Дисертації з теми "Cobots parallèles à câbles"

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

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

Les Robots Parallèles à Câbles sont 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

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

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 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.

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.

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.

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

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 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.

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.

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 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

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

Les expériences de fusion par confinement inertiel qui seront réalisées dans l’enceinte de la chambre d’expériences du Laser Mégajoule (LMJ) engendreront une ambiance radiative et électromagnétique à laquelle seront sensibles tous les équipements électriques situés à proximité. La première partie du travail a été de mettre en oeuvre une démarche de simulation numérique permettant d’évaluer l’intensité des signaux parasites qui seront induits dans les câbles coaxiaux, puis de la confronter à l’expérience. La seconde partie a consisté à évaluer la possibilité de modélisation numérique d’une grande structure 3D, telle que la chambre d’expérience du LMJ, en électromagnétisme transitoire par la méthode FDTD. Ce type de modélisation nécessitant des ressources informatiques trop importantes pour la méthode FDTD classique, on propose l’utilisation d’un algorithme de raffinement de maillage spatio-temporel stable pour la FDTD en 3D ainsi que la réalisation de calculs massivement parallèles
When fusion ignition will be attained inside the target chambers of high energy laser facilities (LMJ-France and NIF-USA), a harsh environment, composed of nuclear particles and an electromagnetic pulse (EMP) will be induced. All electronic devices located in the vicinity will be sensitive to this environment. In the first part of this work, a simulation method has been developed to evaluate transient currents that will be induced in coaxial cables. The relevance of this model is then discussed thanks to comparisons with experimental results. In a second part, the possibility to simulate the propagation of the EMP, inside and outside such a big structure as a target chamber, using the FDTD method is evaluated. The use of a classic FDTD method is impossible for this kind of simulation because of the huge computer resources needs. It is the reason why a 3D space-time subgridding method for FDTD has been developed and some massively parallel FDTD calculations have also been performed