, numéroté 10) Figure 28 - Force de blocage (N) en fonction de la course libre (mm), pour les 17 actionneurs repris dans le tableau 5. Légende : carrés bleus numérotés 1, 3-5, 7-9 = McKibben, triangle vert numéroté 2 = PPAM, étoile magenta numérotée 6 = résultat de simulation (actionneur McKibben [34]), disques rouges numérotés de 10 à 17 = actionneurs fluidiques de flexion Figure 29 - Contrainte développée σ (Pa) en fonction du ratio η d’amplification contrainte développée/pression appliquée (sans unité), pour les actionneurs repris dans le tableau 5 dont on connaît le diamètre. Légende : carrés bleus numérotés 1, 3-5, 7-9 = McKibben, triangle vert numéroté 2 = PPAM, étoile magenta numérotée 6 = résultat de simulation (actionneur McKibben [34]), disques rouges numérotés de 10 à 17 = actionneurs fluidiques de flexion Figure 30 - Loi d’échelle observée sur les actionneurs fluidiques flexibles : course en fonction de la longueur au repos. Légende : carrés bleus numérotés 1, 3-5, 7-9 = McKibben, triangle vert numéroté 2 = PPAM, étoile magenta numérotée 6 = résultat de simulation (actionneur McKibben [34]), disques rouges numérotés de 10 à 17 = actionneurs fluidiques de flexion Tableau 5 - Comparaison des actionneurs de la littérature. ID = numéro [...]
• 2.4 - Modélisation et intégration
  Figure 31 - Représentation graphique de l’équation (2) : force développée (normalisée par la pression p et la section au repos), en fonction de la contraction εc du muscle et de son angle de tressage α0, ainsi que, représentées par les traits pointillés noirs sous chaque courbe en couleur, les corrections apportées par les imperfections géométriques (membrane non infiniment mince : ratio épaisseur/rayon compris entre 0,05 et 0,20, par pas de 0,05) [34]. Le modèle traitillé noir (« PPAM ») fait référence au modèle d’actionneur à plis qui sera introduit à l’équation (2), pour la valeur du paramètre d’élasticité a = 0 [19]. Figure 32 - Modélisation des muscles artificiels pliés d’après Daerden [36]. On y lit en fonction de la contraction εc du muscle et du paramètre a donné dans le texte l’évolution de la force développée (normalisée par la pression p et le carré de la longueur l0 de l’actionneur). Dans cette figure le ratio l0 /r0 est de 10:1 Figure 33 - (a) Structure fluidique flexible proposée par Wakimoto [29] (photo mise à disposition par l’auteur © Wakimoto2015) ; (b) et sa poche élémentaire : e = ht  + h = 1 mm, λ = 1,2 mm, D = 2 mm, 0,25 mm < B < 0,70 mm, 0,10 mm < h < 0,25 mm Figure 34 - Coupes schématiques de la structure fluidique proposée par Wakimoto [29] (a) au repos : on a représenté les fibres médianes des parties raide (ligne droite rouge) et souple (serpentin bleu) ; (b) sous pression, la poche élémentaire s’allonge d’une longueur δλ, provoquant la courbure de la fibre médiane de la partie raide, considérée ici comme la fibre neutre du système, c’est-à-dire dont la longueur reste inchangée
• 2.5 - Applications
  Figure 35 - Exemple de fabrication sans solidarisation [23]. L’asymétrie créant la partie raide et la partie souple est obtenue en décentrant la lumière par rapport au tube, générant un couple produit de la force de pression F et de l’excentricité e (A.n. = axe neutre) Figure 36 - (a) Exemple de faisceaux de muscles McKibben miniaturisés [49] ; (b) Exemple de tissage à partir de muscles McKibben miniaturisés pour la production de vêtements actifs [49] Figure 37 - Exemples de muscles fluidiques DMSP développés par la société FESTO. Ils sont comparés aux actionneurs pneumatiques conventionnels du même fabricant, ainsi qu’au produit de la pression de service et de l’aire de la section du muscle Figure 38 - Exemple de cathéter orientable par le gonflement de ballons (d’après www.fujisys.co.jp/en/products/ireus/pdf/new-ILEUS_ e-book_1210.pdf et www.fuji-sys.jp/article/13402313.html/) Tableau 6 - Comparaison des forces de blocage et contractions maximales
• 2.6 - Synthèse

  • Quiz d'entraînement
  Figure 39 - Main actionnée par fluide électroconjugué (photo mise à disposition par Kenjiro Takemura, université Keio)

3 - ACTIONNEMENT PAR ALLIAGE À MÉMOIRE DE FORME (AMF)

• 3.1 - Principe de base
  Figure 40 - Forme des mailles cristallines à l’état austénite et à l’état martensite dans les alliages à mémoire de forme Figure 41 - Effet macroscopique de la réorientation cristalline Figure 42 - Cycle thermomécanique d’un actionneur AMF
• 3.2 - État de l’art
  Figure 43 - Différents types d’actionnement par AMF
• 3.3 - Caractéristiques spécifiques
  Figure 44 - Exemple de variation de résistance électrique d’un échantillon AMF en fonction de son état
• 3.4 - Modélisation et intégration
  Figure 45 - Évolution du taux de martensite ξ dans le matériau en fonction de la température et pour une contrainte donnée Figure 46 - Relation entre force et déplacement d’un actionneur AMF pour ses états austénite (ξ = 0 %) et martensite (ξ = 100 %) Figure 47 - Détermination de la course totale d’un actionneur AMF au vu de la caractéristique de sa charge
• 3.5 - Applications
  Figure 48 - Béquillage d’endoscope actionné par 4 fils AMF antagonistes [83] Figure 49 - Actionneur rotatif à base de fils AMF enroulés [80] Figure 50 - Utilisation de l’effet mémoire double sens pour le contrôle d’un cathéter [95] Figure 51 - Manipulation multidigitale [96] Figure 52 - Micropince monolithique [98] Figure 53 - Micropréhenseur avec points de reprise des AMF sur la structure [99] Figure 54 - Hexapode microrobot [101] Figure 55 - Robot bipède ultraléger [103] Figure 56 - Robot sauteur à stockage d’énergie [104] Figure 57 - Robot quadrupède actionné par fil en AMF [105]
• 3.6 - Conclusion

4 - SYNTHÈSE

• Quiz d'entraînement

5 - CONCLUSION

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

TEST DE VALIDATION