EP4536448A1 - Micro-robot programmable et assemblage de tels micro-robots formant une structure tridimensionnelle modulable - Google Patents

Micro-robot programmable et assemblage de tels micro-robots formant une structure tridimensionnelle modulable

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Publication number
EP4536448A1
EP4536448A1 EP23733648.2A EP23733648A EP4536448A1 EP 4536448 A1 EP4536448 A1 EP 4536448A1 EP 23733648 A EP23733648 A EP 23733648A EP 4536448 A1 EP4536448 A1 EP 4536448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
micro
robot
control unit
dfr
dfrs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23733648.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien BOURGEOIS
David Blaauw
Benoît PIRANDA
Rémy TRIBHOUT
Goron CARICHNER
Yimai Peng
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Franche-Comte
University of Michigan System
University of Michigan Ann Arbor
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Franche-Comte
University of Michigan System
University of Michigan Ann Arbor
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Franche-Comte, University of Michigan System, University of Michigan Ann Arbor filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4536448A1 publication Critical patent/EP4536448A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1615—Program controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators
    • B25J9/1617—Cellular, reconfigurable manipulator, e.g. cebot

Definitions

  • TITLE Programmable micro-robot and assembly of such micro-robots forming a modular three-dimensional structure
  • the present invention belongs to the field of programmable matter.
  • Programmable matter refers to a reconfigurable modular physical object.
  • An aim of the invention is, furthermore, to propose a programmable assembly of micro-robots:
  • micro-robots can interact physically and autonomously with neighboring micro-robots, and/or
  • micro-robots are manufactured independently of each other while keeping the same assembly process, and/or
  • micro-robots can be personalized and whose programming or configuration of the micro-robots can be updated while keeping the same assembly process
  • micro-robots do not include any welding.
  • micro-robot intended to be part of a programmable assembly of micro-robots forming a three-dimensional structure with geometry modular.
  • the micro-robot includes:
  • DFRs reversible fixing devices
  • the micro-robot is arranged so that at least one DFR emits an electrostatic field by polarization of the at least one pair of electrodes of the at least one DFR.
  • the control unit is arranged to activate and deactivate, individually and for each of the DFRs, the polarization of the at least one pair of electrodes of the at least one DFR so as to activate or deactivate the emission of the electrostatic field by at least one DFR.
  • the DFRs are distributed along the flexible strip.
  • the DFRs are distributed over the entire part of the external surface of the polyhedral housing over which the flexible strip extends.
  • the control unit can be understood as a microcontroller.
  • each of the micro-robots comprises an individual control unit.
  • control unit is autonomous.
  • Autonomous can be understood as a control unit not including a battery.
  • the flexible strip comprises a printed circuit.
  • the printed circuit electrically connects the DFRs to the control unit.
  • the flexible strip comprises an alternation of flat zones and curved zones.
  • two successive flat zones are connected together by a curved zone.
  • the DFRs extend over all flat areas.
  • DFRs. extend over all curved areas.
  • the flexible strip comprises an internal layer of which at least part is in contact with, preferably fixed to, the at least part of the external surface of the polyhedral housing.
  • the flexible headband comprises an electrically insulating outer layer; the outer layer constitutes part of the external surface of the micro-robot.
  • the flexible headband comprises an intermediate layer, included between the internal layer and the external layer, comprising an electrically conductive material.
  • the intermediate layer comprises:
  • the electrical tracks extend along the intermediate layer.
  • the electrodes of the at least one pair of electrodes are adjacent and of reverse polarity.
  • a pair of electrodes comprises at least one negative electrode and at least one positive electrode.
  • control unit is arranged to generate a difference in supply voltage of the DFRs, called high voltage, greater than or equal to 80 Volts, preferably 90 Volts, more preferably 100 Volts.
  • control unit can comprise:
  • a multiplexer by electrode of negative polarity, arranged to, from a negative output voltage of the charge pump converter, generate a high negative voltage
  • a multiplexer by electrode of positive polarity, arranged to, from a positive output voltage of the charge pump converter, generate a positive high voltage
  • the electrostatic field emitted by the at least one DFR, of the micro-robot considered, emitting an electrostatic field exerts a reciprocal attractive force on the at least one DFR., of the micro-robot neighboring the micro-robot considered, emitting an electrostatic field, and vice versa, so that the micro-robot considered moves along a part of the external surface formed by an external layer of the flexible strip and/or is immobilized against the other micro-robot and/or vice versa and/or reciprocally.
  • the programmable assembly consists of a set of microrobots.
  • an electrode of negative polarity of a pair of electrodes is intended to cooperate with an electrode of positive polarity of a pair of electrodes of a DFR of a another micro-robot, and vice versa or vice versa.
  • the reciprocal attractive force which is exerted between two adjacent microrobots is an electrostatic force exerted between, respectively, the at least one electrode of negative polarity and the at least one electrode of positive polarity of the at least a pair of electrodes of a DFR of the micro-robot considered on, respectively, the at least one electrode of positive polarity and the at least one electrode of negative polarity of a DFR of another micro-robot adjacent to the micro-robot considered.
  • At least part, preferably all, of the outer layer of the flexible headband of a micro-robot is intended to come into contact with at least part of the outer layer of the flexible headband of another microphone -robot.
  • the DFRs extend over all the flat zones and the curved zones so that a micro-robot in question moves along the outer layer of the flexible strip of a micro-robot adjacent to the micro-robot in question.
  • any characteristic of the micro-robot according to the invention can be directly transposed to the programmable assembly of micro-robots according to the invention and vice versa.
  • a method of manufacturing a micro-robot is also proposed.
  • the micro-robot obtained by the manufacturing process is intended to be part of a programmable assembly of micro-robots forming a three-dimensional structure with modular geometry according to the invention.
  • the micro-robot manufacturing process includes the steps consisting of:
  • DFR reversible fixing devices
  • control unit wraps the control unit and a part of the flexible strip adjacent to the control unit with a layer of polymer to immobilize the control unit on the flexible strip, preferably to secure the control unit to the part of the flexible strip adjacent to the control unit,
  • the flat flexible strip passes through, via an opening, the polyhedral housing so that a portion of the flat flexible strip extends outside the polyhedral housing,
  • the step consisting of sealing two hemispheres of the polyhedral housing together and/or the step consisting of immobilizing the portion of the flat flexible strip on a part of the external surface of the polyhedral housing is carried out by gluing. Bonding takes advantage of the particularly powerful capillarity phenomenon at the microscopic scale to guide the alignment of the components together.
  • the micro-robot manufacturing method according to the invention is suitable, more preferably is particularly suitable, more preferably is designed and in a particularly advantageous manner is specially designed. designed, to manufacture a micro-robot intended to be part of a programmable assembly of micro-robots forming a three-dimensional structure with modular geometry.
  • micro-robot according to the invention can be directly transposed to the manufacturing process according to the invention and vice versa.
  • FIGURE la is a schematic representation of a micro-robot according to the invention.
  • FIGURE lb is a schematic representation of a micro-robot according to the invention on which the housing is not shown,
  • FIGURE 2a is a schematic representation of the flexible headband, comprising a single tab, of the micro-robot illustrated in FIGURE la,
  • FIGURE 2b is a schematic representation of the flexible headband, comprising several tabs, of the micro-robot illustrated in FIGURE lb,
  • FIGURE 3a is a photograph of the flexible headband, comprising a single tab, of the micro-robot illustrated in FIGURE la and of the tab schematized in FIGURE 2a,
  • FIGURE 3b is a photograph of the case of a micro-robot
  • FIGURE 4a is a representation of a reversible fixation device comprising a pair of electrodes
  • FIGURE 4b is a representation of a reversible fixation device comprising two pairs of electrodes
  • FIGURE 4c is a representation of a reversible fixation device comprising eight pairs of electrodes
  • FIGURE 5 is a simplified schematic representation of the electronic circuit of the control unit of a micro-robot
  • FIGURE 6 is a schematic exploded view of the microrobot shown in FIGURE la.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • This selection includes at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art. .
  • each micro-robot 1 of the assembly comprises a polyhedral housing 2 and a flexible headband 3.
  • the flexible headband 3 comprising a set of reversible fixing devices 4, called DFR 4.
  • the DFR 4 extends along the assembly of the flexible headband 3.
  • the headband 3 comprises a printed circuit extending along the flexible headband 3.
  • the flexible headband 3 extends between a control unit 5 and along an external surface 6 of the polyhedral housing 2 on a part of which it extends.
  • the flexible strip 3 is electrically connected to the control unit 5.
  • the control unit 5 is contained in the polyhedral housing 2.
  • the control unit 5 is arranged to electrically power each of the DRFs 4 individually.
  • each micro-robot 1 comprises twelve DFR 4.
  • the shape of the polyhedral box 2, and therefore the shape of the micro-robots 1, must allow the aggregation or attachment of several robots to form a dense mesh by reducing the empty spaces in the programmable assembly.
  • such a shape also allows the micro-robots 1 to move more easily around, or on the surface of, each other.
  • a DFR 4 of the first micro-robot 1 is activated by the control unit 5 of the first micro-robot 1 and a DFR 4 of the second micro-robot 1 robot 1 is also activated so that a reciprocal attractive force is exerted between the DFR 4 of the first and second micro-robots 1. If none of the first and second micro-robots 1 is linked to a third, or to several other, micro-robots 1, the first micro-robot 1 can move along the part of the external surface of the second micro-robots 1 formed by the flexible strip 3 in the direction of the DFR. 4 of the second micro-robot 1 which is activated.
  • the activated DFR 4 of the first and second microrobots 1 can be immobilized against each other. Once the DFR 4 of the first and second micro-robots 1 are immobilized against each other, the activation of a DFR 4 close to the DFR 4 of the second micro-robot 1 already activated, preferably followed by gradual deactivation of the DFR 4 of the second micro-robot 1 already activated, will generate a new movement of the first micro-robot 1 along the part of the external surface of the second micro-robot 1 formed by the flexible strip 3 in the direction of the DFR 4 of the second micro-robot 1 which has just been activated.
  • the activation of a DFR 4, or several DFR 4s, by the control unit 5 of a micro-robot 1 causes the emission of an electrostatic field by the DFR 4, or the DFRs 4. As long as the electrostatic field is emitted, the DFR 4 in contact remain immobilized against each other. Deactivating a DFR 4, or stopping the power supply to a DFR 4, causes the DFR 4s to detach from each other in immobilized contact.
  • the flexible strip 3 forms an alternation of flat zones 13 and curved zones 11. Two successive flat zones 13 are interconnected by a curved zone 11.
  • the flexible strip 3 comprises an internal layer. This internal layer is in contact with part of the external surface 6 of the polyhedral housing 2.
  • all of the micro-robots 1 intended to form the assembly or forming the assembly are stacked or rest on a hollow base which serves as a reserve of micro-robots 1.
  • the base can be connected to a central unit comprising a processor.
  • a base of the base comprises a DFR 4 mesh.
  • Each DFR 4 of the base constitutes a fixing zone of a DFR 4 of a micro-robot of the assembly.
  • the base of the base can form a grid.
  • the base receives information regarding the shape of the assembly to be assembled.
  • the information is transmitted step by step from a micro-robot 1 to an adjacent micro-robot 1 against which it is immobilized.
  • Information passes between two DFR 4s in contact immobilized against each other. The information thus circulates from the base to the entire programmable assembly.
  • the micro-robots 1 are thus linked by capacitive coupling from the base then from micro-robot 1 to micro-robot 1.
  • a digital signal modulated by the base is transmitted column of micro-robot 1 by column of microphone -robot 1.
  • Each micro-robot 1 of the assembly thus receives the signal.
  • each micro-robot 1 demodulates the signal it receives then remodulates it to transfer it to all its neighbors in the direction of the signal.
  • each robot carries a finite state machine arranged to process these signals and activate or deactivate one or more of its DFR 4s according to the predefined assembly plan.
  • the base sends a new signal, different from the previous one, on all or only part of the coordinates of the grid corresponding to the columns of micro-robots 1 whose state must be modified.
  • the control unit 5 comprises, among other things, a set of slot generator 7 , denoted RO, arranged to power a charge pump converter.
  • the control unit further comprises a multiplexer 9, per electrode 12 of negative polarity, arranged to, from a negative output voltage, denoted VN, of the charge pump converter, generate a high negative voltage, denoted Nn.
  • the control unit 5 further comprises a multiplexer 10, by electrode 12 of positive polarity, arranged to, from a positive output voltage, denoted V m , of the charge pump converter, generate a high voltage positive, noted Pn.
  • the voltage difference delivered by the control unit is of the order of 100 Volts depending on the embodiment.
  • the control unit comprises twelve negative high voltage multiplexers 9 and twelve positive high voltage multiplexers 10 which select the appropriate positive and negative voltages from the outputs of the charge pump for electrostatic actuation and allow to overcome several electronic circuit challenges.
  • the control signals of the pass gates SI - Sm are shifted in level.
  • the bodies SI - Sm must be connected to VI - Vm, resulting in a large forward bias diode current DDB when the output voltage across Pn is greater than that of internal nodes VI - Vm.
  • the DI - Dm diodes have the effect of blocking this current.
  • the DI - Dm diodes are arranged in series to equalize their reverse bias state, lowering the diode voltage potential and reducing their leakage to sub-picoamp levels.
  • a switch SP and a capacitor CP are used to solve this problem by creating an equivalent resistance modulated by the frequency of the switch SP.
  • SP is switched non-overlapping with Si to avoid a direct path from Vi to Pn until Pn has stabilized.
  • the control signal for SP is also shifted in level. Since the VSMP voltage on CP changes rapidly during a charge transfer cycle, it cannot be tracked by a level shifter.
  • SP is implemented with an NMOS transistor and its control signal is level shifted compared to VPn, which is slow and can be tracked.
  • SI - Sm are implemented with PMOS transistors and their control signals are shifted by Vi.
  • the charge pump can only pull the output voltage Pn upwards. Without DC charging current, the voltage on Pn will decrease extremely slowly through leakage. Therefore, an intentional discharge path is also implemented with switching resistor SD1, SD2 and CD. By using the regular supply voltage to control switches SD1 and SD2, the charge transfer to CD (VDD-Vth) per cycle is limited, and Pn discharges gradually. When not discharging, SD1 and SD2 are turned off, greatly reducing leakage.
  • switches Sp, SD1 and SD2 would have to be PMOS, which is not possible because their n well, connected to the negative voltage Nn, would short circuit Psub via the diode .
  • a simpler multiplexer which selects between Vn and GND was therefore implemented.
  • the level shifter for Sn is referenced to Vn since it is a stable voltage.
  • the charge transfer between Vn and Nn is limited by the polyresistance Rn.
  • the level shifter When Sn is activated, the level shifter applies a gate voltage Vg, Sn is equal to the voltage difference Vn minus VDD and the source voltage of Sn will rise quickly to the voltage Vn minus VDD minus Vth, turning off the switch and self-limiting the transfer of charge. Vs, Sn will then slowly drop as charge flows through Rn, reactivating Sn and transferring charge from Nn to Vn in a controlled manner.
  • the negative multiplexer 9 provides a selection of differential voltage of the order of 40 V while the positive multiplexer 10 provides control with a step of the order of 3 V. To allow a value of VN depending on the application, it is determined by a wired connection between the negative pump output (Vi to V-13) and Vn.

Landscapes

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Abstract

Micro-robot destiné à faire partie d'un assemblage programmable de micro-robots formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable, ledit micro-robot comprend un boitier polyédrique (2), un bandeau flexible (3) comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible (4), dits DFR, comprenant chacun au moins une paire d'électrodes (12) et s'étendant entre une unité de commande (5), contenue dans le boitier polyédrique et agencée pour alimenter les DFR, et au moins une partie d'une surface externe (6) du boitier polyédrique sur laquelle le bandeau flexible s'étend. Le micro-robot est agencé pour qu'au moins un DFR émette un champ électrostatique par polarisation de l'au moins une paire d'électrode de l'au moins un DRF. L'unité de commande est agencée pour activer et désactiver, individuellement et pour chacun des DFR, la polarisation de l'au moins une paire d'électrodes de l'au moins un DFR de sorte à activer ou désactiver l'émission du champ électrostatique par l'au moins un DFR.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Micro-robot programmable et assemblage de tels micro-robots formant une structure tridimensionnelle modulable
Domaine technique
La présente invention appartient au domaine de la matière programmable.
La matière programmable désigne un objet physique modulaire reconfigurable.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l'état de la technique, le document Kirby B. T. et al., (2011), « Blinky blocks : a physical ensemble programming platform », CHI'll, Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems, pp. 1111-1116. Il y est décrit un ensemble de blocs millimétriques assemblables manuellement de manière réversible. Certaines propriétés des blocs, telles que l'émission d'une lumière ou d'un son, sont modifiées en fonction de l'assemblage réalisé.
Un but de l'invention est, en outre, de proposer un assemblage programmable de micro-robots :
- pouvant être commandé à distance sans manipulation ou manutention extérieure, qu'elle soit robotique ou manuelle, et/ou
- dont les micro-robots peuvent interagir physiquement et de manière autonome avec les micro-robots avoisinants, et/ou
- complètement automatisé et ne nécessitant pas de travailler dans un environnement contrôlé tel qu'une salle blanche, et/ou
- dont les micro-robots sont fabriqués indépendamment les uns des autres tout en gardant le même processus d'assemblage, et/ou
- dont les micro-robots peuvent être personnalisés et dont la programmation ou la configuration des micro-robots peut être mise à jour tout en gardant le même processus d'assemblage, et/ou
- dont les micro-robots ne comprennent aucune soudure.
Présentation de l'invention
A cet effet, il est proposé un micro-robot destiné à faire partie d'un assemblage programmable de micro-robots formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable. Le micro-robot comprend :
- un boitier polyédrique,
- un bandeau flexible :
• comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible, dits DFR, comprenant chacun au moins une paire d'électrodes,
• s'étendant entre une unité de commande, contenue dans le boitier polyédrique et agencée pour alimenter les DFR., et au moins une partie d'une surface externe du boitier polyédrique sur laquelle le bandeau flexible s'étend.
Le micro-robot est agencé pour qu'au moins un DFR émette un champ électrostatique par polarisation de l'au moins une paire d'électrode de l'au moins un DFR.
L'unité de commande est agencée pour activer et désactiver, individuellement et pour chacun des DFR, la polarisation de l'au moins une paire d'électrodes de l'au moins un DFR de sorte à activer ou désactiver l'émission du champ électrostatique par l'au moins un DFR.
Il peut être entendu par géométrie, une conformation ou agencement spatial.
De préférence, les DFR sont répartis le long du bandeau flexible. De préférence, les DFR sont répartis sur l'ensemble de la partie de la surface externe du boitier polyédrique sur laquelle le bandeau flexible s'étend.
Il peut être entendu par unité de commande un microcontrôleur.
De préférence, chacun des micro-robots comprend une unité de commande individuelle.
De préférence, l'unité de commande est autonome. Il peut être entendu par autonome une unité de commande ne comprenant pas de batterie.
Dans la présente demande, il peut être entendu par adjacent à proximité, contigu, accolé ou en contact.
De préférence, le bandeau flexible comprend un circuit imprimé.
De préférence, le circuit imprimé relie électriquement les DFR à l'unité de commande.
De préférence, le bandeau flexible comprend une alternance de zones planes et de zones courbes.
De préférence, deux zones planes successives sont reliées entre elles par une zone courbe. De préférence, les DFR s'étendent sur l'ensemble des zones planes. De préférence, les DFR. s'étendent sur l'ensemble des zones courbes.
De préférence, le bandeau flexible comprend une couche interne dont au moins une partie est en contact avec, de préférence est fixé à, l'au moins une partie de la surface externe du boitier polyédrique.
De préférence, le bandeau flexible comprend une couche externe électriquement isolante ; la couche externe constitue une partie de la surface externe du micro-robot.
De préférence, le bandeau flexible comprend une couche intermédiaire, comprise entre la couche interne et la couche externe, comprenant un matériau conducteur électrique.
De préférence, la couche intermédiaire comprend :
- des pistes électriques formées par le matériau conducteur électrique, et
- les DFR formés par le matériau conducteur.
De préférence, les pistes électriques s'étendent le long de la couche intermédiaire.
De préférence, les électrodes de l'au moins une paire d'électrodes sont adjacentes et de polarité inverse.
De préférence, une paire d'électrodes comprend au moins une électrode négative et au moins une électrode positive.
De préférence, l'unité de commande est agencée pour générer une différence de tension d'alimentation des DFR, dite haute tension, supérieure ou égale à 80 Volts, de préférence à 90 Volts, de préférence encore à 100 Volts.
Selon un perfectionnement de l'invention, l'unité de commande peut comprendre :
- au moins un générateur de créneaux agencé pour alimenter un convertisseur à pompe de charge,
- un multiplexeur, par électrode de polarité négative, agencé pour, à partir d'une tension de sortie négative du convertisseur à pompe de charge, générer une haute tension négative et un multiplexeur, par électrode de polarité positive, agencé pour, à partir d'une tension de sortie positive du convertisseur à pompe de charge, générer une haute tension positive.
Selon l'invention, il est également proposé un assemblage programmable de micro-robots selon l'invention formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable.
Pour un micro-robot considéré situé à proximité d'un autre micro-robot, le champ électrostatique émis par l'au moins un DFR, du micro-robot considéré, émettant un champ électrostatique exerce une force attractive réciproque sur l'au moins un DFR., du micro-robot avoisinant le micro-robot considéré, émettant un champ électrostatique, et réciproquement, de sorte que le micro-robot considéré se déplace le long d'une partie de la surface externe formée par une couche externe du bandeau flexible et/ou soit immobilisé contre l'autre micro-robot et/ou inversement et/ou réciproquement.
De préférence, l'assemblage programmable est constitué d'un ensemble de micro- robots.
De préférence, pour un DFR d'un micro-robot considéré, une électrode de polarité négative d'une paire d'électrode est destinée à coopérer avec une électrode de polarité positive d'une paire d'électrode d'un DFR d'un autre micro-robot, et inversement ou réciproquement.
De préférence, la force attractive réciproque qui s'exerce entre deux microrobots adjacents est une force électrostatique s'exerçant entre, respectivement, l'au moins une électrode de polarité négative et l'au moins une électrode de polarité positive de l'au moins une paire d'électrodes d'un DFR du micro-robot considéré sur, respectivement, l'au moins une électrode de polarité positive et l'au moins une électrode de polarité négative d'un DFR d'un autre micro-robot adjacent au micro-robot considéré.
De préférence, au moins une partie, de préférence l'ensemble, de la couche externe du bandeau flexible d'un micro-robot est destinée à entrer en contact avec au moins une partie de la couche externe du bandeau flexible d'un autre micro-robot.
De préférence, les DFR s'étendent sur l'ensemble des zones planes et des zones courbes de sorte qu'un micro-robot considéré se déplace le long de couche externe du bandeau flexible d'un micro-robot adjacent au micro-robot considéré. Ainsi, toute caractéristique du micro-robot selon l'invention est directement transposable à l'assemblage programmable de micro-robots selon l'invention et inversement.
Selon l'invention, il est également proposé un procédé de fabrication d'un micro-robot. De préférence, le micro-robot obtenu par le procédé de fabrication est destiné à faire partie d'un assemblage programmable de micro-robots formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable selon l'invention. Le procédé de fabrication du micro-robot comprend les étapes consistant à :
- connecter électriquement une unité de commande à un bandeau flexible plan comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible, dits DFR,
- envelopper l'unité de commande et une partie du bandeau flexible adjacente à l'unité de commande d'une couche de polymère pour immobiliser l'unité de commande sur le bandeau flexible, de préférence pour solidariser l'unité de commande à la partie du bandeau flexible adjacente à l'unité de commande,
- sceller deux hémisphères d'un boitier polyédrique à l'intérieure duquel est logé l'unité de commande ; le bandeau flexible plan traverse, via une ouverture, le boitier polyédrique de sorte qu'une portion du bandeau flexible plan s'étende à l'extérieur du boitier polyédrique,
- plier et immobiliser la portion du bandeau flexible plan s'étendant à l'extérieur du boitier polyédrique de sorte qu'elle épouse la forme du boitier polyédrique et s'étende sur une partie d'une surface externe du boitier polyédrique.
De préférence, l'étape consistant à sceller deux hémisphères du boitier polyédrique entre eux et/ou l'étape consistant à immobiliser la portion du bandeau flexible plan sur une partie de la surface externe du boitier polyédrique est réalisée par collage. Le collage tire avantage du phénomène de capillarité particulièrement puissant à l'échelle microscopique pour guider l'alignement des composants entre eux.
De préférence, le procédé de fabrication de micro-robot selon l'invention convient, de préférence encore est particulièrement adapté, de manière davantage préférée est conçue et de manière particulièrement avantageuse est spécialement con- çue, pour fabriquer un micro-robot destiné à faire partie d'un assemblage programmable de micro-robots formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable.
Toute caractéristique du micro-robot selon l'invention est directement trans- posable au procédé de fabrication selon l'invention et inversement.
Description des figures
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
[Fig. la] la FIGURE la est une représentation schématique d'un micro-robot selon l'invention,
[Fig. lb] la FIGURE lb est une représentation schématique d'un micro-robot selon l'invention sur lequel le boitier n'est pas représenté,
[Fig. 2a] la FIGURE 2a est une représentation schématique du bandeau flexible, comprenant une seule languette, du micro-robot illustré sur la FIGURE la,
[Fig. 2b] la FIGURE 2b est une représentation schématique du bandeau flexible, comprenant plusieurs languettes, du micro-robot illustré sur la FIGURE lb,
[Fig. 3a] la FIGURE 3a est une photographie du bandeau flexible, comprenant une seule languette, du micro-robot illustré sur la FIGURE la et de la languette schématisée sur la FIGURE 2a,
[Fig. 3b] la FIGURE 3b est une photographie du boitier d'un micro-robot,
[Fig. 4a] la FIGURE 4a est une représentation d'un dispositif de fixation réversible comprenant une paire d'électrodes,
[Fig. 4b] la FIGURE 4b est une représentation d'un dispositif de fixation réversible comprenant deux paires d'électrodes,
[Fig. 4c] la FIGURE 4c est une représentation d'un dispositif de fixation réversible comprenant huit paires d'électrodes,
[Fig. 5] la FIGURE 5 est une représentation schématique simplifié du circuit électronique de l'unité de commande d'un micro-robot,
[Fig. 6] la FIGURE 6 est une représentation schématique en vue éclaté du microrobot représenté sur la FIGURE la.
Description des modes de réalisation
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En référence aux FIGURES 1 à 6, il est présenté un mode de réalisation d'un micro-robot 1 selon l'invention. Le micro-robot 1 est destiné à faire partie d'un assemblage programmable de micro-robots 1 formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable. Chaque micro-robot 1 de l'assemblage comprend un boitier polyédrique 2 et un bandeau flexible 3. Le bandeau flexible 3 comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible 4, dits DFR 4. Les DFR 4 s'étendent le long de l'ensemble du bandeau flexible 3. Le bandeau 3 comprend un circuit imprimé s'étendant le long du bandeau flexible 3. Le bandeau flexible 3 s'étend entre une unité de commande 5 et le long d'une surface externe 6 du boitier polyédrique 2 sur une partie de laquelle à laquelle il s'étend. Le bandeau flexible 3 est électriquement connecté à l'unité de commande 5. L'unité de commande 5 est contenue dans le boitier polyédrique 2. L'unité de commande 5 est agencée pour alimenter électriquement chacun des DRF 4 individuellement. Selon le mode de réalisation non limitatif, chaque micro-robot 1 comprend douze DFR 4.
La forme du boitier polyédrique 2, et donc la forme des micro-robots 1, doit permettre l'agrégation ou la fixation de plusieurs robots pour former un maillage dense en réduisant les espaces vides dans l'assemblage programmable. En outre, une telle forme permet également aux micro-robots 1 de se mouvoir plus facilement les uns autour, ou sur la surface, des autres.
Lorsqu'un premier micro-robot 1 est contigu à un deuxième micro-robot 1, un DFR 4 du premier micro-robot 1 est activé par l'unité de commande 5 du premier micro-robot 1 et un DFR 4 du deuxième micro-robot 1 est également activé de sorte qu'une force attractive réciproque soit exercée entre les DFR 4 des premier et deuxième micro-robots 1. Si aucun des premier et deuxième micro-robots 1 n'est lié à un troisième, ou à plusieurs autres, micro-robots 1, le premier micro-robot 1 peut se déplacer, le long de la partie de la surface externe du deuxième micro-robots 1 formée par le bandeau flexible 3 en direction du DFR. 4 du deuxième micro-robot 1 qui est activé. Une fois face à face, les DFR 4 activés des premier et deuxième microrobots 1 peuvent être immobilisés l'un contre l'autre. Une fois les DFR 4 des premier et deuxième micro-robots 1 immobilisés l'un contre l'autre, l'activation d'un DFR 4 voisin du DFR 4 du deuxième micro-robot 1 déjà activé, de préférence succédé par la désactivation graduelle du DFR 4 du deuxième micro-robot 1 déjà activé, va engendrer un nouveau déplacement du premier micro-robot 1 le long de la partie de la surface externe du deuxième micro-robots 1 formée par le bandeau flexible 3 en direction du DFR 4 du deuxième micro-robot 1 qui vient d'être activé.
L'activation d'un DFR 4, ou de plusieurs DFR 4, par l'unité de commande 5 d'un micro-robot 1 engendre l'émission d'un champ électrostatique par le DFR 4, ou les DFR 4. Tant que le champ électrostatique est émis, les DFR 4 en contact restent immobilisés l'un contre l'autre. La désactivation d'un DFR 4, ou l'arrêt de l'alimentation électrique d'un DFR 4, entraine le détachement des DFR 4 en contact immobilisé l'un contre l'autre.
Selon le mode de réalisation, la taille des DFR 4 est de l'ordre de 800 pm2, elle est, de préférence, inférieure ou égale au mm2. Une telle taille de DFR a pour effet de tirer le meilleur parti des forces électrostatiques qui sont plus fortes à petite échelle. En outre, la taille du micro-robot 1, qui va de pair avec son poids, est de l'ordre de 3 mm selon le mode de réalisation, elle est, de préférence inférieure à 5 mm.
Le bandeau flexible 3 forme une alternance de zones planes 13 et de zones courbes 11. Deux zones planes 13 successifs sont reliés entre eux par une zone courbe 11. Le bandeau flexible 3 comprend une couche interne. Cette couche interne est en contact avec une partie de la surface externe 6 du boitier polyédrique 2.
Chaque DFR 4 est formé par au moins une paire d'électrodes 12 adjacentes de polarité inverse. La force attractive est une force électrostatique exercée par une ou plusieurs électrodes 12 de polarité négative d'un DFR 4 d'un premier micro-robot 1 sur au moins une électrode 12 de polarité positive d'un DFR 4 d'un autre microrobot avoisinant le premier. Le bandeau flexible 3 comprend également une couche intermédiaire comprise entre la couche interne et la couche externe. Cette couche intermédiaire comprend un matériau conducteur électrique. Le matériau conducteur électrique de la couche intermédiaire forme des pistes électriques alimentant l'ensemble des DFR 4 d'un micro-robot 1. Le matériau conducteur électrique de la couche intermédiaire forme également les DFR. 4.
Le bandeau flexible 3 comprend également une couche externe électriquement isolante. Cette couche externe a pour effet d'éviter un court-circuit entre deux DFR 4 de deux micro-robots 1 accolés et fixés entre eux. Lorsque deux DFR 4 de deux micro-robots 1 sont accolés et fixés entre eux, la partie de la couche externe du bandeau flexible 3 de chacun des deux micro-robots 1 en question est destinée à entrer en contact avec au moins une partie de la couche externe du bandeau flexible d'un autre micro-robot,
Selon un mode de réalisation non limitatif, l'ensemble des micro-robots 1 destinés à former l'assemblage ou formant l'assemblage sont empilés ou reposent sur un socle creux qui sert de réserve de micro-robots 1. Le socle peut être relié à une unité centrale comprenant un processeur. Selon un mode de réalisation non limitatif, une base du socle comprend un maillage de DFR 4. Chaque DFR 4 du socle constitue une zone de fixation d'un DFR 4 d'un micro-robot de l'assemblage. La base du socle peut former une grille.
Le socle reçoit des informations concernant la forme de l'assemblage à assembler. Les informations sont transmises de proche en proche d'un micro-robot 1 à un micro-robot 1 contigu contre lequel il est immobilisé. Les informations transitent entre deux DFR 4 en contact immobilisés l'un contre l'autre. L'information circule ainsi depuis le socle vers l'ensemble de l'assemblage programmable.
Les micro-robots 1 sont ainsi liés par couplage capacitif depuis le socle puis de micro-robot 1 à micro-robot 1. Selon le mode réalisation, un signal digital modulé par le socle est transmis colonne de micro-robot 1 par colonne de micro-robot 1. Chaque micro-robot 1 de l'assemblage ainsi reçoit le signal. Par exemple, chaque micro-robot 1 démodule le signal qu'il reçoit puis le remodule pour le transférer à tous ses voisins dans la direction du signal. De préférence, chaque robot embarque une machine à états finis agencée pour traiter ces signaux et activer ou désactiver un ou plusieurs de ses DFR 4 en fonction du plan d'assemblage prédéfini. Pour changer la configuration de l'assemblage, le socle envoi un nouveau signal, différent du précédent, sur l'ensemble ou uniquement sur une partie des coordonnées de la grille correspondant aux colonnes de micro-robots 1 dont l'état doit être modifié.
En référence à la FIGURE 5, il est présenté un mode de réalisation du circuit électronique de l'unité de commande 5 d'un micro-robot 1. L'unité de commande 5 comprend, entre autres, un ensemble de générateur de créneaux 7, noté RO, agencés pour alimenter un convertisseur à pompe de charge. L'unité de commande comprend, en outre, un multiplexeur 9, par électrode 12 de polarité négative, agencé pour, à partir d'une tension de sortie négative, notée VN, du convertisseur à pompe de charge, générer une haute tension négative, notée Nn. L'unité de commande 5 comprend, en outre, un multiplexeur 10, par électrode 12 de polarité positive, agencé pour, à partir d'une tension de sortie positive, notée Vm, du convertisseur à pompe de charge, générer une haute tension positive, notée Pn. La différence de tension délivrée par l'unité de commande est de l'ordre de 100 Volts selon le mode de réalisation.
On observe sur la FIGURE 5 les pompes de charge positives et négatives, générant respectivement -40V et 70V. Pour obtenir une faible puissance, la génération du signal d'horloge utilise un générateur de créneaux 7, modulé par la tension de polarisation VBP/VBN. Selon le mode de réalisation, l'unité de commande comprend douze multiplexeurs haute tension négative 9 et douze multiplexeurs haute tension positive 10 qui sélectionnent les tensions positives et négatives appropriées à partir des sorties de la pompe de charge pour l'actionnement électrostatique et permettent de surmonter plusieurs défis de circuit électronique.
Cette réalisation permet de charger une fois seulement le convertisseur à pompe de charge à l'initialisation du micro-robot 1, et de connecter ou déconnecter les DRF 4 par un circuit indépendant, garantissant agilité et rapidité du basculement, et réduit les pertes d'énergie liées aux fuites lors du chargement et déchargement du convertisseur à pompe de charge.
Pour la haute tension positive, les signaux de commande des portes de passage SI - Sm sont décalés en niveau. Pour une porte de passage PMOS donnée correspondant à une tension de sortie positive, les corps SI - Sm doivent être connectés à VI - Vm, ce qui entraîne un courant de diode de polarisation directe important DDB lorsque la tension de sortie sur Pn est supérieure à celle des nœuds internes VI - Vm. Les diodes DI - Dm ont pour effet de bloquer ce courant. Les diodes DI - Dm sont disposées en série pour égaliser leur état de polarisation inverse, abaissant le potentiel de tension de diode et réduisant leur fuite à des niveaux inférieurs au picoampère.
Lorsqu'un commutateur de tension, noté Si où i varie de 1 à m, augmente la tension de sortie de Pn, tirant une grande charge d'appel de la pompe de charge, Vi et d'autres tensions d'électrode 12 s'effondrent. Par conséquent, le taux de transfert de charge de VI - Vm à Pn doit être soigneusement limité pour garantir des tensions stables à toutes les électrodes 12 contenues dans les DRF 4. Un commutateur SP et un condensateur CP sont utilisés pour résoudre ce problème en créant une résistance équivalente modulée par la fréquence du commutateur SP. SP est commuté sans chevauchement avec Si pour éviter un chemin direct de Vi à Pn jusqu'à ce que Pn se soit stabilisé. Le signal de commande pour SP est également décalé en niveau. Étant donné que la tension VSMP sur CP change rapidement pendant un cycle de transfert de charge, il ne peut pas être suivi par un décaleur de niveau. SP est implémenté avec un transistor NMOS et son signal de commande est décalé en niveau par rapport à VPn, qui est lent et peut être suivi. Pour des raisons similaires, SI - Sm sont implémentés avec des transistors PMOS et leurs signaux de commande sont décalés de Vi.
Avec l'ajout des diodes DI - Dm, la pompe de charge ne peut que tirer la tension de sortie Pn vers le haut. Sans courant de charge CC, la tension sur Pn diminuera extrêmement lentement par fuite. Par conséquent, un chemin de décharge intentionnelle est également implémenté avec une résistance de commutation SD1, SD2 et CD. En utilisant la tension d'alimentation régulière pour contrôler les commutateurs SD1 et SD2, le transfert de charge vers CD (VDD-Vth) par cycle est limité, et Pn se décharge progressivement. Lorsqu'ils ne se déchargent pas, SD1 et SD2 sont éteints, ce qui réduit fortement les fuites.
En utilisant la même approche pour la pompe à charge négative, les commutateurs Sp, SD1 et SD2 devraient être des PMOS, ce qui n'est pas possible car leur puits n, connecté à la tension négative Nn, court-circuiterait Psub via la diode. Un multiplexeur plus simple qui sélectionne entre Vn et GND a donc été implémenté. Dans ce multiplexeur, le décaleur de niveau pour Sn est référencé à Vn puisqu'il s'agit d'une tension stable. Le transfert de charge entre Vn et Nn est limité par la polyrésistance Rn. Lorsque Sn est désactivé, la tension de source de Sn est Vs, Sn est égal à Vn tandis que Vd, Sn est égal à Nn qui est égal à zéro Volt. Lorsque Sn est activé, le décaleur de niveau applique une tension de porte Vg, Sn est égal à la différence de tension Vn moins VDD et la tension de source de Sn montera rapidement jusqu'à la tension Vn moins VDD moins Vth, éteignant l'interrupteur et autolimitant le transfert de charge. Vs, Sn chutera ensuite lentement au fur et à mesure que la charge s'écoule à travers Rn, réactivant Sn et transférant la charge de Nn à Vn de manière contrôlée. Le multiplexeur négatif 9 fournit une sélection de tension différentielle de l'ordre de 40 V tandis que multiplexeur positif 10 fournit un contrôle avec un pas de l'ordre de 3 V. Pour permettre une valeur de VN dépendante de l'application, elle est déterminée par une connexion câblée entre la sortie négative de la pompe (V-i à V-13) et Vn.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Micro-robot (1) destiné à faire partie d'un assemblage programmable de microrobots formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable, ledit microrobot comprend :
- un boitier polyédrique (2),
- un bandeau flexible (3) :
• comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible (4), dits DFR, comprenant chacun au moins une paire d'électrodes (12),
• s'étendant entre une unité de commande (5), contenue dans le boitier polyédrique et agencée pour alimenter les DFR, et au moins une partie d'une surface externe (6) du boitier polyédrique sur laquelle le bandeau flexible s'étend ; le micro-robot est agencé pour qu'au moins un DFR émette un champ électrostatique par polarisation de l'au moins une paire d'électrode de l'au moins un DRF ; l'unité de commande est agencée pour activer et désactiver, individuellement et pour chacun des DFR, la polarisation de l'au moins une paire d'électrodes de l'au moins un DFR de sorte à activer ou désactiver l'émission du champ électrostatique par l'au moins un DFR.
2. Micro-robot (1) selon la revendication 1, dans lequel le bandeau flexible (3) comprend un circuit imprimé reliant électriquement les DFR (4) à l'unité de commande (5).
3. Micro-robot (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le bandeau flexible (3) comprend une alternance de zones planes (13) et de zones courbes (11) ; deux zones planes successives sont reliées entre elles par une zone courbe.
4. Micro-robot (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bandeau flexible (3) comprend :
- une couche interne dont au moins une partie est en contact avec l'au moins une partie de la surface externe (6) du boitier polyédrique (2),
- une couche externe électriquement isolante ; la couche externe constitue une partie de la surface externe du micro-robot,
- une couche intermédiaire, comprise entre la couche interne et la couche externe, comprenant un matériau conducteur électrique.
5. Micro-robot (1) selon la revendication 4, dans lequel la couche intermédiaire comprend :
- des pistes électriques formées par le matériau conducteur électrique, et
- les DFR (4) formés par le matériau conducteur.
6. Micro-robot (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les électrodes (12) de l'au moins une paire d'électrodes sont adjacentes et de polarité inverse.
7. Micro-robot (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande (5) est agencée pour générer une différence de tension d'alimentation des DFR (4), dite haute tension, supérieure ou égale à 80 Volts.
8. Micro-robot (1) selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 6, dans lequel l'unité de commande (5) comprend :
- au moins un générateur de créneaux (7) agencé pour alimenter un convertisseur à pompe de charge,
- un multiplexeur (9), par électrode (12) de polarité négative, agencé pour, à partir d'une tension de sortie négative du convertisseur à pompe de charge, générer une haute tension négative et un multiplexeur (10), par électrode (12) de polarité positive, agencé pour, à partir d'une tension de sortie positive du convertisseur à pompe de charge, générer une haute tension positive.
9. Assemblage programmable de micro-robots (1) selon l'une des revendications 1 à 8 formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable, lesdits microrobots comprennent chacun :
- un boitier polyédrique (2),
- un bandeau flexible (3) :
• comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible (4), dits DFR., comprenant chacun au moins une électrode,
• s'étendant entre une unité de commande (5), contenue dans le boitier polyédrique et agencée pour alimenter les DFR, et au moins une partie d'une surface externe (6) du boitier polyédrique sur laquelle le bandeau flexible s'étend ; pour chacun des micro-robots, au moins un DFR est agencé pour émettre un champ électromagnétique par polarisation de l'au moins une électrode de l'au moins un DRF et, pour un micro-robot considéré situé à proximité d'un autre micro-robot, le champ électrostatique émis par l'au moins un DFR, du micro-robot considéré, émettant un champ électrostatique exerce une force attractive réciproque sur l'au moins un DFR, du micro-robot avoisinant le micro-robot considéré, émettant un champ électrostatique, et réciproquement, de sorte que le micro-robot considéré soit déplacé vers et/ou immobilisé contre l'autre micro-robot et/ou inversement et/ou réciproquement ; l'unité de commande est agencée pour activer et désactiver, individuellement et pour chacun des DFR, la polarisation de l'au moins une paire d'électrodes de l'au moins un DFR. de sorte à activer ou désactiver l'émission du champ électrostatique par l'au moins un DFR.
10. Procédé de fabrication d'un micro-robot (1) selon l'une des revendications 1 à 8, ledit micro-robot étant destiné à faire partie d'un assemblage programmable de micro-robots formant une structure tridimensionnelle à géométrie modulable selon la revendication 9, ledit procédé comprenant les étapes consistant à :
- connecter électriquement une unité de commande (5) à un bandeau flexible (3) plan comprenant un ensemble de dispositifs de fixation réversible (4), dits DFR, comprenant chacun au moins une paire d'électrodes (12),
- envelopper l'unité de commande et une partie du bandeau flexible adjacente à l'unité de commande d'une couche de polymère pour immobiliser l'unité de commande sur le bandeau flexible,
- sceller deux hémisphères d'un boitier polyédrique (2) à l'intérieure duquel est logé l'unité de commande ; le bandeau flexible plan traverse, via une ouverture, le boitier polyédrique de sorte qu'une portion du bandeau flexible plan s'étende à l'extérieur du boitier polyédrique,
- plier et immobiliser la portion du bandeau flexible plan s'étendant à l'extérieur du boitier polyédrique de sorte qu'elle épouse la forme du boitier polyédrique et s'étende sur une partie d'une surface externe (6) du boitier polyédrique.
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MUSTAFA EMRE KARAGOZLER ET AL: "Electrostatic actuation and control of micro robots using a post-processed high-voltage SOI CMOS chip", CIRCUITS AND SYSTEMS (ISCAS), 2011 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON, IEEE, 15 May 2011 (2011-05-15), pages 2509 - 2512, XP031998169, ISBN: 978-1-4244-9473-6, DOI: 10.1109/ISCAS.2011.5938114 *

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