Parcours continus isotropes et surfaces isotropes de manipulateurs sériels

RÉSUMÉ Cette thèse traite des manipulateurs sériels en tant que chaînes cinématiques ouvertes simples. Plus précisément ce sont les parcours continus sur lesquels de tels manipulateurs gardent constamment une configuration isotrope qui sont l’objet de l’étude. La capacité d’un manipulateur à orienter et à déplacer son effecteur est un point déterminant pour la réalisation de tâches. Plus cette capacité est grande, meilleure sera la possibilité de réalisation des travaux par le manipulateur. La capacité maximale est atteinte à des configurations dites isotropes. Jusqu’à récemment, les seules configurations isotropes atteignables par les manipulateurs étaient des configurations isolées, ou des configurations que nous qualifions de triviales, c’est-à-dire des configurations issues de la rotation de la première articulation. L’apport nouveau de ce travail de recherche est de prouver l’existence de parcours isotropes non triviaux. Ainsi, plusieurs manipulateurs peuvent effectuer des tâches sur des parcours non ponctuels ou non circulaires avec une dextérité accrue loin des singularités. Des manipulateurs sériels ayant non seulement des parcours isotropes continus ont été déterminés, mais aussi des manipulateurs ayant des surfaces isotropes. Ces surfaces isotropes sont déterminées pour des manipulateurs sphériques et non sphériques. L’isotropie d’orientation et l’isotropie de position sont étudiées séparément, puis simultanément. Les différentes définitions de la dextérité des manipulateurs proposées depuis plus de deux décennies trouvent aussi par ce travail l’occasion d’un nouvel éclairage à travers le concept des articulations virtuelles introduites dans les chapitres 4 et 5. Le chapitre 2, qui fait suite à l’introduction et à la revue de littérature, traite du conditionnement et de l’isotropie. La plupart des résultats et exemples qui y sont exposés sont puisés dans la littérature et visent à montrer l’importance de ces notions qui sont utilisées comme fondement de ce travail de recherche.----------ABSTRACT This thesis deals with serial manipulators as simple opened kinematics chains.These are more precisely the continuous paths, upon which such manipulators always keep an isotropic configuration,that are the subject of the study. The capacity of a manipulator to direct and move its effector is a decisive point in carrying out tasks. Bigger is this capacity better will be the possibility for the manipulator to carry out tasks. The maximal capacity is reached for isotropic configurations. Until recently, the only reachable isotropic configurations by manipulators were isolated configurations, or configurations that we call trivial which means they result from the rotation of the first joint. The contribution of this thesis is to prove the existence of non trivial isotropic paths. Thus, many manipulators can perform tasks on non punctual or non circular paths with an improved dexterity far from singularities. Not only serials manipulators with contiunous isotropic paths have been found, but also manipulators with isotropic surfaces. These isotropic surfaces are determined for spherical and non spherical manipulators. The isotropy of orientation and isotropy of position are studied separately, then simultaneously. Through the concept of virtual joints introduced in chapter 4 and 5, this work is also the opportunity to bring a new clarification on the various definitions of manipulators dexterity that have been proposed for more than two decades. The chapter 2 which ensue from the introduction and related works deals with the conditioning and the isotropy. Most of the expounded results and examples are draged from related papers and aim at showing the importance of these notions which are used as a basis of this research. The chapter 3 proves an important result: the non existence of non trivial continuous isotropic paths for spherical manipulators with less than 6 joints

Contribution à l'étude cinématique et dynamique des machines parallèles

This thesis deals with the kinematic and dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel robots. These robots with less than six degrees of freedom are able to carry out several industrial tasks. The main reason of using such robots is to reduce the production costs by using less legs and motors. However, in some cases, these structures can produce a complex motion defined as a simultaneous combination of translation and rotation of the moving platform, which is the case of the Verne parallel module having three translation degrees of freedom. The modelling of this type of robots can prove to be complicated. This report includes five chapters. In the first chapter, a classification of parallel architectures is presented and a state of the art on important notions on kinematics and design of manipulators is exposed. The second and the third chapters are devoted to the kinematic modelling, serial singularity analysis and workspace calculation of the Verne machine. The fourth chapter deals with parallel singularity analysis of limited degrees of freedom robots using Grassmann-Cayley algebra. The geometrical conditions of existence of parallel singularities of three classes of parallel manipulators are found. Finally, the fifth chapter covers the dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel manipulators. A general method based on the Newton-Euler algorithm is developed. The proposed method takes in consideration all the dynamics of these robots including the legs dynamics as well as the mobile platform dynamics.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude cinématique et dynamique des robots parallèles à mobilités restreintes. Ces robots à moins de 6 degrés de liberté permettent d’effectuer de multiples tâches demandées par l’industrie. La raison principale de l’utilisation de ces robots est la volonté de réduire le coût en utilisant moins de jambes et moins de moteurs. Cependant, ces structures peuvent dans certains cas produire un mouvement de la plate-forme contraint par un couplage entre la position et l’orientation comme pour le module parallèle de la machine Verne ayant trois degrés de liberté de translation. Dans ce cas, la modélisation peut s’avérer compliquée. Ce mémoire comporte cinq chapitres. Dans le premier chapitre, une classification des architectures parallèles est présentée et des notions importantes liées à la cinématique et à la conception des manipulateurs sont exposées. Les deuxième et troisième chapitres sont consacrés à la modélisation géométrique, à l’étude des singularités sérielles et au calcul de l’espace de travail de la machine Verne. Le quatrième chapitre traite les singularités parallèles des manipulateurs à mobilités restreintes en utilisant l’algèbre de Grassmann-Cayley. Les conditions géométriques d’existence des singularités pour trois classes de manipulateurs sont trouvées. Les chaînes de ces manipulateurs transmettent des forces et/ou couples à la plate-forme mobile. Finalement, le cinquième chapitre concerne la modélisation dynamique des manipulateurs à mobilités restreintes. Une méthode générale basée sur les algorithmes de type Newton-Euler est développée. La méthode proposée prend en compte la dynamique des jambes et de la plate-forme. Nous obtenons ainsi des modèles dynamiques complets de ces robots

Contributions à la maîtrise de la dynamique des robots parallèles

Ce mémoire traite de mes contributions à la maîtrise de la dynamique des robots parallèles. Le premier chapitre présente une introduction générale de mes travaux de recherche. Le deuxième chapitre présente mon curriculum vitae. Mes activités d'encadrement, les projets de recherche que j'ai montés ainsi que ceux auxquels j'ai participé et une synthèse de mes collaborations nationales et internationales sont mentionnés dans le troisième chapitre. Mon rayonnement au sein de la communauté scientifique, qui se traduit par des activités d'intérêt général, la participation à des comités d'expertise, des activités éditoriales, la participation à l'organisation de colloques et quelques distinctions scientifiques, ainsi que la liste de mes publications ont été décrits dans le quatrième chapitre. Le cinquième chapitre synthétise mes activités d'enseignement. Le sixième chapitre présente plus en détail mes activités de recherche principales qui sont organisées autour des deux thèmes suivants : (i) Maîtrise de la dynamique des robots parallèles ; (ii) Conception et commande de nouveaux robots parallèles aux performances dynamiques améliorées. Enfin, le septième chapitre présente mes conclusions sur les travaux que j’ai pu mener ainsi que mes perspectives de recherche.Les activités de recherche que j'ai menées portent principalement sur la maîtrise de la dynamique des robots parallèles qui sont des architectures mécaniques complexes dont les performances dynamiques sont encore mal maîtrisées. J'ai cherché à mieux maîtriser la dynamique de ces machines à deux niveaux :1.un premier niveau intitulé « maîtrise de la dynamique des robots parallèles » qui se situe en aval de la phase de réalisation du robot : pour une machine donnée, comment mieux maîtriser ses performances dynamiques (par une modélisation plus fine, par la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu et leur gestion par planification de trajectoire ou mise en place de contrôleurs avancés, etc.) ?2.un second niveau intitulé « conception et commande de nouveaux robots parallèles aux performances statiques et dynamiques améliorées» qui se situe en amont de la phase de réalisation du robot : pour des performances statiques et/ou dynamiques à atteindre, comment concevoir l'architecture de robot, voire la bonne adéquation {architecture de robot – contrôleur} qui permet de répondre au cahier des charges désiré ?Ces deux approches ne sont pas antagonistes, mais au contraire, elles sont complémentaires.Mes contributions principales autour de la maîtrise de la dynamique des robots parallèles se sont concentrées sur quatre points majeurs :1.L'étude des conditions de dégénérescence du modèle dynamique des robots parallèles 2.L'identification des paramètres du modèle dynamique rigide 3.La modélisation élastodynamique4.La proposition de techniques d'équilibrage permettant de diminuer la complexité de mise en oeuvreMes contributions principales autour de la conception et commande de nouveaux robots parallèles aux performances statiques et dynamiques améliorées se sont concentrées sur deux travaux majeurs :1.La conception de robots pour le déplacement de lourdes charges2.La conception et la commande de robots rapides et précisTous les résultats présentés, exception faite de ceux sur l'équilibrage dynamique, ont été validés expérimentalement.Les travaux présentés en perspectives se concentrent autour de deux grands axes thématiques:1.Maîtrise de la dynamique des systèmes,2.Conception de robots orientée environnements.Les activités que je souhaite mener sur la maîtrise de la dynamique des systèmes ciblent :a)La reconfiguration dynamique des robots,b)La modélisation et l'identification basées perception.Ces activités, qui s'inscrivent dans la continuité de mes travaux de recherche actuels.L'objectif du thème « Conception de robots orientée environnements », qui est un thème en rupture, est de proposer des méthodes génériques pour l'analyse, l'évaluation et la conception de nouvelles architectures de robots et de mécanismes,•en fonction d'un environnement donné (environnement en termes de milieu dans lequel le robot évolue, interagit, etc.) : le robot doit être doté d'un système de perception efficace associé à un contrôleur performant et il faut penser la conception du robot de manière intégrée afin que l'ensemble {architecture mécanique – contrôleur – capteurs –moteurs} soit le plus performant possible.•à faible impact pour l'environnement dans lequel ils évoluent (moins de pollution, moins de consommation énergétique, etc.)Les activités que je souhaite mener en conception orientée environnements ciblent :a)La proposition de méthodologies de conception orientée commande qui vont permettre de faire en sorte que l'ensemble {architecture mécanique – contrôleur – capteurs – moteurs} soit le plus performant possible pour une tâche, un ensemble de tâches, ou un environnement donnés,b)La conception de robots à faibles impacts environnementaux