Contribution to localization and motion control of inertial actuated nano-robotic systems inside electron microscopy
Institution:
Sorbonne universitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis targets the development of a generic, intelligent and user friendly interface that can manage elementary robotic tasks needed inside a SEM by simply defining graphical instructions on the SEM screen. To deal with the very high magnification capability of SEM and to be able to reach any region of interest on sample observed by SEM, the robot end effectors must be able to navigate with a displacement range to resolution ratio of several million times. As such, all the motion control must deal with multi-scale trajectories, i.e. from nano-meter range up to milliliter range. The experimental platform in this thesis is the ISIR-robotex nano-robotic platform. It is composed of a poly-articulated nano-robotic system actuated by piezoelectric inertial actuators (PIAs) and holding a self-sensing Atomic force Microscope (AFM) probe as end effector. The main contributions are : Non-linear modeling of piezoelectric inertial actuators to deal with multi-scale dynamic representation issues. Velocity characterization and velocity control of a class of piezoelectric inertial actuators. High level multi-scale path following control of an AFM operating inside electron microscopes. AFM tip localization and tracking through deep learning based vision inside an electron microscope. Model predictive control (MPC)-based path following and obstacle avoidance for an AFM cantilever operating inside electron microscopes. The developed methods enrich the motion capability and sensing of nano-robotic systems operating inside SEMs, accelerating the process towards a fully-automation for robotic manipulation purposes at the small scales.
Abstract FR:
Cette thèse développe une interface générique, intelligente et conviviale, capable de gérer des tâches robotiques élémentaires nécessaires à l'intérieur de SEM en définissant simplement des instructions graphiques sur son écran. Pour faire face à la capacité de grossissement très élevée du SEM et pour pouvoir atteindre n'importe quelle région d'intérêt sur un échantillon dans SEM, les effecteurs terminaux de robot doivent pouvoir naviguer avec mouvement doivent traiter avec des trajectoires multi-échelles, du nanomètre à la millilitre. La plate-forme expérimentale, nano-robotic ISIR-robotex est composé des actionneurs à inertie piézoélectriques et tenant une sonde de microscope à force atomique (AFM) comme effecteur terminal. Les principales contributions sont: Modélisation non linéaire d'actionneurs à inertie piézoélectriques pour traiter les problèmes de représentation dynamique multi-échelles ; Caractérisation de la vitesse et contrôle de la vitesse d'une classe d'actionneurs à inertie piézoélectriques ; Trajectoire multi-échelles de haut niveau suivant le contrôle d’un AFM fonctionnant à l’intérieur de microscopes électroniques. La localisation de la pointe AFM et son suivi dans le cadre d'une vision basée sur Deep Learning à l'intérieur d'un microscope électronique. Suivi de trajectoire basé sur le contrôle prédictif (MPC) et évitement d'obstacles pour un cantilever AFM fonctionnant à l'intérieur d'un microscope électronique. Les méthodes développées enrichissent la capacité de mouvement et la détection de systèmes nano-robotiques fonctionnant dans SEM, accélérant ainsi le processus vers une automatisation complète à des fins de manipulation robotique à petite échelle.