Dissertations / Theses on the topic 'Robot parallèles à câbles'

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

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

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

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

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

Les robots parallèles suspendus entraînés par câbles utilisent, comme leur nom l’indique, des câbles afin de déplacer une plate-forme mobile suspendue appelée effecteur. Chaque câble du robot relie l’effecteur à une poulie statique fixée à une base et qui est actionnée par un moteur. Le mouvement de l’effecteur est une conséquence de l’enroulement et du déroulement des câbles autour des poulies actionnées. Ces robots requièrent un nombre de câbles supérieur ou égal au degré de liberté de mouvement de l’effecteur (soit trois dans un plan et six dans l’espace tridimensionnel). Certaines applications des robots parallèles suspendus entraînés par câbles requièrent seulement la possibilité de déplacer en translation l’effecteur. Dans ces circonstances, il est possible de minimiser le nombre de moteurs requis en utilisant des arrangements de câbles en parallélogramme afin d’actionner deux câbles du robot avec un seul moteur. Ces câbles sont alors toujours parallèles et de même longueur tant et aussi longtemps que les câbles sont en tension. L’objectif de ce mémoire est de présenter les capacités de deux Robots Parallèles Suspendus Entraînés par Câbles (RPSEC) translationnels possédant des arrangements de câbles en parallélogramme. Afin de mieux introduire les sujets principaux étudiés dans ce mémoire, le premier chapitre présente une revue de la littérature scientifique. Cette revue est séparée en quatre sujets soit : Les RPSEC en général, les espaces de travail des RPSEC, la capacité des RPSEC à entreprendre des trajectoires dynamiques ainsi que les robots parallèles ayant des arrangements d’actionneurs en parallélogrammes. Le second chapitre porte sur un RPSEC plan translationnel à 2 DDL. La géométrie spéciale de ce RPSEC utilisant des câbles en parallélogramme est d’abord présentée ainsi qu’une étude du degré de mobilité du robot. Une modélisation cinématique du mécanisme est par la suite effectuée qui permet de résoudre le Problème Géométrique Direct (PGD) et Inverse (PGI) du robot. Cette résolution du PGI et du PGD permet ensuite de dériver les équations de vitesse qui sont utilisées pour déterminer les lieux de singularité du robot. Une modélisation dynamique est par la suite effectuée qui permet de déterminer des inégalités algébriques qui, lorsqu’elles sont respectées, assurent que les câbles du mécanisme sont en tension. Ces inégalités sont ensuite utilisées pour étudier les limites de l’Espace de Travail Statique (ETS) et de l’espace de travail Statique avec Torseur (ETST) du robot en fonction des paramètres géométriques du robot. Les inégalités sont également utilisées pour planifier des trajectoires elliptiques qui permettent au robot de sortir de l’ETST. Le troisième chapitre présente un RPSEC spatial translationnel à 3DDL. Comme le mécanisme du chapitre précédent, ce mécanisme utilise des câbles arrangés en parallélogrammes. Une étude de la cinématique de ce robot est présentée ce qui permet la résolution du PGD et du PGI. Cette étude permet ensuite de déterminer les lieux de singularité du robot ainsi que les possibles intersections entre les câbles du robot. Une modélisation de la dynamique du robot est par la suite effectuée qui permet de déterminer des conditions paramétriques qui assurent une tension dans les câbles. Ces conditions sont utilisées pour déterminer l’ETS du robot ainsi que son ETST. Une planification de trajectoire elliptique est également présentée pour ce robot. Enfin, le dernier chapitre présente un prototype du robot présenté au troisième chapitre. Une méthodologie est d’abord élaborée qui permet de mettre en évidence les différentes étapes nécessaires à la réalisation d’un tel prototype. Le robot est par la suite testé en le déplaçant dans son espace de travail statique et en produisant des trajectoires de type elliptique qui lui permettent de sortir de son espace de travail statique

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.

L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour étalonner un robot parallèle à câbles de grande dimension. Afin d'améliorer le comportement global d'un robot, il est nécessaire d'identifier au mieux les paramètres de son modèle. Pour cela, il est important d'obtenir des informations redondantes en mesurant l'état du robot dans différentes configurations. Cependant, le modèle choisi est un compromis entre sa capacité à représenter le comportement réel du manipulateur et les informations disponibles pour le renseigner. Dans le cas particulier des robots à câbles de grande dimension, la masse et l'élasticité des câbles ont une influence non négligeable sur le comportement du robot mais sont difficiles à modéliser. En effet, le modèle physique des câbles est complexe et nécessite de connaître la tension à laquelle ils sont soumis. Les capteurs disponibles ne pouvant nous fournir cette information avec une précision suffisante pour renseigner un modèle de câble réaliste, nous proposons d'utiliser un modèle simplifié. Dans le but de proposer un étalonnage efficace, il est donc nécessaire de définir les conditions pour l'emploi de ce modèle simplifié. Ensuite, nous avons adapté et implanté d'une part plusieurs techniques classiques pour l'étalonnage des robots parallèles mais nous avons également élaboré des approches plus innovantes. Nous proposons en effet un modèle pour les robots à câbles reposant sur une représentation des incertitudes de modélisation, de mesures et de paramètres au moyen d'intervalles.

L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour étalonner un robot parallèle à câbles de grande dimension. Afin d'améliorer le comportement global d'un robot, il est nécessaire d'identifier au mieux les paramètres de son modèle. Pour cela, il est important d'obtenir des informations redondantes en mesurant l'état du robot dans différentes configurations. Cependant, le modèle choisi est un compromis entre sa capacité à représenter le comportement réel du manipulateur et les informations disponibles pour le renseigner. Dans le cas particulier des robots à câbles de grande dimension, la masse et l'élasticité des câbles ont une influence non négligeable sur le comportement du robot mais sont difficiles à modéliser. En effet, le modèle physique des câbles est complexe et nécessite de connaître la tension à laquelle ils sont soumis. Les capteurs disponibles ne pouvant nous fournir cette information avec une précision suffisante pour renseigner un modèle de câble réaliste, nous proposons d'utiliser un modèle simplifié. Dans le but de proposer un étalonnage efficace, il est donc nécessaire de définir les conditions pour l'emploi de ce modèle simplifié. Ensuite, nous avons adapté et implanté d'une part plusieurs techniques classiques pour l'étalonnage des robots parallèles mais nous avons également élaboré des approches plus innovantes. Nous proposons en effet un modèle pour les robots à câbles reposant sur une représentation des incertitudes de modélisation, de mesures et de paramètres au moyen d'intervalles
The main objective of this thesis is to propose new methods for the calibration of a large scale cable-driven robot. The principal method to improve the global behavior of a robot consists to identify the parameters of the model. For this, it is important to get redundant information by measuring the state of the robot in different configurations. However, the model used is a compromise between its ability to represent the actual behavior of the manipulator and the information available to fill in it. In the special case of the large scale cable-driven robots, mass and elasticity of the cables have a significant influence on the behavior of the robot but they are difficult to model. Indeed, the physical model of the cable is complex and requires knowledge of the tension inside it. Available sensors cannot provide this information with a sufficient accuracy to fill in a model of a realistic cable, we thus propose to use a simplified model. In order to provide an efficient calibration, it is necessary to fix the requirements to use this simplified model. Then, we have adapted and implemented some classical techniques for the calibration of parallel robots, but we also developed more innovative approaches. We propose a model for cable robots based on a representation of the uncertainties from modeling, measurements and parameters using intervals. By exploiting the interval analysis, we have developed various approaches to identify with certification the geometric parameters of the structure. We thus propose a new approach and associated algorithms to characterize and compute different kind of solutions for the calibration problem

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

Ce projet de recherche vise à l’élaboration de nouveaux outils de détermination de l’espace atteignable d’un mécanisme à câbles, pour une application de simulateur de vol. On introduit d’abord la théorie des simulateurs de vol afin de bien saisir les besoins en terme de plate-forme de génération de mouvement. Ensuite, on présente brièvement les mécanismes à câbles comme solution potentielle aux lacunes des simulateurs de vol actuels. S’en suit le développement de plusieurs outils d’évaluation des mécanismes à câbles, puis l’utilisation de ces outils à l’intérieur d’une optimisation multicritérielle visant à déterminer une architecture optimale. On présente l’architecture ainsi obtenue et enfin, on discute du prototype fabriqué au Laboratoire de Robotique de l’Université Laval.

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

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 propose une nouvelle famille de pantographes, les pantographes à transmission par câbles (PTC). Les PTC sont définis comme des mécanismes permettant la reproduction, selon un facteur d’échelle préétabli, de mouvements imposés à l’effecteur maître vers l’effecteur esclave en se servant de câbles comme moyen de transmission des forces. Ils peuvent être aussi présentés comme étant la communion entre les pantographes conventionnels, mécanismes constitués de membrures rigides, et les mécanismes parallèles entraînés par câbles (MPEC). L’objectif de cette thèse étant la conception de PTC combinant fiabilité d’utilisation, sécurité et faible coût de fabrication, nous avons choisi de développer des outils permettant la conception de PTC purement mécaniques, c’est-à-dire qu’aucune composante électrique n’est nécessaire afin de transmettre les efforts entre les parties maître et esclave. Plusieurs applications peuvent être d’ailleurs envisagées pour ce type de mécanismes, soient, par exemple, la télémanipulation d’objets à l’intérieur d’environnements sensibles aux perturbations électromagnétiques causées par l’activation de moteurs électriques ou tout simplement lorsque l’accès à des sources d’énergie électrique est limité. L’utilisation exclusive de câbles entre les deux parties du pantographe apporte plusieurs avantages, mais aussi quelques inconvénients qui leurs sont inhérents. Le principal désavantage des PTC est sans contredit l’unilatéralité de la transmission des forces dans les mécanismes à entraînement par câbles. Ce dernier impose une disposition réfléchie des câbles, c’est-à-dire que ceux-ci doivent supporter l’effecteur selon toutes les directions, et un niveau minimum de tension afin de conserver la géométrie du système. En général, pour les MPEC, les moteurs électriques doivent fournir un couple et une puissance constants afin de maintenir cette tension. Nous proposons donc, dans cette thèse, l’utilisation de ressorts dans l’objectif de produire cette tension sans actionneur, laissant ainsi à l’utilisateur l’application de toute charge additionnelle (par exemple, pour vaincre la friction, l’inertie ou des forces extérieures appliquées à l’effecteur). Ce concept est validé par la conception mécanique du premier prototype de PTC plan à deux degrés de liberté (DDL) et entraîné par trois câbles. Dans le but de restreindre au minimum la dépense énergétique de l’utilisateur, nous suggérons ensuite la conception et l’utilisation de ressorts non-linéaires. Une méthodologie est ainsi développée afin de déterminer le comportement idéal de ces ressorts pour à la fois maintenir les câbles en tension et approximer l’équilibrage statique du mécanisme sur son espace de travail. Ces ressorts non-linéaires sont en fait constitués de mécanismes à quatre barres et de ressorts à couples constants. À titre d’exemple, cette technique est appliquée à la conception mécanique d’une nouvelle version du PTC plan à deux DDL et entraîné par trois câbles. Lors de la conception de tout PTC (et particulièrement pour les PTC comportant un espace de travail tridimensionnel), un second inconvénient doit être pris en compte. Ce sont les interférences mécaniques entre les différents câbles reliant un même effecteur à sa base correspondante (autant pour l’effecteur maître que l’effecteur esclave) lors de déplacements en translation, en rotation ou combinés. Par conséquent, nous proposons dans cette thèse une méthode permettant de déterminer de manière géométrique les régions d’interférences entre une paire de câbles et aussi entre un câble et une arête de l’effecteur à l’intérieur de l’espace de travail du PTC pour une orientation constante de ce dernier. Il est entre autres démontré que, pour une orientation constante de l’effecteur, ces zones d’interférences sont définies par des segments de plans et de lignes à l’intérieur de l’espace de travail. Cette méthode permet alors de prévoir, de manière exacte et très rapide, les lieux d’interférences pour un PTC donné et elle fournit un puissant outil lors de l’optimisation géométrique de ce type de systèmes. Cette technique est aussi directement applicable lors de la conception de tout MPEC tridimensionnel. Finalement, afin de déterminer une géométrie adéquate pour une application donnée, la dernière partie de cette thèse se concentre sur la conception d’un algorithme d’optimisation géométrique pour les PTC ou MPEC basé sur trois critères principaux. Le premier critère est la maximisation du volume de l’espace des poses polyvalentes (EPP) (critère bien connu dans la litérature scientifique). Les second et troisième critères sont basés sur l’espace libre de toute interférence mécanique (théorie développée dans la partie précédente de cette thèse) et ces espaces doivent être aussi maximisés. À titre d’exemple, les paramètres géométriques d’un MPEC comportant six DDL, étant entraîné par sept câbles et comportant neuf arêtes sont optimisés pour illustrer cette technique. Par la suite, une application médicale est utilisée comme deuxième exemple, soit la synthèse dimensionnelle d’un PTC à six DDL, entraîné par huit câbles et comportant dix-sept arêtes, prévu pour être utilisé à l’intérieur d’un système conventionnel d’imagerie par résonance magnétique (IRM) cylindrique permettant ainsi d’effectuer des biopsies simples sous guidage visuel.
This thesis reports the first steps toward the development of a new family of telemanipulators: cable-driven pantographs (CDPs). We define CDPs as mechanisms designed to reproduce trajectories induced from a master (input) to a slave (output) with a chosen scale factor and using cables in order to transmit corresponding forces or moments. They can also be presented as the combination of conventional pantographs, devices where rigid links are used to transmit forces between the master and the slave, and cable-driven parallel mechanisms (CDPMs). Given that the purpose of this thesis is the design of CDPs which combine reliability, safety and a low manufacturing cost, we have chosen to develop tools that allow the design of purely mechanical CDPs, i.e., no electrical component is necessary to transmit forces between the master and the slave. Several applications can be considered for this new family of pantographs, e.g., the telemanipulation of objects inside environments that are sensitive to electromagnetic disturbances, or simply where electrical energy access is limited. The strict use of cables between the two main components of the pantograph leads to many advantages but also to some inherent drawbacks. The main disadvantage of CDPs is without any doubt the unilaterality of force transmission in the CDPM’s cables. It imposes a reflected cables distribution, i.e., cables must support the end effector in all directions, and a minimum level of tension in order to preserve the system geometry. In general, for a CDPM, the driving electrical motors are used to produce continuous torque (and power) to maintain the cable tensions. In this thesis, we propose a methodology which relies on springs in order to produce these tensions in a purely mechanical manner, leaving to the user the application of the additional forces, i.e., those forces needed to overcome friction, produce accelerations and balance external forces applied at the end effector. This conceptual idea is validated through the design of the prototype of the first planar three-cable two-degree-of-freedom (DoF) CDP. Then, with the objective of minimizing the energy expenditure required by the user, we also suggest to compute nonlinear springs behaviours that maintain the cable tensions to a minimum level, while approximating the static equilibrium of the mechanism over its workspace. The nonlinear springs are in fact embodied as four-bar mechanisms coupled with constanttorque springs. This methodology is illustrated by its application to a modified version of the three-cable two-DoF planar CDP. When designing any CDP (in particular for CDPs with tridimensional workspace), a second drawback must be taken into account. This drawback is the possible occurrence of mechanical interferences between the different cables used to constrain the pose of the end effector from its respective base (this applies to both the master and the slave effectors) when moving in translation, in rotation or both. Thence, in this thesis, we propose a methodology for determining, in a geometrical manner, the interference regions between a pair of cables and between a cable and an end-effector edge for a given orientation within its workspace. It is shown that, for a constant end-effector orientation, these interference regions are defined by plane and line segments belonging to the CDP workspace. Then, this technique allows to determine—exactly and rapidly—the interference regions for a given CDP, and thus provides a powerful tool for optimizing the geometry of this kind of mechanisms. This methodology can also be directly applied to the design of any tridimensional CDPMs. Finally, in order to generate a suitable geometry for a given application, the last part of this thesis details an algorithm to synthesize CDP or CDPM geometries based on three main criteria. The first criterion is based on the wrench-closure workspace (WCW) (which criterion is well known in the literature), whose volume should be maximized. The second and the third ones are based on the free-interference workspace, methodology developed in the previous part of the thesis, whose volumes should also be maximized. As an example, the geometric parameters of a seven-cable nine-edge six-DoF CDPM are optimized to illustrate the relevance of the technique. Then, a medical application is used as a second example, i.e., the dimensional synthesis of an eight-cable seventeen-edge six-DoF CDP intended to be used inside a standard cylindrical magnetic-resonance-imaging (MRI) system for performing simple image-guided biopsies.

L'analyse de la marche et la mesure du déplacements des articulations humaines ont été largement étudiées. Les artefacts de tissus "mous" sont une source fréquente d'erreur pour la plupart des méthodes de mesure utilisées. La procédure standard en analyse de la marche consiste à utiliser une combinaison de mesures pour l'estimation efficace des angles articulaires et de la position des segments du corps humain. Ce travail propose le développement d'un système d'analyse de la marche reposant sur un robot parallèle à câbles équipé de plusieurs capteurs mesurant spécifiquement les déplacements du genou. Nous considérons le cas général pour lequel les articulations humaines se comportent comme des joints à 6 degrés de liberté reliant deux segments du corps. Afin de déterminer la position et l'orientation de ces segments, 14 câbles y sont attachés, ce qui permet de considérer ces segments comme les organes effecteurs de robots parallèles. Leur position peut alors être calculée à partir de la mesure de la longueur des câbles. Cependant, ces mesures sont entachées de bruit à cause des artefacts de tissus "mous". Afin d'améliorer la précision des résultats, le système propose aussi l'utilisation d'autres capteurs de nature différente : plusieurs capteurs inertiels (avec accéléromètres et gyroscopes), un système de motion capture, des capteurs de pression plantaire, des capteurs de distance (IR et résistance variable) et des capteurs de force pour mesurer la contraction musculaire. Plusieurs approches globales sont disponibles pour l'analyse du genou lors de la marche. Les choix technologiques effectués impactent directement sur la conception de notre système et imposent le développement de matériel spécifique pour mener à bien les mesures, tel que le collier flexible utilisé d'une part pour permettre l'attache des câbles sur les segments du patient et d'autres part pour supporter les capteurs supplémentaires. Nous traitons le collier comme une chaîne cinématique sérielle et nous proposons une méthode d'étalonnage qui ne nécessite pas d'utiliser les mesures angulaires des articulations contrairement aux méthodes existantes. Nous décrivons le protocole expérimental ainsi que les méthodes utilisées pour synchroniser les données issues de plusieurs ordinateurs. Les données sont ensuite fusionnées pour obtenir la pose du collier et donc celle des segments du patient. Enfin, ce travail permet d'identifier les modifications à apporter au système pour une meilleure analyse de la marche, ce qui pourra servir de base à un système de rééducation complet.

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

Les robots parallèles à câbles sont de plus en plus utilisés et étudiés, particulièrement dans le domaine de la recherche. Une des applications d'intérêts est leur usage en tant qu'interface haptique. Leur grand espace de travail et leur faible inertie en font de bons candidats pour en faire des interfaces de taille humaine. Une des applications intéressantes serait d'utiliser ce type d'interfaces dans le domaine de la santé, plus spécifiquement en réadaptation physique. Comme ces interfaces sont capables de reproduire des efforts à l'utilisateur, celles-ci peuvent être utilisées pour faire travailler les muscles. C'est dans cette optique que les recherches rapportées dans cette thèse ont été accomplies. Cette thèse présente donc premièrement des avancées plus générales aux mécanismes parallèles à câbles permettant leur utilisation en tant qu'interface haptique, pour ensuite se spécialiser dans la création d'un prototype d'interface haptique entraîné par câble combiné à un retour visuel immersif comme un casque de réalité virtuelle par exemple. La thèse se termine avec l'évaluation préliminaire du prototype développé qui est installé dans un centre de recherche en réadaptation physique et qui, dans un avenir rapproché, pourra servir à l'avancement de la recherche dans le domaine de la réadaptation physique.
Cable driven parallel robots are studied and used more every day, especially in the research community. One interesting application is their use as haptic interfaces. Their big workspace and relatively low inertia makes them great candidates for human scale interfaces. One application of haptic interfaces of this scale is in health and physical readaptation. Since those interfaces are able to render forces, they can be used to train or evaluate physical capabilities. Research presented in this thesis aims at furthering knowledge in this domain. Some more general advances needed to make cable driven parallel mechanisms suitable haptic interfaces are presented first and then more specific developments toward the creation of a prototype haptic interface combined with a visual feedback are presented. The thesis ends with preliminary studies on the developed prototype installed in a research facility on physical readaptation.

Introduction : Les nouvelles technologies qui permettent de capter et d’analyser les mouvements des utilisateurs ne cessent de se développer et représentent un potentiel intéressant dans le domaine de la santé. Grâce à l’essor de ces nouvelles technologies, des systèmes de réalité virtuelle (RV) clefs en main intègrent les services de réadaptation, et les études démontrent leur capacité à optimiser la rééducation motrice et l’évaluation des clients présentant des troubles du contrôle moteur. Le marché de la RV est ainsi en pleine expansion, et l’ajout d’informations haptiques permettant de modéliser les caractéristiques physiques des entités virtuelles représente un intérêt considérable pour améliorer l’écologie des environnements virtuels (EVs) et le transfert des apprentissages aux activités quotidiennes. Toutefois, l’effet de l’ajout de ces informations sur le comportement moteur des sujets demeure très peu connu. L’objectif principal de cette thèse était ainsi d’évaluer l’impact de l’ajout d’informations haptiques, par un mécanisme parallèle entrainé par câbles (robot à câbles), sur le contrôle moteur de sujets sains, lors de la réalisation de tâches complexes et fonctionnelles dans des EVs. Les deux hypothèses principales étaient que cet ajout améliore le contrôle du mouvement lors de tâche de manutention d’objet ayant des contraintes environnementales statiques, et modifie les stratégies locomotrices proactives en présence de contraintes dynamiques. Méthode : Le comportement moteur de participants sains a été analysé lors de la réalisation de deux tâches. En premier lieu, une tâche de manutention de caisse nécessitant la préhension et le déplacement d’une caisse à partir d’une posture debout a été étudiée. Celle-ci a été réalisée dans un environnement réel et dans des EVs, en absence et en présence d’informations haptiques, relatives aux contraintes physiques de l’étagère et de la caisse manipulée, fournies grâce à un robot à câbles (Chapitre 3, N=12). En second lieu, une tâche nécessitant l’évitement d’avatars au cours de la marche sur un tapis roulant a été réalisée en présence et en absence de risque de contact physique avec les avatars, délivré par un robot à câbles (Chapitre 4, N=10). Les EVs étaient vus au travers d’un visiocasque. Résultats : La première étude a démontré une amélioration des paramètres spatiaux du mouvement réalisé dans l’EV en présente d’informations haptiques, au cours des différentes phases de la tâche de manutention (préhension, montée et descente de la caisse). L’organisation spatiale du mouvement était ainsi plus similaire à ce qui était observé dans un environnement réel, avec un meilleur respect des contraintes environnementales (éloignement plus important de la caisse avec l’étagère, trajectoire plus longue). De plus, le contrôle du mouvement était influencé par la demande de précision requise pour ne pas toucher les étagères en présence d’informations haptiques uniquement. La deuxième étude a démontré la mise en place de stratégies motrices plus précautionneuses pour éviter les avatars lors de l’ajout d’informations haptiques. Les participants tendaient à anticiper plus précocement l’évitement des avatars. Ils maintenaient une distance minimale plus importante avec les avatars et conservaient un espace péripersonnel plus large, indépendamment de l’angle d’approche de l’avatar. Conclusion : L’ajout d’informations haptiques dans les EVs impacte les stratégies motrices proactives des participants sains aussi bien lors de la tâche de manutention de caisse que de locomotion avec évitement d’avatars. Les résultats suggèrent que l’ajout d’informations haptiques favorise la prise en compte des entités virtuelles lors de la planification mouvement. Ces informations haptiques imposent en effet des restrictions plus réalistes dans les possibilités d’actions fournies par les EVs, et modifient probablement l’évaluation des conséquences que représente le contact avec les entités virtuelles. Il serait pertinent de poursuivre l’étude de l’influence de ces informations afin de proposer à des clients ayant des déficiences motrices des environnements encore plus écologiques, qui favorisent l’évaluation et la prise en compte des risques implicites que représentent les entités environnementales.
Introduction : Les nouvelles technologies qui permettent de capter et d’analyser les mouvements des utilisateurs ne cessent de se développer et représentent un potentiel intéressant dans le domaine de la santé. Grâce à l’essor de ces nouvelles technologies, des systèmes de réalité virtuelle (RV) clefs en main intègrent les services de réadaptation, et les études démontrent leur capacité à optimiser la rééducation motrice et l’évaluation des clients présentant des troubles du contrôle moteur. Le marché de la RV est ainsi en pleine expansion, et l’ajout d’informations haptiques permettant de modéliser les caractéristiques physiques des entités virtuelles représente un intérêt considérable pour améliorer l’écologie des environnements virtuels (EVs) et le transfert des apprentissages aux activités quotidiennes. Toutefois, l’effet de l’ajout de ces informations sur le comportement moteur des sujets demeure très peu connu. L’objectif principal de cette thèse était ainsi d’évaluer l’impact de l’ajout d’informations haptiques, par un mécanisme parallèle entrainé par câbles (robot à câbles), sur le contrôle moteur de sujets sains, lors de la réalisation de tâches complexes et fonctionnelles dans des EVs. Les deux hypothèses principales étaient que cet ajout améliore le contrôle du mouvement lors de tâche de manutention d’objet ayant des contraintes environnementales statiques, et modifie les stratégies locomotrices proactives en présence de contraintes dynamiques. Méthode : Le comportement moteur de participants sains a été analysé lors de la réalisation de deux tâches. En premier lieu, une tâche de manutention de caisse nécessitant la préhension et le déplacement d’une caisse à partir d’une posture debout a été étudiée. Celle-ci a été réalisée dans un environnement réel et dans des EVs, en absence et en présence d’informations haptiques, relatives aux contraintes physiques de l’étagère et de la caisse manipulée, fournies grâce à un robot à câbles (Chapitre 3, N=12). En second lieu, une tâche nécessitant l’évitement d’avatars au cours de la marche sur un tapis roulant a été réalisée en présence et en absence de risque de contact physique avec les avatars, délivré par un robot à câbles (Chapitre 4, N=10). Les EVs étaient vus au travers d’un visiocasque. Résultats : La première étude a démontré une amélioration des paramètres spatiaux du mouvement réalisé dans l’EV en présente d’informations haptiques, au cours des différentes phases de la tâche de manutention (préhension, montée et descente de la caisse). L’organisation spatiale du mouvement était ainsi plus similaire à ce qui était observé dans un environnement réel, avec un meilleur respect des contraintes environnementales (éloignement plus important de la caisse avec l’étagère, trajectoire plus longue). De plus, le contrôle du mouvement était influencé par la demande de précision requise pour ne pas toucher les étagères en présence d’informations haptiques uniquement. La deuxième étude a démontré la mise en place de stratégies motrices plus précautionneuses pour éviter les avatars lors de l’ajout d’informations haptiques. Les participants tendaient à anticiper plus précocement l’évitement des avatars. Ils maintenaient une distance minimale plus importante avec les avatars et conservaient un espace péripersonnel plus large, indépendamment de l’angle d’approche de l’avatar. Conclusion : L’ajout d’informations haptiques dans les EVs impacte les stratégies motrices proactives des participants sains aussi bien lors de la tâche de manutention de caisse que de locomotion avec évitement d’avatars. Les résultats suggèrent que l’ajout d’informations haptiques favorise la prise en compte des entités virtuelles lors de la planification mouvement. Ces informations haptiques imposent en effet des restrictions plus réalistes dans les possibilités d’actions fournies par les EVs, et modifient probablement l’évaluation des conséquences que représente le contact avec les entités virtuelles. Il serait pertinent de poursuivre l’étude de l’influence de ces informations afin de proposer à des clients ayant des déficiences motrices des environnements encore plus écologiques, qui favorisent l’évaluation et la prise en compte des risques implicites que représentent les entités environnementales.
Introduction: New technologies that capture and analyze user movement are constantly developing and represent a great potential in healthcare. Thanks to the recent technological advances, turnkey virtual reality (VR) systems are progressively integrated into the rehabilitation setting, and studies have demonstrated their ability to optimise sensorimotor rehabilitation and clinical assessment of people with motor control disorders. The market for VR is growing and adding haptic feedback that provides physical characteristics to virtual entities represents a great potential to improve the ecological validity of virtual environments (VE) and to the transfer of learning to daily tasks. However, the impact that adding haptic feedback has on motor behavior remains poorly understood. The main objective of this thesis was to assess the impact of adding haptic feedback, using a novel cable-driven parallel robot, on the motor control of healthy participants during complex, functional tasks in VEs. The two mains hypotheses were that haptic feedback improves motor control during a handling task with static environmental constraints and modifies proactive locomotor strategies in the presence of dynamic constraints. Method: The motor behavior of healthy participants was analysed during two tasks. First, a manual handling task was studied during which participants grasped and moved a crate while standing. This task was realised in a real environment and in VEs with the absence and the presence of haptic information. The latter simulated the physical constraints of the shelf and the crate to be manipulated using a cable-driven robot (Chapter 3, N=12). Second, avatar avoidance tasks were realised when participants walked on a self-paced treadmill in the absence and then in the presence of a risk of physical contact with avatars. Contact was simulated by a cable-driven robot (Chapter 4, N=10). VEs were viewed through a head mounted display for all tasks. Results: The first study showed that adding haptic feedback to the VE improved spatial parameters of movement realised in a VE during all phases of movement (reaching, ascent and descent phases). The spatial organisation of movement was closer to those observed in a physical environment, and better respected environmental constraints (higher clearances from the shelf and longer trajectories). Moreover, movement control was influenced by task precision required to avoid any contact with the shelf in the presence of haptic feedback only. The second study demonstrated that when avoiding avatars in VR, more cautious behavior was measured in the presence of potential physical contact. Participants tended to start their avoidance strategy earlier and increased minimum clearance along with a larger personal space regardless of the avatar’s approach angle. Conclusion: Adding haptic feedback in VEs impacts the proactive motor strategies of healthy participants during a manual handling task as well as a locomotor task involving the avoidance of avatars. These results suggest that adding haptic feedback enhances one’s consideration of virtual entities during movement planning. Haptic information imposes more realistic restrictions on the actions afforded by EVs, and likely modifies the perceived consequences of potential contact with virtual entities. It will be important to continue to study the impact of haptic feedback within VEs to provide even more ecological environments to people with motor deficits in order to improve assessment and the consideration of implicit risks posed by the environment.
Introduction: New technologies that capture and analyze user movement are constantly developing and represent a great potential in healthcare. Thanks to the recent technological advances, turnkey virtual reality (VR) systems are progressively integrated into the rehabilitation setting, and studies have demonstrated their ability to optimise sensorimotor rehabilitation and clinical assessment of people with motor control disorders. The market for VR is growing and adding haptic feedback that provides physical characteristics to virtual entities represents a great potential to improve the ecological validity of virtual environments (VE) and to the transfer of learning to daily tasks. However, the impact that adding haptic feedback has on motor behavior remains poorly understood. The main objective of this thesis was to assess the impact of adding haptic feedback, using a novel cable-driven parallel robot, on the motor control of healthy participants during complex, functional tasks in VEs. The two mains hypotheses were that haptic feedback improves motor control during a handling task with static environmental constraints and modifies proactive locomotor strategies in the presence of dynamic constraints. Method: The motor behavior of healthy participants was analysed during two tasks. First, a manual handling task was studied during which participants grasped and moved a crate while standing. This task was realised in a real environment and in VEs with the absence and the presence of haptic information. The latter simulated the physical constraints of the shelf and the crate to be manipulated using a cable-driven robot (Chapter 3, N=12). Second, avatar avoidance tasks were realised when participants walked on a self-paced treadmill in the absence and then in the presence of a risk of physical contact with avatars. Contact was simulated by a cable-driven robot (Chapter 4, N=10). VEs were viewed through a head mounted display for all tasks. Results: The first study showed that adding haptic feedback to the VE improved spatial parameters of movement realised in a VE during all phases of movement (reaching, ascent and descent phases). The spatial organisation of movement was closer to those observed in a physical environment, and better respected environmental constraints (higher clearances from the shelf and longer trajectories). Moreover, movement control was influenced by task precision required to avoid any contact with the shelf in the presence of haptic feedback only. The second study demonstrated that when avoiding avatars in VR, more cautious behavior was measured in the presence of potential physical contact. Participants tended to start their avoidance strategy earlier and increased minimum clearance along with a larger personal space regardless of the avatar’s approach angle. Conclusion: Adding haptic feedback in VEs impacts the proactive motor strategies of healthy participants during a manual handling task as well as a locomotor task involving the avoidance of avatars. These results suggest that adding haptic feedback enhances one’s consideration of virtual entities during movement planning. Haptic information imposes more realistic restrictions on the actions afforded by EVs, and likely modifies the perceived consequences of potential contact with virtual entities. It will be important to continue to study the impact of haptic feedback within VEs to provide even more ecological environments to people with motor deficits in order to improve assessment and the consideration of implicit risks posed by the environment.

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

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

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

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

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

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

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche sur un nouveau moyen d’essais pour l'étude des aéronefs : la Suspension ACtive pour SOufflerie (SACSO). Après avoir présenté les modélisations cinématique, statique et dynamique de ces manipulateurs, une caractérisation mathématique des différents espaces de travail est proposée. Elle nous permet d’exposer nos outils graphiques rapides de prévision de ces espaces. Sont ensuite abordés les problèmes liés à la nécessaire redondance en câbles de ce type de manipulateur et ce que cela entraîne au niveau de la commande. Cette étude théorique sur les manipulateurs parallèles à câbles nous conduit à énoncer quelques règles simples mais capitales de conception et à proposer deux exemples d’architecture extrême de manipulateurs à 6 ddl : les architectures minimale et maximale. Les règles édictées sont ensuite appliquées à la conception de l'architecture géométrique du manipulateur à câble SACSO.

Les singularités sont des poses particulières où le robot ne peut être contrôlé et ou les efforts subis par les articulations du mécanisme peuvent tendre vers l'infini ce qui entraine alors une détérioration du mécanisme. Bien que ces dernières années de larges avancées dans la classification et la détection des singularités aient eu lieu la question de la proximité d'une pose à une pose singulière reste ouverte. Dans cette thèse nous tentons d'y répondre avec une approche basée sur la statique. En effet si pour une pose donnée les efforts subis par les articulation restent inférieur à un certain seuil, on pourra affirmer que le robot ne subira pas de détérioration et nous le considérons comme assez éloigné d'une pose singulière. Dans un premier temps, nous proposons un algorithme qui calcule, pour un robot plan dont l'orientation est fixée et dont la plate-forme supporte une charge connue, la frontière de la région pour laquelle on assure l'intégrité physique du manipulateur. Cet algorithme étant difficile à étendre pour des robots à plus de 3 degrés de libertés, nous en proposons un second basé sur l'analyse par intervalles.

Les applications de pick-and-place à hautes cadences requièrent des caractéristiques très élevées en terme de performances dynamiques, que seuls les robots parallèles sont capables d'atteindre. Les robots à quatre degrés de liberté proposent le plus de flexibilité, mais l'amplitude de la rotation permettant l'orientation de l'objet est souvent le point faible de ces architectures. Cependant, le concept de nacelle articulée permet de dépasser cet inconvénient. Ainsi, trois nouvelles architectures de robots de pick-and-place à quatre degrés de liberté sont présentées dans ce manuscrit : les architectures Par4, Héli4 et Dual4. Pour chacun des robots présentés, une étude complète est effectuée et un démonstrateur est réalisé afin de valider les concepts et de les évaluer. Une méthode de modélisation dynamique simplifiée appliquée aux robots à nacelle articulée est ensuite présentée. Cette méthode est appliquée au robot Par4 et permet de mettre en avant un déséquilibre des couples moteurs sur ce mécanisme. Il est alors démontré qu'un changement mineur dans la cinématique de la nacelle permet de réduire de 30% les couples mis en jeux lors de trajectoires de prises-déposes. Une nouvelle version "équilibrée" du robot est donc proposée en se fondant sur l'étude dynamique présentée précédemment. Enfin, deux types d'optimisations appliquées aux robots de pick-and-place sont présentés. Tout d'abord, une méthode de recherche des paramètres géométriques dédiée aux robots de pick-and-place est présentée et appliquée au robot Par4. De plus, une génération de trajectoire utilisant les clothoïdes et une loi horaire adaptative est proposée afin d'optimiser les déplacements du robot lors de mouvements de pick-and-place à très hautes accélérations

Les applications de pick-and-place à hautes cadences requièrent des caractéristiques très élevées en terme de performances dynamiques, que seuls les robots parallèles sont capables d'atteindre. Les robots à quatre degrés de liberté proposent le plus de flexibilité, mais l'amplitude de la rotation permettant l'orientation de l'objet est souvent le point faible de ces architectures. Cependant, le concept de nacelle articulée permet de dépasser cet inconvénient. Ainsi, trois nouvelles architectures de robots de pick-and-place à quatre degrés de liberté sont présentées dans ce manuscrit : les architectures Par4, Héli4 et Dual4. Pour chacun des robots présentés, une étude complète est effectuée et un démonstrateur est réalisé afin de valider les concepts et de les évaluer. Une méthode de modélisation dynamique simplifiée appliquée aux robots à nacelle articulée est ensuite présentée. Cette méthode est appliquée au robot Par4 et permet de mettre en avant un déséquilibre des couples moteurs sur ce mécanisme. Il est alors démontré qu'un changement mineur dans la cinématique de la nacelle permet de réduire de 30% les couples mis en jeux lors de trajectoires de prises-déposes. Une nouvelle version "équilibrée" du robot est donc proposée en se fondant sur l'étude dynamique présentée précédemment. Enfin, deux types d'optimisations appliquées aux robots de pick-and-place sont présentés. Tout d'abord, une méthode de recherche des paramètres géométriques dédiée aux robots de pick-and-place est présentée et appliquée au robot Par4. De plus, une génération de trajectoire utilisant les clothoïdes et une loi horaire adaptative est proposée afin d'optimiser les déplacements du robot lors de mouvements de pick-and-place à très hautes accélérations

L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux robots qui combinent dextérité, compacité et précision afin de réaliser des tâches de micromanipulation complexes dans des environnements confinés. Ainsi, deux architectures robotiques parallèles ont été développées. La première est un poignet à 4 degrés de liberté (DDL) en rotation et la seconde est un robot redondant à 7 DDL. Les deux structures intègrent la fonction de préhension grâce à une plateforme configurable et un actionnement déporté. L’étude géométrique et cinématique des deux robots ainsi que des résultats expérimentaux validant les deux architectures sont présentés. Pour miniaturiser le robot à 7 DDL, les liaisons mécaniques (rotules) ont été remplacées par des liaisons en élastomère (PDMS). Cette solution permet, entre autres, d’éliminer les jeux mécaniques au niveau des articulations tout en gardant une grande plage de déplacement. Cependant, comme le comportement de telles articulations ne correspond pas parfaitement à des liaisons rotules, un modèle de robot prenant en compte le comportement élastique de ces articulations a été développé. Afin de réaliser la structure à l’échelle désirée (jambes et liaisons à 400 µm de côté), un nouveau processus de micro-fabrication en salle blanche a été développé. Contrairement aux méthodes existantes, le nouveau processus permet de réduire le nombre d’étapes de gravure et d’intégrer différents types d’élastomères à des microstructures robotiques en silicium. Enfin, le micro-robot a été réalisé et les capacités de déplacement dans les 6 DDL en plus de la préhension ont été validées. Les applications visées des robots développées dans cette thèse sont le micro/nano-assemblage, la manipulation de cellules biologiques et la chirurgie mini-invasive, notamment en neurochirurgie
The objective of this thesis is the development of new robots that combine dexterity, compactness and precision to perform complex micromanipulation tasks in confined environments. Thus, two parallel robotic structures have been developed. The first is a wrist that can insure 4 degrees of freedom (DOF) in rotation and the second is a redundant robot with 7 DOF. Both structures integrate the grasping function thanks to a configurable platform and a deported actuation. The kinematic study of the two robots and the experimental results validating the two architectures are presented. To miniaturize the 7 DOF robot, the mechanical joints (spherical) have been replaced by elastomeric articulations (PDMS). This solution allows, among others, to eliminate the mechanical backlash in the joints while keeping a large range of movements. However, as the behavior of such joints does not correspond perfectly to spherical joints, a model for the robot taking into account the elastic behavior of these joints has been developed. In order to made the structure on the desired scale (the cross sectional side of its legs and connections are 400 µm), a new microfabrication process in the clean room has been developed. Unlike the existing methods, the new process reduces the number of etching steps and allow the integration of different types of elastomers into silicon robotic microstructures. Finally, the micro-robot was realized and the displacement capacities in the 6 DOF with the grasping were validated. The targeted applications by the developed robots in this thesis are micro / nano-assembly, manipulation of biological cells and minimally invasive surgery, particularly in neurosurgery

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

Le travail mené dans cette thèse est une contribution au développement mécatronique d'interfaces haptiques pour un système de télé-opération dédié aux applications médicales du type chirurgie mini-invasive. Dans un premier temps, nous avons mené une évaluation d'une interface « maître » existante, ayant une architecture parallèle sphérique et développée au sein de l'équipe robotique de l'Institut PPRIME. Cette évaluation a montré la présence de singularités, en particulier des singularités parallèles, à l'intérieur de l'espace du travail de l'interface. La présence de singularités altère le comportement cinématique en amplifiant les erreurs de résolution du modèle géométrique direct d'une part et les couples actionneurs lors du retour d'effort d'autre part. Dans un deuxième temps, différentes approches ont été proposées pour résoudre les problèmes liés à la présence des singularités. La première approche a consisté à utiliser la redondance de capteurs et la redondance d'actionneurs pour palier à ces effets dans la structure existante. Dans la seconde approche, nous avons proposé une nouvelle architecture mécanique optimale qui élimine les singularités présentent dans l'espace de travail. Les résultats obtenus, avec cette nouvelle structure à travers les essais expérimentaux réalisés sur le prototype, sont conformes aux objectifs fixés. Les deux interfaces haptiques ont été utilisées pour contrôler avec succès un robot dédié à la chirurgie mini-invasive. Le comportement du système global « robot esclave interface haptique » ouvre des perspectives prometteuses aussi bien pour de futures études scientifiques que pour un transfert industriel
A contribution for a development of haptic devices for tele-operation system is presented in this thesis. This device is dedicated for medical applications such as minimally invasive surgery tasks. In one first step, an evaluation of the existing master device is carried out. This device has a spherical parallel architecture and has been developed within the robotics team of PPRIME Institute. The evaluation of this device has shown the presence of parallel singularities located in its workspace. This singularity alters the kinematic behavior of the structure by amplifying the errors in solving the forward kinematics and amplifying the actuator torques for the haptic feedback. In a second step, different approaches have been proposed to solve the problems related to the presence of the singularities. The first approach consists in using redundancy of sensors and actuators for the existing structure in order to overcome the effects of singularities. In the second approach, we have proposed a new optimal mechanical architecture that eliminates the singularity. The results obtained with this new structure through the experimental testing of the prototype, are in accordance with the expected ones. The two haptic devices have been used to successfully control a robot dedicated to minimally invasive surgery. The behavior of the overall system "robot and haptic device" opens up promising prospects for future studies as well as for industrial transfer

Cette thèse concerne la conception et la réalisation d'un assistant robotique pour les procédures percutanées par retour scanner (tomodensitométrie à rayons X, TDM), utilisées en radiologie pour guider manuellement des aiguilles jusqu'à des tumeurs. Le suivi de trajectoire implique l'acquisition renouvelée d'images TDM, donc une sur-exposition nocive. Nous avons proposé un assistant qui se substitue au bras du radiologue pendant les phases initiales d'alignement et de maintien de l'aiguille. La tâche d'insertion est séparée en deux sous-tâches complémentaires et mutuellement exclusives: l'une est le positionnement par un manipulateur actif, l'autre est l'insertion par un dispositif d'enfoncement passif. A partir d'un cahier des charges précis nous avons donné une solution cinématique parallèle à cinq degrés de liberté. Après l'étude des modèles classiques: géométrique inverse, direct et cinématique, nous avons proposé des résultats de simulation illustrant la mobilité et l'espace de travail du manipulateur. Puis, nous avons décrit la réalisation issue de la conception assistée par ordinateur: actionneurs piézo-électriques, simulation et commande en position avec génération de trajectoire sans collision entre deux consignes. Pour placer automatiquement un intrument suivant une trajectoire définie dans une image TDM, nous avons exposé une méthode stéréotaxique d'estimation de pose par marqueur tridimensionnel. Ce problème géométrique est résolu analytiquement ou numériquement, puis utilisé dans algorithme d'appariement automatique pour le calcul de la pose. Des premières expérimentations en conditions cliniques terminent ce travail: positionnement automatique à partir d'une image TDM, pointage par laser et avec une aiguille, enfoncement manuel avec guidage sur des petites cibles. Ces résultats, réalisés sur un mannequin, sont une première évaluation de la précision de l'ensemble du système robotique et de la robustesse des méthodes de reconstruction de pose
This thesis deals with the design and engineering of a robotic assistant for percutaneous procedures with CT-scan visual feedback. CT-scan is commonly used by radiologists to manualy guide needles into tumors. While constantly checking the position of the needle, radiologists are repeatedly exposed to harmful X-rays. To cope with this issue, we propose a novel robotic system that will replace the arm of the radiologist for the initial alignment and while he holds the needle. The insertion task is split up in two complementary and mutually exclusive subtasks: the first is the positionning of the needle axis with an active robotic arm, the second is the insertion itself, currently done with a passive guide. From the specifications of the system, we define the kinematics of a parallel robotic arm with five degrees of freedom. The modeling of the structure is given: first the inverse and forward kinematics, then the velocity kinematics. Using these models, we have been able to characterize the workspace and the mobility of the device. Based on the computer aided design of the device, we describe the specific actuators, a realistic simulator and a position control algorithm with path planning for collision avoidance. In order to automatically position the needle with respect to a path specified in a CT-slice, a stereotaxic-like method to register a three-dimensional fiducial in the CT-scan reference frame is proposed. The registration is performed using a closed-form solution or an iterative method that can be further employed in an automatic matching algorithm. As a proof of feasibility, we finally show some experiments of automatic pointing of a target with a laser beam using CT-scan visual references. Similar experiments are also performed with a needle and an abdominal phantom in clinical conditions. Manual needle insertions with robotic guidance are performed on small targets in order to validate the accuracy and the robustness of the whole robotic system

La plupart des robots actuellement utilises dans l'industrie sont des robots a architecture serielle. Les recherches sur l'amelioration des structures passent par le developpement de nouvelles architectures; c'est pourquoi des architectures dites paralleles ont ete developpees. Depuis une dizaine d'annees, des recherches multiples sont effectuees dans ce domaine. Ce travail contribue a ce developpement. Un inconvenient important des robots paralleles actuels reside dans leur faible volume de debattement. Celui que nous avons developpe conserve les qualites principales des structures paralleles tout en possedant un volume de travail suffisamment important. L'etude que nous presentons va de la conception a la realisation d'un nouveau robot. Les modeles geometriques inverse et direct de ce robot y sont developpes; le modele direct fait appel a une methode iterative. Une etude theorique en fournit les positions singulieres par une methode geometrique proche de la geometrie de grassmann. Une application numerique des resultats trouves montrent que le prototype developpe ne comprend pas de positions singulieres dans son volume de travail. Les structures paralleles possedent des qualites intrinseques de precision, de rigidite et de solidite entrainant des avantages d'une importance fondamentale pour la robotique telles que grandes vitesses, fiabilite et efficacite. L'etude et le developpement de ces structures doivent encore etre poursuivis et devraient permettre de couvrir un plus large spectre de taches robotiques

Depuis son apparition la robotique chirurgicale s'avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d'un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l'espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d'une tumeur témoin, et la réalisation d'un démonstrateur offre des perspectives d'expérimentations en conditions simulées.

Ce mémoire présente la conception d’un mécanisme parallèle passif élastique utilisé afin de contrôler un robot sériel à 5 degrés de liberté de façon sécuritaire et intuitive. Ce mémoire présente deux articles qui ont été écrits dans le cadre du projet et qui présentent dans un premier temps l’algorithme de contrôle sur lequel le concept est basé, et dans un deuxième temps le prototype du mécanisme passif servant à détecter les mouvements. L’algorithme de contrôle est inspiré par le concept de manipulateur macro/mini où l’utilisateur interagit avec un mécanisme passif à faible impédance afin de contrôler le mouvement d’un mécanisme actionné qui a une plus grande impédance. Le concept, déjà utilisé pour des manipulateurs de type portique, est étendu à un robot sériel à plusieurs degrés de liberté. L’algorithme utilise une mesure de déplacement du mini-manipulateur passif afin d’appliquer des couples aux moteurs du macromainpulateur actionné. Afin de détecter les déplacements, un capteur à 6 degrés de liberté est conçu. L’architecture du capteur, qui est basée sur la platforme de Gough-Stewart, consiste en un mécanisme parallèle assemblé sur une membrure du robot sériel. Des résultats expérimentaux sont présentés.
This thesis presents the design and experimental validation of a passive elastic parallel mechanism used to control intuitively and safely a five-degree-of-freedom serial robot. The thesis presents two articles which were written in the course of the project. The articles present, firstly, the control algorithm which is the basis of the concept, and secondly, the mechanical design of the passive mechanism. The algorithm is inspired from the macro/mini architecture where the human user interacts with a lowimpedance passive mechanism in order to control the motion of a larger actuated mechanism which has a higher impedance. This concept, used on gantry manipulators, is extended to a serial robot with multiple degrees of freedom. The algorithm uses a displacement measurement from the passive mechanism in order to compute and apply torques to the actuated mechanism. In order to measure the displacements, a passive six-degree-of-freedom mechanism is designed. The architecture of the sensor, based on the Gough-Stewart platform, is in fact a passive parallel mechanism mounted around the link of a serial robot. Experimental results are provided.

Le problème d'auto-reconfiguration des réseaux de micro-robots est l'un des défis majeurs de la robotique modulaire. Un ensemble de micro-robots reliés par des liens électromagnétiques ou mécaniques se réorganisent afin d'atteindre des formes cibles données. Le problème d'auto-reconfiguration est un problème complexe pour trois raisons. Premièrement, le nombre de configurations distinctes d'un réseau de robots modulaires est très élevé. Deuxièmement, comme les modules sont libres de se mouvoir indépendamment les uns des autres, à partir de chaque configuration il est possible d'atteindre un nombre d'autres configurations lui aussi très élevé. Troisièmement et comme conséquence du précédent point, l'espace de recherche reliant deux configurations est exponentiel ce qui empêche la détermination du planning optimal de l'auto-reconfiguration.Nous proposons dans ce travail, dans un premier temps, une approche d'auto-reconfiguration autonome distribuée TBSR, axée sur l'optimisation des déplacements pour une meilleure répartition des tâches. En d'autres termes, il s'agit de répartir l'effort fourni par chaque robot pour atteindre la forme finale.Dans un deuxième temps, nous proposons des approches hybrides qui tirent profit des avantages des méthodes centralisées et des méthodes distribuées. Ces approches permettent de sélectionner le meilleur algorithme distribué avant le lancement de la procédure de reconfiguration. Une gamme d'algorithmes distribués sont préalablement installés sur chaque robot modulaire. Au début de la procédure d'auto-reconfiguration, un coordinateur diffuse à l'ensemble des micro-robots, les données relatives à la forme finale à atteindre et l'algorithme distribué.Pour ce faire, nous avons déterminé les caractéristiques pertinentes des problèmes d'auto-reconfiguration permettant d'identifier l'approche algorithmique la plus adaptée.Une étude de l'impact de chaque méthode de reconfiguration et des paramètres de performances a été menée pour établir une base de connaissances. Cette base consigne les performances des divers algorithmes en fonction de différents paramètres pour un éventail varié de scénarios de problèmes d'auto-reconfiguration.A l'aide d'un système de classification, il est ainsi possible d'établir pour chaque méthode d'auto-reconfiguration les caractéristiques des scénarios d'auto-reconfiguration pour lesquels elle se montre efficace. Les mécanismes d'apprentissage développés IA (e.g., réseaux de neurones) sont mis en œuvre. Une première approche hybride CNNSR proposée fait appel aux réseaux de neurones artificiels pour prédire l’approche optimale pour l'auto-reconfiguration. Une approche CNN2SR (une version améliorée de CNNSR), a été introduite pour la précision et la réduction des erreurs, en affinant la classification.Dans un troisième temps, une modélisation de la consommation énergétique, issue d'expérimentations réelles avec des robots modulaires physiques (Catom 2D) a été établie. Cela a permis de mettre en œuvre une troisième approche hybride CNN3SR axé sur l'optimisation énergétique pour les robots modulaires
The problem of self-reconfiguration of micro-robot networks is one of the major challenges of modular robotics. A set of micro-robots connected by electromagnetic or mechanical links reorganize themselves in order to reach given target shapes. The self-reconfiguration problem is a complex problem for three reasons. First, the number of distinct configurations of a modular robot network is very high. Secondly, as the modules are free to move independently of each other, from each configuration it is possible to reach a very high number of other configurations. Thirdly and as a consequence of the previous point, the search space connecting two configurations is exponential which prevents the determination of the optimal schedule of the self-reconfiguration.In this work, we propose, firstly, a distributed autonomous self-reconfiguration approach TBSR, focused on the optimization of movements for a better distribution of tasks. In other words, it involves distributing the effort made by each robot to reach the final shape.Secondly, we propose hybrid approaches that take advantage of the advantages of centralized methods and distributed methods. These approaches make it possible to select the best distributed algorithm before launching the reconfiguration procedure. A range of distributed algorithms are pre-installed on each modular robot. At the start of the self-reconfiguration procedure, a coordinator broadcasts to all the micro-robots the data relating to the final shape to be achieved and the distributed algorithm.To do this, we determined the relevant characteristics of self-reconfiguration problems allowing us to identify the most suitable algorithmic approach.A study of the impact of each reconfiguration method and performance parameters was conducted to establish a knowledge base. This database records the performance of various algorithms based on different parameters for a diverse range of self-reconfiguration problem scenarios.Using a classification system, it is thus possible to establish for each self-reconfiguration method the characteristics of the self-reconfiguration scenarios for which it is effective. The learning mechanisms developed by AI (e.g., neural networks) are implemented. A first proposed hybrid CNNSR approach uses artificial neural networks to predict the optimal approach for self-reconfiguration. A CNN2SR approach (an improved version of CNNSR), was introduced for accuracy and error reduction, by refining the classification.Thirdly, a modeling of energy consumption, resulting from real experiments with physical modular robots (Catom 2D) was established. This made it possible to implement a third hybrid CNN3SR approach focused on energy optimization for modular robots

Recherches dans les systèmes robotisés à retour d'efforts. Quelques cas d'assemblage. Capteurs de force. Mécanique de l'assemblage. C-surfaces et définition de tache. Commande avec modèle de comportement. Méthode locale et fonction d'évaluation. Commande avec c-surface. Robots parallèles.

Les systemes biologiques representent une grande source d’inspiration pour les roboticiens. Les systemes de tensegrite, composes d’elements rigides et d’elements en tension, sont particulierement adaptes pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systemes directement dans divers systemes biologiques. Dans cette these, nous etudions un manipulateur inspire du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possedent chacun un degre de liberte. Chaque module est un mecanisme de tensegrite compose de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionne a l’aide de cables, ainsi tous les moteurs se situent a sa base. Le modele geometrique et le modele dynamique du manipulateur sont developpes, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menee. Un actionnement avec quatre cables est selectionne pour un prototype compose de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux methodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposees. Une identification des frottements moteurs et de l’elasticite des cables est menee afin d’ameliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont developpees et testees sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace operationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisees dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquees ou de produire des mouvements a grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La these se termine sur une ouverture vers un manipulateur sousactionne constitue d’une dizaine de modules
Biological systems are a great source of inspiration for roboticists. Tensegrity systems, composed of rigidand tensile elements, are particularly suitable for bio-inspiration since these systems are found directly in various biological systems. In this thesis, we study a manipulator inspired by the neck of birds. This manipulator is a stack of modules that each have one degree of freedom. Each module is a tensegrity mechanism composed of four bars and two springs. The manipulator is operated by cables, so all the motors are located at its base. The geometric model and the dynamic model of the manipulator are developed, then an analysis of the actuation and the static workspace of the manipulator is conducted. An actuation with four cables is selected for a prototype composed of three modules This prototype has no direct measurement of the modules orientations, so two methods to calculate these orientations according to the motor positions are proposed. An identification of the motor friction and the elasticity of the cables is carried out in order to improve the performances of the prototype control, and to have an effective simulator. Three controls are developed and tested on the prototype: a joint control, a control in the space of the motors and a control in the operational area. Trajectories are then optimized in order to produce movements by minimizing the applied forces or to produce high speed movements, as the woodpecker can do when it hits a tree trunk with its beak. The thesis ends with an opening towards an underactuated manipulator made of about ten modules

Les robots parallèles continus (RPC) sont de nouvelles structures qui présentent un grand intérêt en termes de souplesse, d’espace de travail ou encore de miniaturisation, mais qui ne sont pas connus pour leur précision. Cette thèse étudie le potentiel des RPC pour le positionnement à haute précision demandant un espace de travail conséquent. Pour cela, un nouveau concept de RPC planaire à 3 degrés de liberté, nommé Triskèle-Bot, constitué d’une plateforme et de trois bras flexibles continument déformables actionnés en translations, est proposé. Pour étudier son comportement, un modèle géométrique directe et inverse sont établis à partir d’une résolution numérique d’un système d’équations aux dérivées partielles non-linéaires, fondées sur une modélisation de poutre de Kirchhoff, contraintes aux conditions limites. Un prototype est développé de manière à valider ces modèles tout en offrant une répétabilité intrinsèque et une manière innovante de mesurer les paramètres intrinsèques et extrinsèques au robot. Un protocole de mesure par vision est proposé pour réduire les nombreuses sources d’incertitudes inhérentes à l’échelle microscopique et obtenir, ainsi, des mesures de poses avec un bruit de mesure inférieur à la dizaine de nanomètres. Il est utilisé pour mesurer expérimentalement la répétabilité du Triskèle-Bot qui atteint 9,13 nanomètres en position et 0,71 microradians en orientation. Une étude de la justesse de pose, faisant suite à une stratégie originale d’étalonnage, est réalisée sur plusieurs trajectoires montrant des valeurs inférieures à 4 micromètres et 0,6 milliradians. L’ensemble de ces résultats démontre le potentiel des PCR pour des applications de micro-positionnement
Parallel Continuum Robots (PCR) are new structures that present great interest in terms of workspace or miniaturization, but they are not known for their precision. This thesis studies the potential of RPCs for high precision positioning requiring a consequent workspace. For this purpose, a new concept of planar RPC with 3 degrees of freedom called Triskèle-Bot, composed of a mobile platform and three flexible continuously deformable limbs driven by linear actuators, is proposed. To study its behavior, direct and inverse geometric models are created by a numerical resolution of a system of non-linear partial derivative equations (based on a Kirchhoff beam model) constrained to boundary conditions. A prototype is built to validate these models while offering intrinsic repeatability and an innovative way to measure the intrinsic and extrinsic parameters of the robot. A vision measurement protocol is proposed to minimize the numerous sources of uncertainty inherent to the microscopic scale, and thus obtain measurements of poses with less than ten nanometers of uncertainties. This protocol is used to experimentally measure the repeatability of the Triskele-Bot which reaches 9.13 nanometers in position and 0.71 microradians in orientation. A study of the robot’s accuracy, resulting from an original strategy of calibration, is performed on several trajectories exhibiting values lower than 4 micrometers and 0.6 milliradians. All these results demonstrate the potential of PCR for micro-positioning applications

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020
Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés.
Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés.
Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.
Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.

Cette thèse porte sur la conception optimale d’un robot parallèle à 2 degrés de liberté en translation (2T) pour des opérations de prise et de dépose. Sa principale contribution est l’introduction d’un nouveau manipulateur 2T nommé IRSBot-2 (IRCCyN Spatial roBot with 2 DOF) et pour lequel une méthodologie de conception optimale est proposée pour réaliser des opérations de prise-et-dépose. Cette méthodologie est aussi appliquée à d’autres robots parallèles 2T afin de les optimiser pour des spécifications identiques et de les comparer. Ce manuscrit est divisé en 5 chapitres. Après un état de l’art des architectures existantes pour les applications de prise et de dépose, nous expliquons pourquoi l’IRSBot-2 a été sélectionné pour répondre au besoin du projet ANR ARROW qui concerne la conception de robots rapides et précis ayant un grand espace de travail. Dans le Chapitre 2, l’architecture de l’IRSBot-2 est détaillée. Il a la particularité de générer un mouvement 2T en ayant une architecture spatiale, ce qui lui confère une bonne raideur intrinsèque. Le Chapitre 3 présente l’analyse des singularités du robot ainsi qu’une synthèse dimensionnelle détaillée pour concevoir un IRSBot-2 sans singularité parallèle. Le Chapitre 4 établit les modèles élastiques (statique et dynamique) de l’IRSBot-2. Il propose une méthode systématique bien adaptée aux robots parallèles pour le calcul des fréquences propres. Enfin, le Chapitre 5 traite du problème de la conception optimale des robots pour les applications de prise et de dépose basée sur un processus d’optimisation incluant des critères technologiques pour la formulation des contraintes et objectifs du problème d’optimisation
This thesis deals with the optimal design of a two degree-of-freedom translational (T2) parallel robot for pick-and-place operations. The main contribution of the thesis is the design of a new T2 parallel robot named IRSBot-2 (IRCCyN Spatial roBot with 2 DOF) dedicated to pick-and-place operations. The IRSBot-2 has a spatial architecture, which provides it with a high intrinsic stiffness. The IRSBot-2 has been developed in the framework of the ARROW French ANR project that aims to design fast and accurate robots with a large operational workspace. A methodology has been developed for the design of the IRSBot-2 and used to find the optimum design of other T2 parallel robots and to compare their performances with IRSBot-2 ones. The thesis report is divided into five chapters. A state of the art on existing robots for pick-and-place operations is presented in Chapter 1 and highlights the relevance of the IRSBot-2 to satisfy the requirements of the ARROW project. Chapter 2 describes the architecture of the IRSBot-2. Chapter 3 is about the singularity analysis of the IRSBot-2 as well as a detailed dimensional synthesis to come up with a singularity-free design. Chapter 4 introduces the elastic (static and dynamic) models of the IRSBot-2. A systematic method for computing the natural frequencies of any parallel robot is also developed. Chapter 5 deals with the design optimization of parallel robots for pick-and-place operations based on technology oriented indices. Finally, the detailed design of the IRSBot-2 prototype is illustrated

Le problème aborde dans cette thèse consiste en l'élaboration d'outils informatiques pour le contrôle intelligent de processus dynamiques, c'est-à-dire des systèmes intelligents temps réel. Ces outils doivent posséder des capacités de décision et d'assistance aux opérateurs, ils mettent en jeu de nombreux types d'expertise travaillant souvent en coopération. Dans le cadre de l'intelligence artificielle distribuée, le concept de blackboard peut être vu comme un cadre organisationnel basé sur le partage d'informations pour un système multi-agents. L'adéquation du concept de blackboard à la réalisation d'outils pour le contrôle est étudiée afin d'en dégager les avantages et les limites, de façon à construire un modèle satisfaisant aux contraintes du domaine. Une synthèse des études sur les systèmes blackboard dans le contrôle et sur le parallélisme dans ces systèmes montre que le problème est la construction d'une architecture répondant au besoin du temps réel. L'étude des opportunités de l'utilisation des blackboards pour le temps réel permet de dégager quelques recommandations. Ensuite, un modèle original de système blackboard parallèle temps réel pour le contrôle est présenté. Une représentation ensembliste du concept tel qu'il est interprète dans un contexte multi-agents a été choisie. La description des agents et des données partagées suffit à la spécification d'un tel système. La transparence d'un mécanisme de contrôle artificiel conduit à la généricité du contrôle. L'absence de modélisation formelle dans la théorie des blackboards et la généricité souhaitée pour l'architecture, motivent un essai de description des différents composants (agents et contrôle) à l'aide de réseaux de Petri. Un outil de développement base sur ce modèle est proposé. Enfin, cette thèse propose une décomposition des grandes fonctions du contrôle de processus dynamiques à l'aide de systèmes blackboards spécifiques. Trois applications valident le modèle et la décomposition basée sur des blackboards. Elles sont issues de l'informatique musicale, de la téléopération et de la robotique mobile
This thesis deals with the design of software tools for « intelligent » process control, i. E. Real time intelligent software. These tools need decision making and operator assistance capabilities. They involve many types of cooperating knowledge. In Distributed Artificial Intelligence, the blackboard concept can be viewed as a orgnisational framework for multi agent systems. The adaptation of the blackboard concept to the design of control tools is studied in order to show advantages and limits and to build a model according to the constraints of the domain. A synthesis of the studies on blackboard in existing control systems and on the use of parallelism in this system shows that the problem is the specification of an architecture able to meet real time constraints. Then, an original model of real time parallel blackboard is presented. A representation of the concept in this framework using mathematical sets is chosen. The specification of agents and shared data is sufficient to describe the system. A generic control unit is proposed. The components of the model are described using Petri nets. A development tool based on this model is presented. Finally, this thesis proposes a decomposition of the problem of process control based on specialized blackboards. Three applications valid the model and the decomposition. They deal with computer music robotics and teleoperation

Cette thèse présente l'analyse, la synthèse, l'optimisation, le design et la validation expérimentale de mécanismes de sécurité dans le contexte de l'interaction physique humain-robot. Afin d'améliorer la sécurité, une condition essentielle à la coexistence d'humains et de robots, une approche basée sur la conception de manipulateurs intrinsèquement sécuritaires est préférée à des systèmes d'évitement et de détection de collision, pour des raisons de fiabilité. La force maximale de contact survenant lors d'une collision est utilisée comme critère de sécurité pour sa simplicité et sa validité dans le contexte de la robotique. Pour les robots sériels, il est proposé de placer un limiteur de couple en série avec chaque actionneur tandis que pour les robots suspendus, on opte pour la séparation de la base et de l'effecteur par un mécanisme parallèle dont certains pivots sont remplacés par des limiteurs de couple --- formant ainsi un \emph{limiteur de force cartésien}. L'utilisation de ces mécanismes permet de réduire l'inertie effective du manipulateur lorsqu'une collision survient sans nuire aux performances du robot en situation normale. Un modèle est d'abord créé afin de comparer par simulation les gains de sécurité obtenus par des limiteurs de couple et d'autres mécanismes de sécurité articulaires utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres dispositifs. Des méthodes de commande optimale des seuils de limiteurs de couple ajustables placés en série avec chaque actionneur d'un robot sériel sont ensuite développées. Un indice de performance cinématique est proposé afin d'optimiser la pose et l'architecture d'un tel robot. L'approche et les méthodes développées sont validées expérimentalement à l'aide de prototypes de limiteurs de couple ajustables basés sur la friction placés en série avec les actionneurs d'un robot sériel à quatre degrés de liberté. Finalement, des architectures de limiteurs de force cartésiens sont proposées et optimisées et leur efficacité dans le contexte des robots suspendus est validée expérimentalement.
This thesis presents the analysis, synthesis, optimization, design and experimental validation of safety mechanisms in the context of physical human-robot interaction. In order to improve safety, which is essential to allow the coexistence of humans and robots, an approach based on the design of intrinsically safe manipulators is preferred to collision avoidance and detection systems for reliability reasons. The maximum contact force occuring during a collision is used as a safety criterion due to its simplicity and validity in the context of robotics. For serial robots, it is proposed to place a torque limiter in series with each actuator whereas for suspended robots, it is preferable to separate the base and the effector with a parallel mechanism in which some joints are replaced with torque limiters --- thereby forming a \emph{Cartesian force limiting device}. The use of such mechanisms allows the reduction of the effective manipulator inertia during a collision without affecting the performances under normal conditions. A model is first created in order to compare --- using simulations --- the safety gains obtained with torque limiters with the ones obtained with other articular safety mechanisms when they are implemented alone or in combination with other safety devices. Methods to optimally control the thresholds of adjustable torque limiters placed in series with each actuator of a serial robot are developed. A kinematic performance index is proposed in order to optimize the pose and architecture of such a robot. The approach and the developed methods are experimentally validated using prototypes of adjustable torque limiters based on friction which are placed in series with each actuator of a four-degree-of-freedom robot. Finally, architectures of Cartesian force limiting devices are proposed and optimized and their effectiveness in the context of suspended robots is experimentally validated.