Dissertations / Theses on the topic 'Reconfigurable cable-driven parallel robots'

L’objectif de cette thèse est de concevoir et de contrôler un système de Robot Parallèle à Câbles (RPC) à quatre câbles pour la manipulation dextre de pièces sur des chaînes de production. Pour une ligne de fabrication déjà installée, l’espace de travail est souvent limité et l’ajout d’un nouveau robot-sériel sur le sol de l’atelier est parfois difficile. L’utilisation du plafond pour fixer une machine lourde n’est pas toujours possible car il pourrait être nécessaire de renforcer la structure. Le RPC est un moyen de réaliser la tâche avec une faible modification de l’atelier existant. La nouveauté du travail réside dans le fait que la majorité des conceptions existantes placent les moteurs d’actionnement et les treuils de la plate-forme de base, alors que dans ce travail, les moteurs d’actionnement sont embarqués sur la plate-forme mobile, ce qui permet de fixer facilement le RPC dans la chaîne de fabrication avec des points d’ancrage simples. Tout d’abord, l’espace de travail du RPC pour l’environnement souhaité est étudié. La nature sous-actionnée du robot et la contrainte d’une force de tension positive du câble imposés en raison de la flexibilité des câbles limitent sont la base d’une étude sur l’espace de travail respectant les conditions d’équilibre statique. Les équations d’équilibre statique classiques ont été utilisés pour calculer l’espace de travail du robot et le comportement correspondant de la plateforme mobile. Les angles d’orientation de la plate-forme ont été présentés. Plusieurs études de cas ont été montres avec différentes charges utiles attachées à la plate-forme mobile. Les dimensions de la plate-forme mobile et la structure de base ont également été modifiées afin de calculer le domaine de l’espace de travail où les performances du robot peuvent être satisfaisantes. Les dimensions du prototype ont été fixées en tenant compte de l’espace de travail. Par la suite, le modèle dynamique classique du RPC a été utilisé pour mettre en œuvre la loi de contrôle. La deuxième partie de la thèse présente la conception et la mise en œuvre des lois de contrôle pour la RPC. La linéarisation classique de la rétroaction entrée- sortie (IOFL) est développée et des résultats de simulation ont été présentés. Le rôle de la dynamique interne présente dans le système en raison de la sous-performance a été démontré en utilisant leur diagramme de phase. Deux solutions possibles ont été envisagées afin de réduire l’effet des dynamiques internes sur le système. La première solution consiste à utiliser des proportions appropriées pour la plate-forme et la structure de base. Des résultats de simulation ont été présentés pour montrer le comportement de la plate-forme lorsque les dimensions sont modifiées. Une linéarisation modifiée de la rétroaction (MFL) a été proposé comme une solution ad-hoc pour éliminer les effets de la dynamique interne. Les résultats de la simulation obtenus montrent que la solution ad-hoc proposée fonctionne efficacement et nettement mieux que la technique classique de l’IOFL pour certaines dimensions du RPC. L’utilisation de cette approche pour différents cas de RPC doit faire l’objet d’une étude enquête. Les résultats expérimentaux validant la technique de l’IOFL sont présentés pour démontrer le comportement satisfaisant de le RPC avec le contrôle. L’objectif global du projet est de développer un robot parallèle à câble qui peut travailler avec un opérateur dans une chaîne de fabrication pleinement fonctionnelle et aider le travailleur à soulever les objets lourds ou chauds. Cette thèse réalise la première étape pour rendre un prototype de RPC qui sera par la suite amélioré pour le rendre collaboratif
This thesis aims to design and control an underactuated Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) with four cables for the agile handling of parts in a manufacturing line. For already installed manufacturing lines, most of the available working space is often used, and adding a new serial robot on the workshop ground is sometimes difficult. Using the ceiling to fix heavy machines is not always possible, and it could be necessary to reinforce the structure. CDPR is a way to achieve the work with a light structure, with low modification of the existing workshop. The novelty of the work lies in the fact that the majority of the existing designs place the actuating motors and the winches on the base platform, whereas in this work, the actuating motors are placed on the moving platform, making it convenient for the CDPR to be fixed in the manufacturing line with simple anchor points. First, the workspace of the CDPR for the desired environment is investigated. The underactuated nature of the robot and the positive cable tension constraint imposed due to the flexibility of the cable limit the workspace investigation to static equilibrium conditions. The classical static equilibrium equations have been used to calculate the robot workspace and the corresponding behavior of the plat- form orientation angles have been presented. Several case studies have been shown with different payloads attached to the moving platform. The dimensions of the moving platform and the base structure have also been changed to understand the possible region of the workspace where the robot performance can be satisfactory. The prototype dimensions have been fixed taking into account the workspace performance. Following this, the classical dynamic model developed in the field of CDPR has been used to implement the control law on the CDPR. The second part of the thesis presents the design and implementation of the control laws for the CDPR. The classical Input-Output Feedback Linearization (IOFL) technique is developed and simulation results have been presented. The role of internal dynamics present in the system because of the underactuation is demonstrated using their phase-plane plots. Two possible solutions have been suggested to reduce the effect of internal dynamics on the system. The first solution is to use appropriate dimensions for the platform and the base structure. Simulation results have been presented to show the behavior of the platform when the dimensions are changed. A Modified Feedback Linearization (MFL) has been proposed as an ad-hoc solution for eliminating the effects of the internal dynamics. The simulation results obtained show that the proposed ad-hoc solution performs efficiently and significantly better than the classical IOFL technique for certain dimensions of the CDPR. The use of this approach for different cases of CDPR needs to be investigated. Experimental results validating the IOFL technique are presented to demonstrate the satisfactory behavior of the CDPR with the control law developed during the thesis. The overall objective of the project is to develop a CDPR that can work with an operator in a fully functional manufacturing line and aid the worker in lifting heavy or hot objects. This thesis achieves the first step in making a functional prototype of a CDPR which will be improved further to make it collaborative

Cette thèse présente un nouveau concept de robots parallèles à câble mobile (RPCM) comme un nouveau système robotique. RPCM est composé d'un robot parallèle à câble (RPC) classique monté sur plusieurs bases mobiles. Les RPCMs combinent l'autonomie des robots mobiles avec les avantages des RPCs, à savoir un grand espace de travail, un rapport charge utile/poids élevé, une faible inertie de l'effecteur final, une capacité de déploiement et une reconfigurabilité. De plus, les RPCMs présentent une nouvelle innovation technique qui pourrait contribuer à apporter plus de flexibilité et de polyvalence par rapport aux solutions robotiques industrielles existantes. Deux prototypes de RPCMs appelés FASTKIT et MoPICK ont été développés au cours de cette thèse. FASTKIT est composé de deux bases mobiles portant une plate-forme mobile à six degrés de liberté, tirée par huit câbles, dans le but de fournir une solution robotique économique et polyvalente pour la logistique. MoPICK est composé d'une plate-forme mobile à trois degrés de liberté tirée par quatre câbles montés sur quatre bases mobiles. Les applications ciblées de MoPICK sont des tâches mobiles dans un environnement contraint, par exemple un atelier ou des opérations logistiques dans un entrepôt. Les contributions de cette thèse sont les suivantes. Tout d'abord, toutes les conditions nécessaires à l'atteinte de l'équilibre statique d'un RPCM sont étudiées. Ces conditions sont utilisées pour développer un algorithme de distribution de tension pour le contrôle en temps réel des câbles RPCM. Les conditions d'équilibre sont également utilisées pour étudier l'espace de travail clé en main des RPCMs. Ensuite, les performances cinématiques et les capacités de torsion des RPCMs sont étudiées. Enfin, la dernière partie de la thèse présente des stratégies de planification de trajectoires multiples pour les RPCMs afin de reconfigurer l'architecture géométrique du RPC pour réaliser la tâche souhaitée
This thesis presents a novel concept of Mobile Cable - Driven Parallel Robots (MCDPRs) as a new robotic system. MCDPR is composed of a classical C able - D riven P a rallel R obot (CDPR) mounted on multiple mobile bases. MCDPRs combines the autonomy of mobile robots with the advantages of CDPRs, namely, large workspace, high payload - to - weight ratio, low end - effector inertia, deployability and reconfigurability. Moreover , MCDPRs presents a new technical innovation that could help to bring more flexibility and versatility with respect to existing industrial robotic solutions. Two MCDPRs prototypes named FASTKIT and MoPICK have been developed during the course of this the sis. FASTKIT is composed of two mobile bases carrying a six degrees - of - freedom moving - platform, pulled by eight cables , with a goal to provide a low cost and versatile robotic solution for logistics. MoPICK is composed of a three degrees - of - freedom movi ng - platform pulled by four cables mounted on four mobile bases. The targeted applications of MoPICK are mobile tasks in a constrained environment, for example, a workshop or logistic operations in a warehouse. The contributions of this thesis are as follow s. Firstly, all the necessary conditions are studied that required to achieve the static equilibrium of a MCDPR . These conditions are used to develop a Tension Distribution Algorithm for the real time control of the MCDRP cables. The equilibrium conditions are also used to investigate the Wrench - Feasible - Workspace of MCDPRs. Afterwards, the kinematic performance and twist capabilities of the MCDPRs are investigated. Finally, the last part of the thesis presents multiple path planning strategies for MCDPRs i n order to reconfigure the CDPR’s geometric architecture for performing the desired task

This thesis focuses on the dynamics of underactuated cable-driven parallel robots (UACDPRs), including various aspects of robotic theory and practice, such as workspace computation, parameter identification, and trajectory planning. After a brief introduction to CDPRs, UACDPR kinematic and dynamic models are analyzed, under the relevant assumption of inextensible cables. The free oscillatory motion of the end-effector (EE), which is a unique feature of underactuated mechanisms, is studied in detail, from both a kinematic and a dynamic perspective. The free (small) oscillations of the EE around equilibria are proved to be harmonic and the corresponding natural oscillation frequencies are analytically computed. UACDPR workspace computation and analysis are then performed. A new performance index is proposed for the analysis of the influence of actuator errors on cable tensions around equilibrium configurations, and a new type of workspace, called tension-error-insensitive, is defined as the set of poses that a UACDPR EE can statically attain even in presence of actuation errors, while preserving tensions between assigned (positive) bounds. EE free oscillations are then employed to conceive a novel procedure aimed at identifying the EE inertial parameters. This approach does not require the use of force or torque measurements. Moreover, a self-calibration procedure for the experimental determination of UACDPR initial cable lengths is developed, which consequently enables the robot to automatically infer the EE initial pose at machine start-up. Lastly, trajectory planning of UACDPRs is investigated. Two alternative methods are proposed, which aim at (i) reducing EE oscillations even when model parameters are uncertain or (ii) eliminate EE oscillations in case model parameters are perfectly known. EE oscillations are reduced in real-time by dynamically scaling a nominal trajectory and filtering it with an input shaper, whereas they can be eliminated if an off-line trajectory is computed that accounts for the system internal dynamics.

Cette thèse vise à améliorer le positionnement statique et la précision de suivi de trajectoire des Robots Parallèles à Câbles (RPC) tout en prenant en compte leur élasticité globale. A cet effet, deux stratégies de commandes complémentaires valables pour toute configuration de RPC sont proposées.Tout d'abord, une analyse de robustesse est réalisée pour aboutir à une commande robuste des RPC référencée modèle. Un modèle de RPC approprié est défini en fonction de l'application visée et les principales sources d'erreurs de pose de la plate-forme mobile sont identifiées.Une première méthode de commande est proposée sur la base des résultats de l'analyse de robustesse. Cette première méthode réside dans le couplage d'une commande référencée modèle d’un contrôleur PID.Dans le cadre de cette thèse, un modèle élasto-dynamique de RPC est exprimé afin de compenser le comportement oscillatoire de sa plate-forme mobile dû à l'élongation des câbles et de son comportement dynamique.La deuxième méthode de commande utilise des filtres "input-shaping" dans la commande référencée modèle proposée afin d'annuler les mouvements oscillatoires de la plate-forme mobile. Ainsi, le signal d'entrée est modifié pour que le RPC annule automatiquement les vibrations résiduelles. Les résultats théoriques obtenus sont validés expérimentalement à l'aide d'un prototype de RPC non redondant en actionnement et en configuration suspendue. Les résultats expérimentaux montrent la pertinence des stratégies de commande proposées en termes d'amélioration de la précision de suivi de trajectoire et de réduction des vibrations
This thesis aims at improving the static positioning and trajectory tracking accuracy of Cable- Driven Parallel Robots (CDPRs) while considering their overall elasticity. Accordingly, two complementary control strategies that are valid for any CDPR configuration are proposed.First, a robustness analysis is performed to lead to a robust model-based control of CDPRs. As a result, an appropriate CDPR model is defined as a function of the targeted application and the main sources of CDPR moving-platforms pose errors are identified.A first control method is determined based on the results of the robustness analysis. This first method lies in the coupling of a model-based feed-forward control scheme for CDPR with a PID feedback controller.Here, an elasto-dynamic model of the CDPR is expressed to compensate the oscillatory motions of its moving-platform due to cable elongations and its dynamic behavior.The second control method uses input-shaping filters into the proposed model-based feed-forward control in order to cancel the oscillatory motions the movingplatform. Thus, the input signal is modified for the CDPR to self-cancel residual vibrations.Experimental validations are performed while using suspended and non-redundant CDPR prototype. The proposed feed-forward model-based control schemes are implemented, and their effectiveness is discussed.Results show the relevance of the proposed control strategies in terms of trajectory tracking accuracy improvement and vibration reduction

This dissertation studies the geometric static problem of under-constrained cable-driven parallel robots (CDPRs) supported by n cables, with n ≤ 6. The task consists of determining the overall robot configuration when a set of n variables is assigned. When variables relating to the platform posture are assigned, an inverse geometric static problem (IGP) must be solved; whereas, when cable lengths are given, a direct geometric static problem (DGP) must be considered. Both problems are challenging, as the robot continues to preserve some degrees of freedom even after n variables are assigned, with the final configuration determined by the applied forces. Hence, kinematics and statics are coupled and must be resolved simultaneously. In this dissertation, a general methodology is presented for modelling the aforementioned scenario with a set of algebraic equations. An elimination procedure is provided, aimed at solving the governing equations analytically and obtaining a least-degree univariate polynomial in the corresponding ideal for any value of n. Although an analytical procedure based on elimination is important from a mathematical point of view, providing an upper bound on the number of solutions in the complex field, it is not practical to compute these solutions as it would be very time-consuming. Thus, for the efficient computation of the solution set, a numerical procedure based on homotopy continuation is implemented. A continuation algorithm is also applied to find a set of robot parameters with the maximum number of real assembly modes for a given DGP. Finally, the end-effector pose depends on the applied load and may change due to external disturbances. An investigation into equilibrium stability is therefore performed.

This dissertation studies the geometric static problem of under-constrained cable-driven parallel robots (CDPRs) supported by n cables, with n ≤ 6. The task consists of determining the overall robot configuration when a set of n variables is assigned. When variables relating to the platform posture are assigned, an inverse geometric static problem (IGP) must be solved; whereas, when cable lengths are given, a direct geometric static problem (DGP) must be considered. Both problems are challenging, as the robot continues to preserve some degrees of freedom even after n variables are assigned, with the final configuration determined by the applied forces. Hence, kinematics and statics are coupled and must be resolved simultaneously. In this dissertation, a general methodology is presented for modelling the aforementioned scenario with a set of algebraic equations. An elimination procedure is provided, aimed at solving the governing equations analytically and obtaining a least-degree univariate polynomial in the corresponding ideal for any value of n. Although an analytical procedure based on elimination is important from a mathematical point of view, providing an upper bound on the number of solutions in the complex field, it is not practical to compute these solutions as it would be very time-consuming. Thus, for the efficient computation of the solution set, a numerical procedure based on homotopy continuation is implemented. A continuation algorithm is also applied to find a set of robot parameters with the maximum number of real assembly modes for a given DGP. Finally, the end-effector pose depends on the applied load and may change due to external disturbances. An investigation into equilibrium stability is therefore performed.

The aim of this work is to investigate on trajectory planning and control of cable-driven parallel robots to improve the system performance. Stiffness and dexterity are the performance indices widely used in design and control of robotic systems. No previous work on adaptive cable-driven systems has discussed how to control the position of the pulley blocks to achieve optimal dexterity and stiffness. Considering a quasi-static motion of the end-effector, we neglected the active stiffness of the system and proposed pulley blocks trajectory planning strategies that maximize dexterity and elastic stiffness indices simultaneously for some cases of adaptive cable-driven designs by taking advantage of the increased redundancy. For non-adaptive design of cable-driven parallel robots, it is impossible to change the dexterity and elastic stiffness indices for a certain position of end-effector due to fixed orientation and length of cables; however, active stiffness can be modified by changing the tension in cables. Tension increment can be desirable due to stiffness augmentation, higher trajectory tracking performance, more precise motion and disturbance rejection; however, it can increase power consumption, and saturation in actuators may occur. Usually, cable tension distribution methods work based on a fixed minimum tension in cables. Such values are chosen through experiments to gain the desired trajectory tracking performance of the system, considering capability of actuators at the same time. To improve the system performance we proposed Dynamic Minimum Tension Control (DMTC) method. In this approach, the minimum tension is changing on-the-fly according to stiffness, dynamics of the system, and error values as feedback. We used a simple test bed to compare traditional fixed minimum tension utilization, and the proposed approach. Experimental results showed that the DMTC is more efficient than traditional approaches in terms of accuracy and energy consumption. Also an appropriate control algorithm can improve the system performance. The linear quadratic optimal control can play an important role in controlling cable-driven parallel robots by providing all the states of the system for the feedback, including velocity and position, in addition to optimal results. A linear quadratic optimal controller was designed and tested. The significant experimental results are presented and discussed.
L’obiettivo di questo progetto è di investigare la pianificazione di traiettoria ed il controllo di robot paralleli a cavi al fine di migliorare le prestazioni del sistema. Rigidezza e destrezza sono indici di prestazione ampiamente utilizzati del progetto e controllo di sistemi robotici. Allo stato dell’arte, non esistono lavori relativi a sistemi a cavi adattativi riguardanti il controllo della posizione delle pulegge per ottenere indici di rigidezza e destrezza ottimali. Considerando un moto quasi-statico dell’organo terminale e trascurando la rigidezza attiva del sistema, è stato possibile proporre strategie di pianificazione di moto delle pulegge che massimizzino gli indici di destrezza e rigidezza elastica. E’ stato possibile massimizzare simultaneamente tali indici per alcuni casi di robot a cavi adattativi sfruttando la ridondanza dei sistemi analizzati. Per il progetto di robot a cavi paralleli non adattativi, è impossibile cambiare gli indici di destrezza e di rigidezza elastica per una certa posizione dell’organo terminale a causa dell’orientazione e della lunghezza dei cavi fissata; comunque, la rigidezza attiva può essere modificata cambiando la tensione dei cavi. L’incremento della tensione dei cavi può essere desiderabile a causa dell’aumento di rigidezza, del miglioramento delle prestazioni di inseguimento di traiettoria, più precisamente movimento e risposta ai disturbi; tuttavia, può aumentare il consumo energetico e portare a saturazione gli attuatori. Tipicamente i metodi di distribuzione delle tensioni operano mantenendo costante il valore di tensione minimo da applicare ai cavi. Tali valori sono scelti attraverso esperimenti per raggiungere le prestazioni di inseguimento della traiettoria desiderata, considerando anche le capacità degli attuatori. Per migliorare le prestazioni del sistema, viene proposto un metodo dinamico di controllo delle tensioni minime (DMTC). In questo approccio è possibile variare la tensione minima in tempo reale sulla base della rigidezza, della dinamica del sistema e del valore dell’errore ottenuto come feedback. Attraverso un semplice apparato sperimentale, è stato possibile confrontare il metodo tradizionale di distribuzione delle tensioni basato sulla tensione minima fissa ed il metodo proposto. I risultati sperimentali hanno mostrato che il metodo Dinamico di Controllo delle Tensioni Minime risulta più efficiente rispetto all'approccio tradizionale in termini di accuratezza e consumo energetico. Inoltre, un appropriato algoritmo di controllo può migliorare le prestazioni del sistema. Il controllo ottimo lineare quadratico riveste un ruolo fondamentale nel controllo di un robot a cavi parallelo fornendo tutti gli stati del sistema per la retroazione, incluse velocità e posizione, in aggiunta ai risultati ottimali. Un controllo ottimo lineare quadratico è stato progettato e testato. I risultati significativi sono quindi stati presentati e discussi.

Les Robots Parallèles à Câbles (RPC) sont considérés comme des manipulateurs parallèles avec des câbles flexibles au lieu de liens rigides. Un RPC se compose d'un bâti, d'une plate-forme mobile et de câbles les reliant l'un à l'autre. Les RPC sont réputés pour leurs performances avantageuses par rapport aux robots parallèles classiques en termes d’espace de travail en translation, de reconfigurabilité, de capacité de charge utile importante et de performances dynamiques élevées. Cependant, l'amplitude de rotation de la plateforme mobile des RPC est généralement limitée en raison des collisions de types câble/câble et câble/plateforme mobile. L'objectif de cette thèse est ainsi de concevoir, d'analyser et de prototyper des RPC hybrides ayant à la fois un grand espace de travail en translation et un grand espace de travail en orientation en utilisant des boucles de câbles. Ce travail de recherche présente le développement de trois RPC hybrides adaptés aux tâches nécessitant de grands espaces de travail en orientation et en translation comme le balayage tomographique, les dispositifs d'orientation de caméras et l'inspection
Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) also noted as wire-driven robots are parallel manipulators with flexible cables instead of rigid links. A CDPR consists of a base frame, a moving-platform and a set of cables connecting the moving-platform to the base frame. CDPRs are well-known for their advantageous performance over classical parallel robots in terms of translation workspace, reconfigurability, payload capacity and high dynamic performance. However, most of the CDPRs provide limited amplitudes of rotation of the moving-platform due to cable/cable and cable/moving-platform collisions. The objective of this thesis is to design, analyze and build hybrid CDPRs to enlarge the orientation workspace in addition to their large translation workspace by exploiting cableloops. This research work presents development of three hybrid CDPRs with drastically augmented orientation workspace suitable for tasks requiring large orientation and translational workspaces like tomography scanning, camera-orienting devices, visual surveillance and inspection

Cette thèse contribue à l'analyse des raideurs statique et dynamique des robots parallèles à câbles dans un objectif d'amélioration de la précision de positionnement statique et de la précision de suivi de trajectoire. Les modélisations statique et dynamique proposées des câbles considèrent l'effet du poids du câble sur son profil et l'effet de masse du câble sur la dynamique de ce dernier. Sur la base du modèle statique de câble proposé, l'erreur de pose statique au niveau de l'organe terminal du robot est définie et sa variation en fonction de la charge externe appliquée est utilisée pour évaluer la raideur statique globale de la structure. Un nouveau modèle dynamique vibratoire de robots à câbles est proposé en considérant le couplage de la dynamique des câbles avec les vibrations de l'organe terminal. Des validations expérimentales sont réalisées sur des prototypes de robots à câbles. Une série d'expériences de statique, d'analyses modales, d'analyses en régime libre et de suivi de trajectoire sont réalisées. Les modèles statiques et dynamiques proposés sont confirmés. Les dynamiques des câbles et du robot ainsi que leur couplage sont discutées montrant la pertinence des modèles développés pour l’amélioration des performances des robots à câbles en termes de design et le contrôle. Outre l'analyse des raideurs statique et dynamique, les modèles proposés sont appliqués dans l'amélioration du calcul de la distribution des efforts dans les câbles des robots redondants. Une nouvelle méthode de calcul de la distribution des efforts dans les câbles basée sur la détermination de la limite inférieure des forces dans les câbles est présentée. La prise en compte de la dépendance à la position dans l'espace de travail permet de limiter les efforts dans les câbles et ainsi d'améliorer l'efficience des robots d'un point de vue énergétique
This thesis contributes to the analysis of the static and dynamic stiffness of cable-driven parallel robots (CDPRs) aiming to improve the static positioning accuracy and the trajectory tracking accuracy. The proposed static and dynamic cable modeling considers the effect of cable weight on the cable profile and the effect of cable mass on the cable dynamics. Based on the static cable model, the static pose error of the end-effector is defined and the variation of the end-effector pose error with the external load is used to evaluate the static stiffness of CDPRs. A new dynamic model of CDPRs is proposed with considering the coupling of the cable dynamics and the end-effector vibrations. Experimental validations are carried out on CDPR prototypes. Static experiments, modal experiments, free vibration experiments and trajectory experiments are performed. The proposed static and dynamic models are verified. Cable dynamics, robot dynamics and their coupling are discussed. Results show the relevance of the proposed models on improving the performances of CDPRs in terms of design and control. Besides stiffness analysis, the proposed models are applied on the force distribution of redundant actuated CDPRs. A new method on the calculation of the cable forces is proposed, where the determination of the lower-boundary of the cable forces is presented. The consideration of the pose-dependence of the lower force boundary can minimize the cable forces and improve the energy efficiency of CDPRs

Cette thèse concerne la modélisation et la commande robuste de robots parallèles à câbles (RPC) pour deux applications du secteur naval : la prise et dépose de plaques métalliques à l’aide d’un RPC en configuration suspendue (ROMP), et le nettoyage de façades par un RPC pleinement contraint (ROWC). Les travaux ont été réalisés à l’IRT Jules Verne dans le cadre du projet ROCKET. La première partie de cette thèse se concentre sur la modélisation et la calibration des RPC. Les modèles géométriques incluant la géométrie des poulies et l’élasticité des câbles sont présentés, ainsi que la formulation de la matrice de raideur du robot. L’estimation de la masse transportée et de la position du centre de gravité de la plateforme, à partir des mesures de tensions dans les câbles et pour une trajectoire à faible dynamique, est expérimentée. Enfin, la calibration des RPC est discutée et une méthode de calibration automatique est étudiée en simulation selon les modèles considérés. La seconde partie est dédiée au contrôle robuste des RPC par rapport aux perturbations de chaque application. Différents schémas de contrôle sont comparés suivant les informations disponibles sur le système. Deux familles de contrôleurs sont considérées pour ROMP : un contrôleur proportionnel-dérivée (PD) standard, et contrôleur récent balançant entre algorithmes de type mode glissant ou linéaire (SML). Un schéma compensant l’allongement des câbles par élasticité est également expérimenté pour améliorer la précision et la répétabilité du robot. Dans le cas de ROWC, l’intégration d’un algorithme de distribution des tensions dans les câbles dans le schéma de contrôle est nécessaire. Un nouveau critère de sélection des tensions est proposé afin de maximiser la raideur du robot face à l'effort dû à la pression du jet d’eau. Enfin, l’arrêt d’urgence des RPC est discuté et le comportement des prototypes ROMP et ROWC est observé dans le cas d’un arrêt d’urgence
This thesis covers the modeling and robust control of cable-driven parallel robots (CDPRs) for two industrial applications for the naval sector: pick and place of metal plates (ROMP) using a suspended CDPR, and window cleaning (ROWC) by a fully constrained CDPR. The work was carried out in the context of the ROCKET project at IRT Jules Verne. The first part of this thesis focuses on the modeling and calibration of CDPRs. Models are written, including the consideration of pulleys geometry and cable elasticity. A linear model of cable elasticity introduced and used to write the robot stiffness matrix. A method for estimating the platform mass and center of mass position is proposed and experimented based on cable tension measurements, assuming a low-dynamic trajectory. Finally, the calibration of CDPRs is discussed and an automatic calibration method is tested in simulation based on the different models. The second part is dedicated to the robust control of RPCs against the perturbations identified for both applications. Several control architectures have been experimented depending on the available information about the system. Two families of controllers are compared for the control of ROMP: a proportional-derivative (PD) controller and a recent controller automatically balancing between sliding mode or linear algorithms (SML). In the case of fully constrained CDPRs such as ROWC, the control architecture must include a tension distribution to ensure safety. A new tension selection criterion based on the stiffness matrix is proposed to reduce the displacement of the platform due to water jet pressure. Finally, CDPR emergency stops are discussed and the behavior of ROMP and ROWC prototypes was evaluated in emergency situations

In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can exert only efforts of pure traction. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis based procedure for the solution of the direct geometric problem of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with the auxiliary work done during its design and simulation phases.
Negli ultimi decenni il lavoro di una parte sempre maggiore di ricercatori che si occupano di robotica si è concentrato su un particolare gruppo di robot appartenenti alla famiglia dei manipolatori paralleli: i robot a cavi. Nonostante i numerosi studi al riguardo, questi robot presentano ancora oggi numerose problematiche del tutto (o in parte) irrisolte. Lo studio della loro cinematica nello specifico, già complesso per i manipolatori paralleli tradizionali, è ulteriormente complicato dalla natura non lineare dei cavi, i quali possono esercitare sforzi di sola trazione. Il lavoro presentato in questa tesi si concentra dunque sullo studio della cinematica dei robot a cavi e sulla messa a punto di tecniche numeriche in grado di affrontare parte delle problematiche ad essa legate. La maggior parte del lavoro è incentrata sullo sviluppo di una procedura per la soluzione del problema geometrico diretto di un generico manipolatore a cavi basata sull'analisi per intervalli. Questa tecnica di analisi numeirica, oltre a consentire una rapida soluzione del problema, permette di garantire i risultati ottenuti in caso di errori di cancellazione e arrotondamento e consente di considerare eventuali incertezze presenti nel modello del problema. Il codice sviluppato è stato testato attraverso un piccolo prototipo di manipolatore a cavi la cui realizzazione, avvenuta durante il percorso di dottrato, è descritta all'interno dell'elaborato unitamente al lavoro collaterale svolto durante la fase di progettazione e simulazione.
Pendant les dernières décennies, le travail d'une partie toujours croissante de chercheurs qui s'occupent de robotique s'est focalisé sur un groupe spécifique de robots qui fait partie de la famille des manipulateurs parallèles: les robots à câbles. Malgré les nombreux études que l'on a consacré à ce sujet, ces robots présentent encore aujourd'hui plusieurs problématiques complètement ou partiellement irrésolues. En particulier l'étude de leur cinématique, qui se révèle déjà complexe pour les manipulateurs parallèles traditionnels, est rendu encore plus compliqué par la nature non linéaire des câbles qui peuvent seulement exercer des efforts de traction. Le travail présenté dans ma thèse concentre donc son attention sur l'étude de la cinématique des robots à câbles et sur la mise au point de techniques numériques capables d'aborder une partie des problématiques liées à cela. La plupart du travail se concentre sur l'élaboration d'un algorithme pour la résolution du problème géométrique direct d'un manipulateur à câbles général qui se fonde sur l'analyse par intervalles. Cette technique d'analyse permet non seulement de résoudre rapidement le problème mais également de garantir les résultats obtenus en cas d'erreur de cancellation et d'arrondi et de prendre en considération les incertitudes éventuellement presentes dans le modèle du problème. Le code développé a été testé grâce à un petit prototype de manipulateur à câbles dont la réalisation, qui a eu lieu pendant le parcours de doctorat, est décrite à l'intérieur du devoir en accord avec la phase de conception du projet et de simulation.

In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can exert only efforts of pure traction. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis based procedure for the solution of the direct geometric problem of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with the auxiliary work done during its design and simulation phases.
Negli ultimi decenni il lavoro di una parte sempre maggiore di ricercatori che si occupano di robotica si è concentrato su un particolare gruppo di robot appartenenti alla famiglia dei manipolatori paralleli: i robot a cavi. Nonostante i numerosi studi al riguardo, questi robot presentano ancora oggi numerose problematiche del tutto (o in parte) irrisolte. Lo studio della loro cinematica nello specifico, già complesso per i manipolatori paralleli tradizionali, è ulteriormente complicato dalla natura non lineare dei cavi, i quali possono esercitare sforzi di sola trazione. Il lavoro presentato in questa tesi si concentra dunque sullo studio della cinematica dei robot a cavi e sulla messa a punto di tecniche numeriche in grado di affrontare parte delle problematiche ad essa legate. La maggior parte del lavoro è incentrata sullo sviluppo di una procedura per la soluzione del problema geometrico diretto di un generico manipolatore a cavi basata sull'analisi per intervalli. Questa tecnica di analisi numeirica, oltre a consentire una rapida soluzione del problema, permette di garantire i risultati ottenuti in caso di errori di cancellazione e arrotondamento e consente di considerare eventuali incertezze presenti nel modello del problema. Il codice sviluppato è stato testato attraverso un piccolo prototipo di manipolatore a cavi la cui realizzazione, avvenuta durante il percorso di dottrato, è descritta all'interno dell'elaborato unitamente al lavoro collaterale svolto durante la fase di progettazione e simulazione.
Pendant les dernières décennies, le travail d'une partie toujours croissante de chercheurs qui s'occupent de robotique s'est focalisé sur un groupe spécifique de robots qui fait partie de la famille des manipulateurs parallèles: les robots à câbles. Malgré les nombreux études que l'on a consacré à ce sujet, ces robots présentent encore aujourd'hui plusieurs problématiques complètement ou partiellement irrésolues. En particulier l'étude de leur cinématique, qui se révèle déjà complexe pour les manipulateurs parallèles traditionnels, est rendu encore plus compliqué par la nature non linéaire des câbles qui peuvent seulement exercer des efforts de traction. Le travail présenté dans ma thèse concentre donc son attention sur l'étude de la cinématique des robots à câbles et sur la mise au point de techniques numériques capables d'aborder une partie des problématiques liées à cela. La plupart du travail se concentre sur l'élaboration d'un algorithme pour la résolution du problème géométrique direct d'un manipulateur à câbles général qui se fonde sur l'analyse par intervalles. Cette technique d'analyse permet non seulement de résoudre rapidement le problème mais également de garantir les résultats obtenus en cas d'erreur de cancellation et d'arrondi et de prendre en considération les incertitudes éventuellement presentes dans le modèle du problème. Le code développé a été testé grâce à un petit prototype de manipulateur à câbles dont la réalisation, qui a eu lieu pendant le parcours de doctorat, est décrite à l'intérieur du devoir en accord avec la phase de conception du projet et de simulation.

Cette thèse de doctorat porte sur la modélisation, la commande et l’analyse des performances de Robots Parallèles à Câbles(RPC) collaboratifs.Une modélisation élasto-géométrique des éléments d’actionnement des RPC est proposée en vue de l’amélioration de leurs performances de positionnement. Différents modèles élasto-géométriques inverses sont analysés en simulation et testé expérimentalement puis font l’objet d’une analyse de sensibilité.Ensuite, des stratégies de contrôle permettant aux RPC d’être utilisés par des opérateurs de manière physique sont proposées.Ces stratégies sont basées sur la commande en impédance et permettent la comanipulation du RPC. Un contrôleur hybride assurant la réalisation de trajectoires et la comanipulation est présenté et approuvé expérimentalement.Enfin, un appareil de sécurité pour la détection de proximité basé sur le principe du couplage capacitif est adapté aux RPC et testé.Finalement, des expériences utilisateurs ont été menés pour juger des performances des stratégies proposées. Trois expériences menées avec des participants volontaires permettent d’évaluer la variation de la performance et de comprendre le comportement physique de l’utilisateur au cours d’interactions physiques humain-RPC
This PhD thesis addresses the modelling,control and performance analysis of collaborative Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs). An elasto-geometric modelling of the actuation elements is proposed to improve their positioning accuracy. Different inverse elastogeometricmodels are simulated and experimentally assessed then analysed in a sensitivity analysis.Then, control strategies allowing the physical interactions of operators with CDPRs are proposed. These strategies are based on the impedance control and allow the robots comanipulation. A hybrid controller for trajectory tracking and co-manipulation is presented and experimented. A safety device for the proximity detection based on the capacitive coupling principle is fitted to CDPRs and tested. Finally, user experiments are led to determine the performance of the proposed strategies.Three experiments led with volunte erenable the performance variation evaluationand the user behaviour study during physical human-CDPR interactions

The aim of this work, in collaboration with the ROAR Lab of the Columbia University in the city of New York, is to build a simulation model of a new cable-driven parallel robot for rehabilitation applications, being able to compute the effort given by the patient while the system is working on him/her. The model was built on a multi-body dynamic software called Adams, which is able to simulate the behavior of the mechanism. Some theoretical issues about cable-driven parallel robots will be described, in order to familiarize with the application and introduce the state of the art of the topic. General foundations, dealing with kinematics, statics, dynamics will be detailed and a short introduction to control will be given. In the second chapter, a brief overview of the state of the art regarding rehabilitation cable-driven robotics will be outlined, first dealing with general applications possible to be found in literature, and then introducing the Columbia University work about this particular topic, with several examples and cutting edge devices. The third chapter is about the design description of the Stand Trainer, a 8-cable-driven parallel robot used for rehabilitation. Its mechanical system is introduced, while dealing especially with the issue of computing the cable tensions and the way it can be done in terms of sensors positioning. A new way of tension measurement will be explained. It will take the place of the previous one, bringing several advantages to the system. The last chapter deals with the dynamic simulations on Adams. After having introduced all the simplifications regarding three different models, an accurate description of them will be given and their comparison with the real device will be outlined. The post-process activity will be carried out explaining and discussing the final results. Finally, different points for future developments will be discussed, showing the novelty of this approach for rehabilitative treatments and applications.

Cette thèse traite de la commande pour le suivi de position des Robots Parallèles à Câbles (RPCs) dans le cadre du projet Hephaestus (projet européen H2020). L'objectif principal de ce projet est de développer une solution robotique pour l'installation de modules de panneaux vitrés sur les façades de bâtiments. Une exigence primordiale est que le RPC fonctionne en toute sécurité à proximité des contraintes du modèle mathématique du système. Il a été observé que les stratégies de l'état de l'art de commande ne répondent pas à cette exigence car elles ne sont pas en mesure de considérer les contraintes du système comme faisant partie intégrante du contrôleur principal.La commande prédictive étant l'une des rares stratégies de commande capable de gérer explicitement les contraintes du système, cette thèse se concentre sur la conception et l'analyse de schémas de commande prédictive pour la poursuite de trajectoire des RPC. Deux approches sont donc proposées : une commande prédictive linéaire (CPL) et une commande prédictive non linéaire (CPNL).La CPL proposée est basée sur une approximation linéaire du modèle dynamique des RPCs. Les tests expérimentaux ont prouvé que la CPL peut fonctionner en toute sécurité près des contraintes du système. Cette capacité est validée en appliquant une trajectoire désirée qui ne peut être effectuée sans violer les limites de tensions des câbles. Dans ce cas, la CPL proposée est capable d'effectuer un suivi de trajectoire le mieux possible tout en satisfaisant les limites de tensions dans les câbles. En revanche, les schémas existants ne sont pas capables de répondre convenablement dans de telles conditions. La comparaison de comportement entre la CPL linéaire proposée et une commande de l'état de l'art permet de conclure que la capacité à fonctionner à proximité des contraintes du système représente un résultat important lié à la sécurité de fonctionnement des RPC.Néanmoins, il a été noté que la CPL peut être sensible à des non-linéarités significatives. La précision de suivi en position peut notamment se dégrader le long de trajectoires présentant des vitesses relativement élevées. En conséquence, une CPNL capable de prendre en compte les non-linéarités du système est proposée. Contrairement à son homologue linéaire, la stabilité du système en boucle fermée résultant a pu être analysée. Des détails sur sa mise en œuvre numérique sont présentés et l'amélioration des performances est validée par des simulations.Outre la conception de commandes prédictives, cette thèse présente également des contributions liées au modèle cinématique des RPC et à la commande des tensions des câbles. Un algorithme de résolution du modèle géométrique direct prenant en compte la cinématique des poulies est proposé. Une expression explicite de la cinématique a permis la mise en œuvre d'une solution numérique basée sur une méthode de moindres carrés non linéaire. Ses capacités de convergence ont été évaluées expérimentalement et numériquement.Les algorithmes et schémas de commande proposés dans cette thèse ont été implémentés dans un logiciel industriel, ce qui démontre l'applicabilité potentielle des solutions proposées dans des applications commerciales
This thesis addresses the position tracking control of Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) within the framework of the European H2020 project named Hephaestus. The main goal of this project is to develop a robotic solution for the installation of curtain wall modules on building facades. An essential requirement is that the CDPR should safely operate close to the system constraints. It was observed that state-of-the-art control schemes do not cope with this requirement. The control strategies used in the design of such schemes are not able to consider system constraints as an integral part of the main controller.Since Model Predictive Control (MPC) is one of the few control strategies able to explicitly handle the system constraints, this thesis is focused on the design and analysis of MPC schemes for position tracking of CDPRs. Two approaches are then proposed: a linear MPC and a nonlinear MPC (NMPC).The proposed linear MPC is based on a linear approximation of the CDPR dynamic model. The Experimental tests proved that the linear MPC may safely operate close to system constraints. This capability is validated by applying a desired trajectory that cannot be performed without violating the cable tension limits. In this case, the proposed linear MPC scheme is able to perform a trajectory tracking as best as possible while satisfying the cable tension bounds. Conversely, state-of-the-art control schemes are not able to suitably respond under such conditions. Comparing the behavior obtained with the proposed linear MPC and a state-of-the-art control scheme, one may conclude that the capability to operate close to the system constraints represents an important result related to the safety of the operation of CDPRs.Nevertheless, it was noted that the proposed linear MPC may be sensitive to increased nonlinearities. The precision of positioning tracking may be deteriorated for trajectories presenting relatively high velocities. Accordingly, an NMPC able to consider the system nonlinearities is proposed. In contrast to its linear counterpart, the stability of the resulting closed-loop system could be analyzed. Details on its numerical implementation are presented and the improved performance is validated through simulations.In addition to the design of MPC control schemes, this thesis also presents contributions related to the kinematic model of CDPRs and the control of cable tensions. A Forward Kinematic (FK) algorithm considering the pulley kinematics is proposed. An explicit expression for the differential kinematics enabled the implementation of a numerical solution of the nonlinear least-squares system representing the FK problem. Its convergence capabilities are evaluated experimentally and numerically.It is worth noting that the algorithms and control schemes proposed in this thesis were implemented in an industrial software, which demonstrates the applicability of the proposed solutions in commercial applications

L’industrie offshore, pétrolière et gazière est le principal utilisateur des robots sous-marins, plus particulièrement de véhicules télé-opérés (ou ROV, Remotely Operated Vehicle). L'inspection, la construction et la maintenance de diverses installations sous-marines font parties des applications habituelles des ROVs dans l’industrie offshore. La capacité à maintenir un positionnement stable du véhicule ainsi qu’à soulever et déplacer des charges lourdes est essentielle pour certaines de ces applications. Les capacités de levage des ROVs sont cependant limitées par la puissance de leur propulsion. Dans ce contexte, cette thèse présente un nouveau concept d’actionnement hybride constitué de câbles et de propulseurs. Le concept vise à exploiter les fortes capacités de levage des câbles, actionnés par exemple depuis des navires de surfaces, afin de compléter l’actionnement d’un robot sous-marin. Plusieurs problèmes sont soulevés par la nature hybride (câbles et propulseurs) de ce système d'actionnement. En particulier, nous étudions l’effet de l'actionnement supplémentaire des câbles par rapport à un actionnement exploitant uniquement des propulseurs et nous tâchons de minimiser les efforts exercés par ces derniers. Ces deux objectifs sont les principales contributions de cette thèse. Dans un premier temps, nous modélisons la cinématique et la dynamique d'un robot sous-marin actionné à la fois par des propulseurs et des câbles et équipé d'un bras manipulateur. Un tel système possède une redondance cinématique et d'actionnement.. L'étude théorique sur l'influence de l'actionnement supplémentaire par câbles est appuyée par une étude en simulation, comparant les capacités de force d'un système hybride (câbles et propulseurs) à celles d'un système actionné uniquement par des propulseurs. L'évaluation des capacités est basée sur la détermination de l'ensemble des forces disponibles, en considérant les limites des forces d'actionnement. Une nouvelle méthode de calcul est proposée, pour déterminer l'ensemble des forces disponibles. Cette méthode est basée sur le calcul de la projection orthogonale de polytopes et son coût calculatoire est analysé et comparé à celui d'une méthode de l’état de l’art. Nous proposons également une nouvelle méthode pour le calcul de la distribution des forces d'actionnement, permettant d'affecter une priorité supérieure au sous-système d'actionnement par câbles afin de minimiser les efforts exercés par les propulseurs. Plusieurs cas d'études sont proposés pour appuyer les méthodes proposées
The offshore industry for oil and gas applications is the main user of underwater robots, particularly, remotely operated vehicles (ROVs). Inspection, construction and maintenance of different subsea structures are among the applications of ROVs in this industry. The capability to keep a steady positioning as well as to lift and deploy heavy payloads are both essential for most of these applications. However, these capabilities are often limited by the available on-board vehicle propulsion power. In this context, this thesis introduces the novel concept of Hybrid Cable-Thruster (HCT)-actuated Underwater Vehicle-Manipulator Systems (UVMS) which aims to leverage the heavy payload lifting capabilities of cables as a supplementary actuation for ROVs. These cables are attached to the vehicle in a setting similar to Cable-Driven Parallel Robots (CDPR). Several issues are raised by the hybrid vehicle actuation system of thrusters and cables. The thesis aims at studying the impact of the supplementary cable actuation on the capabilities of the system. The thesis also investigate how to minimize the forces exerted by thrusters. These two objectives are the main contributions of the thesis. Kinematic, actuation and dynamic modeling of HCT-actuated UVMSs are first presented. The system is characterized not only by kinematic redundancy with respect to its end-effector, but also by actuation redundancy of the vehicle. Evaluation of forces capabilities with these redundancies is not straightforward and a method is presented to deal with such an issue. The impact of the supplementary cable actuation is validated through a comparative study to evaluate the force capabilities of an HCT-actuated UVMS with respect to its conventional UVMS counterpart. Evaluation of these capabilities is based on the determination of the available forces, taking into account the limits on actuation forces. A new method is proposed to determine the available force set. This method is based on the orthogonal projection of polytopes. Moreover, its computational cost is analyzed and compared with a standard method. Finally, a novel force resolution methodology is introduced. It assigns a higher priority to the cable actuation subsystem, so that the forces exerted by thrusters are minimized. Case studies are presented to illustrate the methodologies presented in this thesis

Unilaterally Actuated Robots (UAR)s are a class of robots defined by an actuation that is constrained to a single sign. Cable robots, grasping, fixturing and tensegrity systems are certain applications of UARs. In recent years, there has been increasing interest in robotic and other mechanical systems actuated or constrained by cables. In such systems, an individual constraint is applied to a body of the mechanism in the form of a pure force which can change its magnitude but cannot reverse its direction. This uni-directional actuation complicates the design of cable-driven robots and can result in limited performance. Cable Driven Parallel Robot (CDPR)s are a class of parallel mechanisms where the actuating legs are replaced by cables. CDPRs benefit from the higher payload to weight ratio and increased rigidity. There is growing interest in the cable actuation of multibody systems. There are potential applications for such mechanisms where low moving inertia is required. Cable-driven serial kinematic chain (CDSKC) are mechanisms where the rigid links form a serial kinematic chain and the cables are arranged in a parallel configuration. CDSKC benefits from the dexterity of the serial mechanisms and the actuation advantages of cable-driven manipulators. Firstly, the kinematic modeling of CDSKC is presented, with a focus on different types of cable routings. A geometric approach based on convex cones is utilized to develop novel cable actuation schemes. The cable routing scheme and architecture have a significant effect on the performance of the robot resulting in a limited workspace and high cable forces required to perform a desired task. A novel cable routing scheme is proposed to reduce the number of actuating cables. The internal routing scheme is where, in addition to being externally routed, the cable can be re-routed internally within the link. This type of routing can be considered as the most generalized form of the multi-segment pass-through routing scheme where a cable segment can be attached within the same link. Secondly, the analysis for CDSKCs require extensions from single link CDPRs to consider different routings. The conditions to satisfy wrench-closure and the workspace analysis of different multi-link unilateral manipulators are investigated. Due to redundant and constrained actuation, it is possible for a motion to be either infeasible or the desired motion can be produced by an infinite number of different actuation profiles. The motion generation of the CDSKCs with a minimal number of actuating cables is studied. The static stiffness evaluation of CDSKCs with different routing topologies and isotropic stiffness conditions were investigated. The dexterity and wrench-based metrics were evaluated throughout the mechanism's workspace. Through this thesis, the fundamental tools required in studying cable-driven serial kinematic chains have been presented. The results of this work highlight the potential of using CDSKCs in bio-inspired systems and tensegrity robots.

Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) use cables to move a moving-platform (MP) in space offering different advantages, such as high payload capability, reconfigurability, large translational workspace and high dynamic performances. However, their orientation workspace is usually limited due to cable/cable and cable/MP collisions. In this thesis, a novel Schönflies-Motion Generator (SMG) with a large translational workspace and a full rotation of its end-effector about a vertical axis is introduced. The full rotation of the end-effector is obtained using a parallelogram cable-loop. Four degrees of freedom of the end-effector are controlled by four actuators fixed to the ground thanks to three parallelogram cable structures, one cable-loop and a transmission system equipped with a differential mechanism. The three parallelograms are obtained by correctly placing the cables around the MP; this prevents the latter from oscillating, limiting the unwanted rotations. By using such a configuration, one can greatly improve the robot kinematic performance without adding the cost of extra actuators. The prototype of the abovementioned Cable-Driven Shönflies Motion Generator (CDSMG) is built and tested to validate its model. In particular, the proposed robot will be compared to a robot without parallelograms architecture, to prove its efficacy. The main contribution of this work is the design, prototyping and testing of a novel transmission system for the actuation of three winches using only two motors. This solution permits the reduction of the whole control complexity and the independent actuation of the rotational and translational motions of the MP. The adopted transmission was chosen over two others due to its compactness and low backlash (which involves high accuracy). The transmission features high torsional rigidity, extremely smooth running and low torsional backlash, thanks to the design of the differential mechanism.

Les Robots Parallèles à Câbles sont des robots possédant un effecteur relié à une base uniquement à l’aide de câbles, dont il est possible de modifier la longueur. Ils sont ainsi légers, capables de grandes dynamiques et peuvent présenter un énorme espace de travail.Mais ils sont sujets à des vibrations de grande amplitude et basse fréquence à cause de leur rigidité très faible. Cette thèse propose une approche originale d'amortissement actif pour atténuer efficacement ces vibrations. Le modèle dynamique du robot à câbles embarquant des roues à inertie est calculé, linéarisé autour d'un point d'équilibre et projeté dans l'espace modal dans lequel les vibrations sont découplées. Une commande par placement de pôles adapté à la fréquence naturelle de vibrations est appliquée pour chaque mode. Les résultats sur une simulation et deux prototypes sont présentés pour valider cette approche
Cable-driven parallel robots use cables only to connect a fixed base to a mobile end-effector. Robot motion is obtained by winding the cables around pulleys to alter their length. Thus, cable-driven parallel robots are lightweight, can achieve very high dynamics and exhibit a very large workspace.Therefore, they are subject tp high magnitude and low frequency vibrations, because of their very low end-effector stiffness.This thesis proposes a novel approach for effective active damping of those vibrations.The dynamical model of a cable-driven parallel robot embedding reaction wheels is derived, lineraized around an equilibrium point and projected onto modal space, in which vibrations are decoupled.For each vibration mode, a control algorithm designed by poles placement adapted to the associated vibration natural frequency is applied for active vibration damping.Experiments conducted on a realistic simulation and two prototypes are presented to validate this approach

Dans cette thèse, un stabilisateur actif est conçu pour être embarqué sur la plate-forme d'un Robot Parallèle à Câbles (RPC) et compenser les vibrations de la plate-forme en produisant un torseur d’effort sur celle-ci. Tout d’abord, une modélisation mécanique de divers dispositifs de stabilisation actifs permet de choisir une solution appropriée à la compensation des vibrations. La solution sélectionnée consiste en un stabilisateur composé de bras en rotation. Ensuite, ce modèle est utilisé pour optimiser la structure du stabilisateur en recherchant quelle disposition de ses bras permet de maximiser la puissance fournie par le stabilisateur à la plate-forme mobile du RPC.Une stratégie de commande est alors proposée pour contrôler le système composé de la plate-forme mobile du RPC et du stabilisateur actif embarqué. Ce système étant constitué de deux parties fonctionnant à des échelles de temps différentes, la théorie de la perturbation singulière est utilisée pour prouver la stabilité de la commande proposée.Enfin, des expériences en simulation permettent de valider l’utilisation d’un stabilisateur actif embarqué pour la compensation des vibrations de la plate-forme mobile d’un RPC et commandé avec la loi de commande proposée dans cette thèse
In this thesis, an active stabilizer is designed to be embedded on the platform of a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) and to damp vibrations affecting the platform by producing a wrench on it.First, a mechanical modeling of various active stabilization devices allows the choice of an appropriate solution for vibration damping. The selected solution consists of a stabilizer composed of rotating arms. Then, this model is used to optimize the stabilizer structure by looking at which arm arrangement maximizes the power delivered by the stabilizer to the CDPR mobile platform.A control strategy is then proposed for the system consisting of the CDPR mobile platform and the embedded active stabilizer. As this system consists of two parts operating at different time scales, the singular perturbation theory is used to prove the stability of the proposed control.Finally, simulation experiments make it possible to validate the use of an on-board active stabilizer to damp the vibrations of the mobile platform of a CDPR, and controlled with the control law proposed in this thesis

Cable-actuated manipulators (or 'cable robots') constitute a relatively new classification of robots which use motors, located at fixed remote locations, to manipulate an end-effector by extending or retracting cables. These manipulators possess a number of unique properties which make them proficient with tasks involving high payloads, large workspaces, and dangerous or contaminated environments. However, a number of challenges exist which have limited the mainstream emergence of cable robots. This thesis addresses two of the most important of these issues-- workspace analysis and disturbance compensation. Workspace issues are particularly important, as many large-scale applications require the end-effector to operate in regions of a particular shape, and to exert certain minimum forces throughout those regions. The 'Force-Feasible Workspace' represents the set of end-effector positions, for a given robot design, for which the robot can exert a set of required forces on its environment. This can be considered as the robot's 'usable' workspace, and an analysis of this workspace shape for point-mass cable robots is therefore presented to facilitate optimal cable robot design. Numerical simulation results are also presented to validate the analytical results, and to aid visualization of certain complex workspace shapes. Some cable robot applications may require mounting motors to moving bases (i.e. mobile robots) or other surfaces which are subject to disturbances (i.e. helicopters or crane arms). Such disturbances can propagate to the end-effector and cause undesired motion, so the rejection of motor mount disturbances is also of interest. This thesis presents a strategy for measuring these disturbances and compensating for them. General approaches and implementation issues are explored qualitatively with a simple one-degree-of-freedom prototype (including a strategy for mitigating accelerometer drift), and quantitative simulation results are presented as a proof of concept.

Les Robots Parallèles à Câbles (RPCs) sont des robots parallèles dont les jambes se composent de câbles. Les applications industrielles potentielles des RPCs sont nombreuses telles que le grenaillage et la peinture de structures massives et de grandes dimensions.La première partie de ce manuscrit est dédié à la modélisation des RPCs. Deux modèles élasto-statiques ont été introduits dans ce manuscrit, pour décrire le petit déplacement de la plate-forme mobile en raison de la nature non-rigide des câbles. Le modèle élasto-statique basé sur des câbles pesants a été exprimé en faisant la différence entre la matrice de raideur active et la matrice de raideur passive du RPC.La deuxième partie de ce manuscrit traite de l’analyse d’espaces de travail de RPCs vis-à-vis de leurs performances statiques et dynamiques. Deux nouveaux espaces de travail ont été définis : (i) l'Espace des Vitesses Générables (EVG);(ii) l’Espace de Travail Dynamique Amélioré (ETDA). La troisième partie de ce manuscrit décrit une stratégie de conception générique de RPCs et des Robots Parallèles à Câbles Reconfigurables (RPCRs). Les reconfigurations sont limitées uniquement aux points de sortie des câbles. Dans ce manuscrit, les points de sortie des câbles peuvent être placés dans une large mais limité ensemble de positions. La stratégie proposée envisage la possibilité de déplacer les points de sortie des câbles du RPCR sur une grille prédéfinie d'emplacements.La quatrième partie de ce manuscrit présente un algorithme pour calculer une stratégie de reconfiguration optimale pour les RPCRs. Cette stratégie peut être utilisée lorsque l'environnement de travail de RPCRs est extrêmement encombré et qu’il n'est pas possible de prévoir le nombre de configurations nécessaires pour compléter la tâche.L'efficacité de l'algorithme a été analysée en étudiant les reconfigurations d’un robot parallèle à câbles planaire et d’un robot parallèle à câbles spatial en lien avec des applications industrielles
Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) are parallel robots whose legs consist of cables. CDPRs may be used successfully in several industrial applications such as sandblasting and painting of large and heavy structures.The first part of this manuscript is dedicated to the modelling of CDPRs. Two elasto-static models have been introduced in this manuscript, in order to describe the small displacement of the moving platform due to the non-rigid nature of the cables. These models can be used for the modal analysis of the CDPRs, as well. The elasto-static model based on linear cables has been computed including the effect of the pulleys orienting the cables into the CDPR workspace.The second part of this manuscript deals with the investigation of the workspace of CDPRs, in terms of their moving platform static and dynamic equilibria, and in terms of their moving platform kinematic constraints. Two novel workspaces have been defined: (i) the Twist Feasible Workspace (TFW); (ii) the Improved Dynamic Feasible Workspace (IDFW). The third part of this manuscript describes a generic design strategy for CDPRs and a novel design strategy for Reconfigurable Cable-Driven Parallel Robots (RCDPRs). In this manuscript, reconfigurations are limited to the thedisplacement of the cable exit points, assuming the cables exit points can be installed on a large but finite set of locations.The fourth part of this manuscript introduces an algorithm to compute an optimal reconfiguration strategy for RCDPRs. This strategy can be used when the working environment of the RCDPR is extremely cluttered and when it is not possible to predict how many configurations are necessary to complete the task. The effectiveness of the algorithm hasbeen analysed by means of a planar and a spatial casestudies reproducing some industrial tasks

Les robots parallèles à câbles sont une variante originale des robots parallèles. L'utilisation de câbles en lieu et place des segments rigides procure à ce type de robots un espace de travail potentiellement très grand car des longueurs importantes de câbles peuvent être déroulées. Toutefois, dans la plupart des études sur les robots à câbles, un modèle de câble sans masse non élastique est utilisé. Si dans le cas de robots de faibles dimensions soumis à de faibles efforts, ce modèle est valide, lorsque l'on considère des applications de très grande dimension pour lesquels la masse des câbles et l'élasticité ne peuvent plus être négligées, ces modèles simples ne sont plus valables. Ces travaux de thèse proposent des nouvelles méthodes d'étude des robots parallèles à câbles de grande dimension. Dans un premier temps, des tests de traction réalisés sur différents câbles permettent de proposer différents modèles élastiques. La modélisation d'un câble par une caténaire élastique est ensuite rappelée, et l'erreur importante obtenue en négligeant la masse des câbles est mise en exergue. La modélisation par caténaire élastique bien que précise, nécessite la résolution d'un système d'équations couplées non-linéaires. Un modèle simplifié de câble pesant est alors présenté. Il permet, sous l'hypothèse de faible déflection du câble, de simplifier la résolution de l'équilibre statique d'un robot à câble. Ce modèle permet également de développer des outils utiles à la détermination de l'ensemble des torseurs d'efforts admissibles à la plate-forme d'un robot parallèle à câbles. La vérification de l'inclusion de l'ensemble des torseurs nécessaires à la réalisation d'une tâche dans l'ensemble des torseurs admissibles est finalement utilisée comme critère d'optimisation pour une méthode de conception de robots à câbles de grandes dimensions
Cable-driven robot is an original variation of parallel robots. Replacing rigid bodies by cables provides new capabilities to these robots, and particularly large-size workspaces, since long cable lengths can be deployed. In the literature, cables are usually supposed to be inextensible and massless. If this modeling is valid for small robots with moderate payloads, this cable model is not accurate enough to be used for large dimension cable-driven robots. The work presented here focuses on the modeling of such large cable robots. First, from a set of traction tests applied to various cables, elastic models are proposed. Then, the well-know elastic catenary model is recalled, and its effects on the modeling of large dimension cable robots is shown. However, when using this cable model, solving the platform static equilibrium require the resolution of a non-linear coupled equation system. Assuming a low sagging of the cable, some simplifications can be made to this model. The resulting simplified hefty cable model is then presented and the new expression of the static equilibrium is shown to be close to the one obtained with the massless cable model. Thus, it allows us to determine the set of admissible mobile platform wrenches at a given pose. By comparing this set to the set of required wrenches for a specific task a cost function is finally defined and used in a design procedure dedicated to large dimension cable-driven robots

Les Robots Parallèles à Câbles (RPC) sont particulièrement adaptés pour des applications telles que le transport de charges lourdes au travers de grands espaces de travail. Afin de contrôler l'ensemble des degrés de liberté de la plate-forme tout en optimisant la taille de l'espace de travail du robot par rapport au volume de sa structure, la redondance d'actionnement est nécessaire. Dans cette thèse, un algorithme de distribution des tensions des câbles compatible temps-réel est introduit. Il permet de calculer efficacement différentes solutions optimales au problème de la distribution des tensions des RPC à deux degrés de redondance. Des schémas de commande adaptés aux RPC, intégrant l'algorithme de distribution des tensions, sont ensuite proposés. Un schéma de commande en espace double est introduit pour compenser la dynamique de la plate-forme et des enrouleurs. Afin de pallier les incertitudes et les variations des paramètres des modèles, une commande adaptative en espace double est finalement proposée. Des résultats expérimentaux prouvent la compatibilité temps-réel des algorithmes et des lois de commande développés dans cette thèse, ainsi que leur stabilité le long de la trajectoire suivie.

Pendant les dernières décennies, le travail d'une partie toujours croissante de chercheurs qui s'occupent de robotique s'est focalisé sur un groupe spécifique de robots qui fait partie de la famille des manipulateurs parallèles: les robots à câbles. Malgré les nombreuses études que l'on a consacrées à ce sujet, ces robots présentent encore aujourd'hui plusieurs problématiques complètement ou partiellement irrésolues. En particulier l'étude de leur cinématique, qui se révèle déjà complexe pour les manipulateurs parallèles traditionnels, est rendu encore plus compliqué par la nature non linéaire des câbles qui peuvent seulement exercer des efforts de traction. Le travail présenté dans cette thèse concentre donc son attention sur l'étude de la cinématique des robots à câbles et sur la mise au point de techniques numériques capables d'aborder une partie des problématiques liées à cela. La plupart du travail se concentre sur l'élaboration d'un algorithme pour la résolution du problème géométrique direct pour n'importe quel manipulateur à câbles qui se fonde sur l'analyse par intervalles. Cette technique d'analyse permet non seulement de résoudre rapidement le problème mais également de garantir les résultats obtenus en cas d'erreurs d'élimination et d'arrondi et de prendre en considération les incertitudes éventuellement présentes dans le modèle du problème. Le code développé a été testé grâce à un petit prototype de manipulateur à câbles dont la réalisation, qui a eu lieu pendant le parcours de doctorat, est décrite à l'intérieur du mémoire en accord avec la phase de conception du projet et de simulation
In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can transmit forces only when they are taut. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis-based procedure for the solution of the direct geometric problem (DGP) of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with its design and simulation phases

Cette thèse présente un travail complet sur la modélisation, l'identification et la commande des robots parallèles à câbles dans le but d'améliorer les performances dynamiques en termes de rapidité, de précision et de robustesse obtenues, tout en gérant les problèmes liés à l'utilisation de câbles. Dans le cadre de ces recherches, les techniques d'identification et de commande sont améliorées grâce à l'utilisation de mesures extéroceptives, notamment en utilisant la vision. Des méthodes issues des domaines de la robotique et de l'automatique sont mises en oeuvre et comparées. Les validations expérimentales sont effectuées sur un démonstrateur disponible au laboratoire : un robot INCA 6D conçu par la société Haption, équipé d'un système de capture de mouvement Bonita développé par la société Vicon
This thesis presents a complete work on modelling, identification and control of cable-driven parallel robots in order to improve the dynamic performances in terms of speed, precision and robustness, while managing the problems related to the use of cables. In the context of these researches, the identification and control techniques are improved thanks to the use of exteroceptive sensors, in particular using vision. Methods from the fields of robotics and control are implemented and compared. The experimental validations are performed on a demonstrator available in the laboratory : an INCA 6D robot designed by Haption company, equipped with a Bonita motion capture system developed by Vicon company

Cette étude porte sur la commande des systèmes non linéaires sous contraintes pour les robots parallèles à câbles. Ces derniers ont connu un intérêt croissant au cours des vingt dernières années. En effet, les robots à câbles présentent plusieurs avantages par rapport aux robots rigides, à savoir un très grand espace de travail, le déplacement de lourdes charges avec une vitesse et une précision élevée, une faible inertie, une reconfiguration simple et rapide, et enfin un coût de fabrication faible. Les applications sont nombreuses : dans le domaine médical, en biologie, pour étudier le comportement des insectes en vol libre, dans les activités portuaires pour déplacer des conteneurs ou pour la construction de bâtiments. Ce type de système représente un intérêt majeur dans l'analyse et la synthèse des systèmes dynamiques. En effet les robots à câbles, par leur modélisation, représentent une large classe de systèmes éléctro-mécaniques non linéaires avec comme difficulté supplémentaire la résolution d'une contrainte algébrique sur les tensions des câbles. Il est utile de souligner que la commande des robots (à extrémité libre) a été largement traitée/résolue par des approches classiques utilisant des solutions élégantes, la commande des robots à câbles reste un problème difficile à résoudre compte tenu de cette contrainte. Il existe peu de résultats, souvent locaux et heuristiques avec des hypothèses simplificatrices, mais loin d'être une solution satisfaisante. Il est utile de rappeler que la particularité majeure des robots à câbles est que les chaînes cinématiques ne sont pas des segments rigides, mais composés de câbles flexibles. Ces derniers sont attachés, par une extrémité, à la base mobile (ou organe terminal dans le langage industriel) et, par l'autre extrémité, à un actionneur/moteur électrique. Cette particularité introduit une contrainte forte, contrairement aux robots série à extrémité libre, sur les tensions des câbles qui doivent appartenir à une fourchette donnée et positive dans le but d'éviter des cassures ou la formation de ventre. Par conséquent, les enjeux liés au contrôle des robots parallèles à câbles sont non seulement d'amener le robot d'un point à un autre, poursuivre une trajectoire, mais également de satisfaire ces contraintes. Dans cette thèse, on répond à cette problématique par la proposition de lois de commandes simples et efficaces selon deux approches différentes : La première consiste à développer une loi de commande avec convergence en temps fini utilisant la méthode « mode glissant » pour un robot à huit moteurs (déplacement en 3D). Très peu de paramètres sont nécessaires à la mise en œuvre de cette technique, qui nécessite tout de même un algorithme d'optimisation. Les simulations numériques sont prometteuses et donnent des résultats très satisfaisants. La deuxième approche est tout à fait différente et originale, après quelques transformations astucieuses, on écrit la dynamique de l'erreur sous une forme bilinéaire ensuite on a établi une loi de commande temps variant sous des contraintes de saturation. Par l'utilisation d'une fonction de Lyapunov également temps variant, on démontre la convergence exponentielle de l'erreur de poursuite. Ce résultat a été appliqué avec succès aux robots à quatre moteurs (2D) puis à huit moteurs (3D). Il est important de souligner que cette approche, contrairement à la littérature, s'affranchie de l'utilisation des algorithmes d'optimisation qui peuvent parfois poser des problèmes de convergence. Enfin il est utile de souligner que ces résultats ont été validés à travers plusieurs simulations numériques
This study concerns the control of nonlinear systems under constraints for parallel robots with cables. These have grown in popularity over the past twenty years. Indeed, cable robots have several advantages over rigid robots, namely a very large workspace, moving heavy loads with high speed and precision, low inertia, simple and fast reconfiguration, and finally low manufacturing cost. The applications are numerous: in the medical field, in biology, to study the behavior of insects in free flight, in port activities to move containers or for the construction of buildings.This type of system represents a major interest in the analysis and synthesis of dynamical systems. Indeed, cable robots, through their modeling, represent a large class of nonlinear electromechanical systems with the additional difficulty of solving an algebraic constraint on cable tensions. It is worth pointing out that the control of (free-end) robots has been largely addressed/solved by classical approaches using elegant solutions, the control of cable robots remains a difficult problem to solve given this constraint. There are few results, often local and heuristic with simplifying assumptions, but far from being a satisfactory solution.It is useful to remember that the main feature of cable robots is that the kinematic chains are not rigid segments, but made up of flexible cables. The latter are attached, at one end, to the mobile base (or terminal device in industrial parlance) and, at the other end, to an electric actuator/motor. This particularity introduces a strong constraint, unlike series robots with free ends, on the tensions of the cables which must belong to a given and positive range in order to avoid breaks or the formation of belly. Therefore, the issues related to the control of parallel robots with cables are not only to bring the robot from one point to another, to follow a trajectory, but also to satisfy these constraints.In this thesis, we answer this problem by proposing simple and effective control laws according to two different approaches:The first consists in developing a control law with convergence in finite time using the “sliding mode” method for a robot with eight motors (moving in 3D). Very few parameters are required to implement this technique, which still requires an optimization algorithm. Numerical simulations are promising and give very satisfactory results.The second approach is quite different and original, after some clever transformations, we write the dynamics of the error in a bilinear form then we establish a time control law varying under saturation constraints. By using a time-varying Lyapunov function, we demonstrate the exponential convergence of the tracking error. This result has been successfully applied to robots with four motors (2D) and then with eight motors (3D). It is important to emphasize that this approach, contrary to the literature, is freed from the use of optimization algorithms which can sometimes pose convergence problems.Finally, it is useful to emphasize that these results have been validated through several numerical simulations

The aim of this thesis is the stiffness analysis of cable-driven parallel robots. Cable-driven parallel robots have drawn considerable attention because of their unique abilities and advantages such as the large workspace, light weight of cable actuators, easy disassembly and transportation of the robot. The mobile platform of a cable-driven parallel robot is attached to the base with multiple cables. One of the parameters that should be studied to make sure a robot is able to execute a task accurately is stiffness of the robot. In order to investigate the stiffness behaviour of a robot, the stiffness matrix can be calculated as the first step. Because cables act in tension, keeping the positive tension in cables becomes a challenge. In order to have a fully controllable robot, an actuation redundancy is needed. These complexities are addressed in the thesis and simulations. In this thesis, the complete form of the stiffness matrix is considered without neglecting any terms in calculation of the stiffness. Some stiffness indices such as single-dimensional stiffness based on stiffness ellipse, directional stiffness and condition number of the stiffness matrix are introduced and calculated and stiffness maps of the robot are developed. In addition, the issue of unit inconsistency in calculating the stiffness index is addressed. One of the areas which is also addressed in this thesis is failure analysis based on the stiffness of robot. The effect of the failure in one or more cables or motors is modelled and stiffness maps are developed for the failure situation. It is shown that by changing the anchor position and mobile platform orientation, the lost stiffness after failure of a cable or motor can be retrieved partially. Optimum anchor position and mobile platform orientation are identified to maximize the area of the stiffness map. Condition number of the stiffness matrix while robot is following a trajectory is optimized. In addition, when one cable fails during the path planning, the recovery of the robot is studied. Finally, these analyses on stiffness and failure provide the designer with the necessary and valuable information about the anchor positions and actuator toques.
Thesis (Ph.D, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2013-04-27 08:47:26.297