Développement d'un mécanisme parallèle entraîné par câbles utilisé comme interface à retour haptique visant la réadaptation physique en environnement immersif

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

Amélioration de la précision d'un bras robotisé pour une application d'ébavurage

L'automatisation de procédés est une solution de plus en plus privilégiée pour réaliser des tâches complexes, ardues et même dangereuses pour l'humain. La flexibilité, le faible coût et le caractère compact des robots industriels en font des solutions très intéressantes. Bien que plusieurs développements aient permis de répondre en partie aux besoins de certaines industries, il reste que d'autres ont des contraintes importantes qui n'ont toujours pas été résolues. Par exemple, l'industrie de l'aéronautique exige de respecter des tolérances très serrées sur une grande variété de pièces, ce pourquoi les robots industriels n'ont pas été conçus. L'ébavurage robotisé est un exemple de procédé pour lequel la problématique d'imprécision des robots doit être résolue avant qu'ils ne puissent être utilisés en production. Ce mémoire propose donc d'explorer différentes possibilités pour arriver à réaliser 1' opération d'eôavurage selon les spécifications stipulées, avec des robots industriels. Des méthodes de calibration des dimensions du robot, faciles à mettre en oeuvre en milieux industriels, sont étudiées et comparées en simulation. La simulation et la mise en oeuvre d'une technique de calibration des dimensions de 1' outil sont faites pour en évaluer le potentiel. La technique offrant les meilleurs résultats est conservée pour démontrer la faisabilité du procédé. Finalement, l'environnement de mise en oeuvre de l'opération d'ébavurage robotisé est présenté. L'imprécision résiduelle du robot est en grande partie compensée par un capteur de force intégré au contrôleur du robot et une caméra. Plusieurs tests sont effectués et présentés pour démontrer le choix des paramètres utilisés pour réaliser 1' opération d' eôavurage. Les résultats sont présentés et démontrent la faisabilité du procédé d'ébavurage robotisé

Synthèse sur la conception, commande et planification de trajectoire d'une interface de locomotion pour la réadaptation de la marche

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017Cette thèse synthétise la conception d'une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L'automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d'une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l'utilisateur. L'équilibre de l'utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d'élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d'appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c'est-à-dire la marche au sol, la marche d'escalier ascendante et la marche d'escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d'établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l'architecture mécanique de l'interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s'effectue. L'architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l'interaction entre le mécanisme et l'opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d'élancement et la phase d'appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l'inertie apparente de l'effecteur ressentie par l'utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu'interface pour réduire davantage l'impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d'appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d'équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l'interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l'utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l'espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d'un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d'un escalier mécanique inversé.This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator

Amélioration de la précision de robots industriels : Application à l’usinage de pièces composites

La robotisation de l’industrie est en constante augmentation depuis l’apparition de robots industriels agiles et flexibles. Les robots industriels poly-articulés ont vu, ces dernières années, leurs coûts diminuer et leurs performances augmenter. Ils répondent alors à un besoin de compétitivité croisant et à des enjeux économiques importants pour les industriels. Dans le contexte de l'usinage de formes gauches pour la réalisation de grands supports composites (quatre mètres de diamètre) dont la précision de forme attendue est de quelques centièmes, ces robots ne sont pas initialement compatibles avec de tels critères de performance. La littérature décrit des méthodes qui améliorent la précision des robots industriels comme par exemple l’identification des raideurs articulaires associée à un modèle élasto-statique, ou la modélisation des contraintes avec mesure dynamique des forces pendant l'usinage. Ces méthodes sont difficilement applicables dans un contexte industriel, car elles sont trop coûteuses en temps et en investissements liés aux moyens d'identification. Cette thèse présente une nouvelle méthode de correction du positionnement du robot lors de l’exécution d’une trajectoire d’usinage. Cette compensation hors ligne permet de maîtriser et d’optimiser l’exploitation de robots industriels sériels pour l’usinage d’une pièce composite. Après avoir identifié les conditions de coupe optimales, correspondant au couple outil/matière de l’application étudiée ici, la méthodologie de ces travaux est exposée. Elle s’appuie sur le couplage de deux méthodes de correction de la position du robot complémentaires. La première est l’identification des paramètres géométrique du robot. Il s’agit d’identifier la valeur exacte des paramètres du modèle géométrique du robot et de les modifier au sein de la commande. Cet étalonnage permet de compenser les erreurs de type géométriques et d’améliorer la précision de pose absolue du robot dans l’ensemble de son espace de travail. La deuxième méthode est une compensation de la trajectoire hors ligne. Cette méthode, rapidement applicable, est adaptée à tout robot sériel 6 axes, contrairement aux méthodes existantes qui nécessitent une modélisation et une caractérisation du robot. Après avoir mesuré la position de l'outil pendant une première opération d'usinage, cette mesure est comparée au point de consigne initial du programme pour identifier la déviation du robot. Un processus intelligent et autonome est utilisé pour rééditer le parcours d'outil afin de compenser la déviation sur la totalité du parcours de l’outil. Une nouvelle opération d'usinage quantifie la correction en produisant une pièce avec des tolérances de forme améliorées. En plus de l’étude du couple outil/matière et de la définition d’une stratégie optimale pour l’usinage de la pièce d’application étudiée, cette thèse présente des résultats encourageants. La méthodologie de compensation, appliquée à la pièce de l’étude, améliore la précision de pose du robot de plus de 80%. Cela correspond à un gain de 80% sur l’amélioration de la précision de forme de la pièce. Ces travaux apportent un intérêt certain pour les applications industrielles qui nécessitent des méthodes rapides avec un minimum de moyens et de temps de développement. A ce stade, le fait de mesurer un premier parcours d’usinage pour obtenir un second usinage de qualité représente l’inconvénient principal de la méthode qui implique le supplément d’outils et de matière à prévoir dans la conception de la pièce brute