FASTKIT: A Mobile Cable-Driven Parallel Robot for Logistics

International audienceThe subject of this paper is about the design, modeling, control and performance evaluation of a low cost and versatile robotic solution for logistics. The robot under study, named FASTKIT, is obtained from a combination of mobile robots and a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR). FASTKIT addresses an industrial need for fast picking and kitting operations in existing storage facilities while being easy to install, keeping existing infrastructures and covering large areas. The FASTKIT prototype consists of two mobile bases that carry the exit points of the CDPR. The system can navigate autonomously to the area of interest. Once the desired position is attained, the system deploys the CDPR in such a way that its workspace corresponds to the current task specification. The system calculates the required mobile base position from the desired workspace and ensures the controllability of the platform during the deployment. Once the system is successfully deployed, the set of stabilizers are used to ensure the prototype structural stability. Then the prototype gripper is moved accurately by the CDPR at high velocity over a large area by controlling the cable tension

Robot parallèle à câbles simulant des contacts rigides

Le projet de recherche qui est présenté dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre d'une maîtrise en génie mécanique. Le but de ces recherches était de réaliser un mécanisme haptique avec un robot à câbles ayant la capacité de reproduire des contacts brusques et rigides durant une simulation en réalité virtuelle. Un simulateur de combat d'épée élémentaire a donc été construit pour servir de banc d'essai puisque ce genre de simulation nécessite ces genres de contacts. La majeure partie du projet était consacrée à l'élaboration des prototypes d'enrouleurs du mécanisme à câbles. Ces enrouleurs ont été conçus pour créer des impacts en induisant la collision de deux petites pièces métalliques. Les vibrations créées ainsi voyagent des enrouleurs vers l'utilisateur par l'entremise des câbles et l'effecteur et donnent ainsi la sensation de frapper un objet rigide. Les mécanismes ainsi créés sont très innovateurs et démontrent beaucoup de potentiel. Le fonctionnement de ces enrouleurs, ainsi que le processus de conception qui a mené à l'élaboration de ceux-ci est détaillé tout au long de ce mémoire. De plus, la performance de ces mécanismes est évaluée et il y a une liste de recommandations pour créer un prototype plus avancé

Low Mobility Cable Robot with Application to Robotic Warehousing

Cable-based robots consist of a rigid mobile platform connected via flexible links (cables, wires, tendons) to a surrounding static platform. The use of cables simplifies the mechanical structure and reduces the inertia, allowing the mobile platform to reach high motion acceleration in large workspaces. These attributes give, in principle, an advantage over conventional robots used for industrial applications, such as the pick and place of objects inside factories or similar exterior large workspaces. However, unique cable properties involve new theoretical and technical challenges: all cables must be in tension to avoid collapse of the mobile platform. In addition, positive tensions applied to cables may affect the overall stiffness, that is, cable stretch might result in unacceptable oscillations of the mobile platform. Fully constrained cable-based robots can be distinguished from other types of cable-based robots because the motion and force generation of the mobile platform is accomplished by controlling both the cable lengths and the positive cable tensions. Fully constrained cable-based robots depend on actuator redundancy, that is, the addition of one or more actuated cables than end-effector degrees of freedom. Redundancy has proved to be beneficial to expand the workspace, remove some types of singularities, increase the overall stiffness, and support high payloads in several proposed cable-based robot designs. Nevertheless, this strategy demands the development of efficient controller designs for real-time applications. This research deals with the design and control of a fully constrained cable-based parallel manipulator for large-scale high-speed warehousing applications. To accomplish the design of the robot, a well-ordered procedure to analyze the cable tensions, stiffness and workspace will be presented to obtain an optimum structure. Then, the control problem will be investigated to deal with the redundancy solution and all-positive cable tension condition. The proposed control method will be evaluated through simulation and experimentation in a prototype manufactured for testing

Étude d’un système interactif sécuritaire dédié à l’interaction humain-robot appliqué à des mécanismes parallèles entraînés par des câbles

Depuis l'introduction des premiers robots interactifs en industrie, qui étaient à la base des systèmes collaboratifs supposés assister les humains dans les tâches pénibles et éprouvantes physiquement, le domaine de l’interaction humain-robot a fait des progrès considérables. Actuellement, les robots et les humains peuvent coexister conjointement dans un espace hybride afin de partager des tâches de production ou de partager le temps dans l’exécution d’une activité. Cependant, les nouveaux besoins industriels doivent conduire à des recherches pour adapter les chaînes de production et les rendre plus flexible et réactive à la modification des caractéristiques des produits. L’une des solutions consiste à adapter le manipulateur industriel présent dans les lignes de production à des fins d’interaction et de collaboration. Toutefois, la présence de l’humain dans l’espace de travail d’un manipulateur (cellule de travail hybride) représente un réel défi dans le domaine de l’interaction humain-robot puisque cela consiste à l’intégration d’une multitude de variétés de capteurs dits intelligents, surtout dans le cas de l’utilisation d’un mécanisme parallèle entraîné par des câbles. Pour cette raison, plusieurs problématiques ont été soulevées, pour lesquelles peu ou pas de recherches sont réalisées : cette nouvelle technologie est introduite sans entraînement de l’opérateur, l’évaluation de la sécurité a été très peu explorée lors de l’interaction et la performance de son utilisation demeure peu évaluée dans un contexte de réduction des troubles musculosquelettiques (TMS). Le projet de recherche vise l’étude et la conception d’un système interactif permettant d’améliorer la sécurité et l’intuitivité des personnes qui interagissent avec des mécanismes parallèles entraînés par des câbles. Deux modes d’interaction sont étudiés dans le système interactif, à savoir le partage des activités et l’interaction physique. En premier lieu, une méthode de génération de trajectoires avec évitement de collisions appliquée pour le mode de partage des activités est proposée. L’effecteur du manipulateur suit un chemin dans l’espace opérationnel à travers des points de passage. Ces derniers sont générés par un réseau de neurones rétropropagation (Back-propagation), et sont reliés par un polynôme quintique (de degré cinq). En outre, la géométrie déformable de l’obstacle et l’environnement dynamique sont pris en compte dans la méthode. En second lieu, une approche est abordée pour déterminer la distance minimale entre les câbles et identifier ceux qui sont en interférence. Le calcul de distance est exécuté en temps réel à travers un algorithme. En outre, les contraintes physiques des câbles ont été prises en compte dans la modélisation mathématique et formulées en un problème d’optimisation non linéaire. Ce dernier est résolu en utilisant l’approche de Karush-Kuhn-Tucker (KKT). Cette méthode de calcul de distance est intégrée à une loi de commande interactive permettant de gérer les câbles en interférence pendant l’interaction physique avec le mécanisme. Une force est calculée et introduite dans la boucle de la commande afin d’éviter le croisement et le relâchement des câbles en interférence. Par ce fait, la tâche est exécutée jusqu’aux limites des possibilités géométriques et cinématiques du mécanisme. Par ailleurs, cette stratégie est basée sur une commande en admittance pour permettre l’interaction physiquement avec un mécanisme parallèle entrainé par des câbles. Un algorithme permettant de sélectionner entre ces deux modes est proposé. Cette approche inclut un vêtement intelligent pour le changement de mode de manière intuitive simple et rapide. L’algorithme est exécuté en temps réel et basé sur une identification de gestes utilisant un polynôme d’interpolation trigonométrique. Les signaux analysés proviennent d’une semelle instrumentée qui est située au niveau du pied. Enfin, les différents algorithmes et stratégies sont validés en simulations et à travers des expérimentations sur un mécanisme parallèle entrainé par sept câbles. Ce projet de thèse apporte plusieurs contributions dans le domaine de l’interaction humain-robot notamment la capacité d’adaptation du système interactif pour des tâches industrielles. Since the introduction of the first interactive robots in industry, which was the collaborative robots (labelled as COBOT), the field of human robot interaction has made considerable progress. In its early version, those robots were used to increase muscle strength of the operator for moving heavy loads. Recently, robots and humans can share the same workspace, production activities or working time. However, new needs in industry require more flexibility and reactivity supporting fast changes in product characteristics. One solution consists in the adaptation of an industrial robot, that is already installed in the production line, for interaction and collaboration purposes such as kinetic learning assembly task, and adaptive third hand. However, the presence of the human in the manipulators’ workspace (hybrid work cell) represents a real challenge in the field of human-robot interaction. It consists in the integration of an intelligent sensor varieties, especially when the cables driven parallel mechanisms (CDPM) are used for an interaction task. For these reasons, several issues have been raised, for which few or no research has been done yet. This new technology is introduced without any operators training and the safety assessment has been very little explored during the interaction. Moreover, the performance of its use remains poorly evaluated in a context of reduction of musculoskeletal disorders (MSDs). The research project aims to study and design an interactive system in order to improve the safety and the intuitivity when the humans interact with cables driven parallel mechanisms. Two modes of cooperation are studied in the interactive system, namely the sharing of activities and the physical interaction. First, a trajectory generating method for an industrial manipulator in a shared workspace is proposed. A neural network using a supervised learning is applied to create the waypoints required for dynamic obstacles avoidance. These points are linked with a quintic polynomial function for smooth motion which is optimized using least-square to compute an optimal trajectory. Moreover, the evaluation of human motion forms has been taken into consideration in the proposed strategy. Second, a mathematical approach is presented to determine the minimum distance between cables and to identify which ones are interfering. To execute this approach in real time, an algorithm is also presented for calculating this distance. Furthermore, the physical constraints of the cables have been considered in mathematical modeling and formulated into a nonlinear optimization problem. The latter is solved using the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) approach. This method of distance calculation is integrated with a new interactive control that eliminates the computation of the effect of a folding interfered cable. A control strategy is proposed, which allows to manage the cables in interference while the operator physically interacts with the mechanism. A repulsive force is generated and introduced to the controller to avoid the cables crossing and folding. Therefore, the task is executed within the limits of the kinematic possibilities. Moreover, this strategy is based on an admittance control for physically interacting with a CDPM. In order to allow a change of intuitive interaction mode, an algorithm for selecting between these two modes is proposed. This approach includes an instrumented insole placed into a shoe for intuitive mode change quick and easy. The algorithm is executed in real time and based on a gesture identification using a trigonometric interpolation polynomial. Finally, theses different strategies and algorithms are validated in simulations and through experiments on a parallel mechanism driven by seven cables. This thesis project brings several contributions in the field of human-robot interaction including the ability of the interactive system to adapt for industrial tasks

Développement et analyse de mécanismes de tenségrité

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007Un système de tenségrité correspond à un assemblage de composants qui sont chargés de manière axiale. Ce faisant, des câbles ou des ressorts peuvent être utilisés pour les composants en tension ce qui réduit la masse et l’inertie du système. Par conséquent, des mécanismes de tenségrité sont introduits dans cette thèse comme des alternatives aux mécanismes plus conventionnels pour certains types d’application. Les objectifs principaux de la thèse sont le développement et l’analyse de nouveaux mécanismes. La nécessité pour les mécanismes de tenségrité de toujours se retrouver dans des configurations où leurs câbles et leurs ressorts sont soumis à des forces de tension complique passablement leur développement. Par conséquent, une approche novatrice fondée sur l’utilisation de ressorts est proposée pour surmonter cette difficulté. Pour faciliter l’utilisation de cette approche, des règles qui s’appliquent à la quantité de ressorts utilisée dans une architecture sont présentées. À partir de ces règles et en s’inspirant de systèmes de tenségrité existants, deux mécanismes plans, trois mécanismes spatiaux et deux mécanismes modulaires sont développés. Chaque mécanisme est modélisé dans le but d’analyser sa cinématique, sa statique et sa dynamique. Étant donné la présence de degrés de liberté non contraints dans les architectures des mécanismes, les relations entre leurs variables d’entrée et de sortie dépendent des chargements externes, gravitationnels et inertiels qui leur sont appliqués. En supposant un régime quasi-statique, de telles relations peuvent être calculées avec une approche numérique. Toutefois, pour le cas spécifique où les mécanismes ne sont pas soumis à des chargements, des solutions analytiques sont trouvées. Ces solutions sont ensuite exploitées dans le calcul des frontières des espaces atteignables des mécanismes. Les degrés de liberté non contraints des mécanismes de tenségrité leur permettent de se déformer sous l’application de chargements externes. Une attention particulière est alors portée au calcul de la raideur des mécanismes ainsi que des limites des chargements pouvant être résistés sans perte de stabilité ou de tension dans les câbles. Des observations sont également faites concernant l’amortissement des vibrations des mécanismes dans les directions des degrés de liberté non contraints.A tensegrity system corresponds to an assembly of components that are subjected only to axial loads. As a consequence, cables or springs can be used for the tensile components thus considerably reducing the mass and inertia of the system. With the goal of benefiting from these interesting properties, this thesis introduces tensegrity mechanisms as alternatives to more conventional type mechanisms for certain types of applications. The main objectives of the thesis are the development and analysis of novel mechanisms. The need for tensegrity mechanisms to remain in configurations where their cables and springs are subjected to tensile loads complicates their development signi- ficantly. Consequently, a new approach based on the use of springs is proposed to overcome this difficulty. In order to facilitate the use of this approach, certain rules pertaining to the quantity of springs used in a given architecture are formulated. Based on these rules, two planar mechanisms, three spatial mechanisms and two modular mechanisms are developed using existing tensegrity systems. Each new mechanism is modeled with the goal of analyzing its kinematics, statics and dynamics. Due to the presence of unconstrained degrees of freedom in the mechanisms’ architectures, relations between their input and output variables are influenced by any external, gravitational or inertial loads that might be acting. By assuming a quasi-static regime, such relations can be computed using a numerical approach. However, for the specific case where the mechanisms are not subjected to any loads, analytical solutions are found. These solutions are then exploited in order to compute the boundaries to the mechanisms’ workspaces. The mechanisms’ unconstrained degrees of freedom allow them to deform under the application of external loads. Special attention is thus given to the stiffness of the mechanisms as well as the limits of the external loads that they may resist without losing their stability or the tension in their cables. Observations are also made regarding the damping of the mechanisms’ vibrations along the unconstrained degrees of freedom