Ce mémoire traite de nouveaux principes de conception qui sont inspirés par le couplage de deux unités représentant les différentes structures mécaniques. Les critères de conception optimale et les types d'unités combinées sont différents. Cependant, toutes les tâches sont considérées dans le couplage de ces unités. L'examen critique présenté dans le premier chapitre est divisé en trois sections en raison de la nature des problèmes traités: les robots marcheurs, les compensateurs de gravité et les robots collaboratifs. Le deuxième chapitre traite du développement de robots marcheurs à actionneur unique, conçus par couplage de deux mécanismes ayant les fonctionnants de jambe. Basée sur l'algorithme génétique, la synthèse proposée permet d'assurer la reproduction de la trajectoire obtenue à partir de la marche humaine. Par l'ajustement des paramètres géométriques des unités conçues, il devient possible non seulement d'assurer une marche du robot à des pas variables, mais également de monter les escaliers. Ensuite la conception et la synthèse des équilibreurs pour les robots sont considérés. Un costume robotisé type exosquelette permettant d'aider aux personnes transportant des charges lourdes est examiné dans le chapitre suivant La conception proposée présente une symbiose d'un support rigide et léger et d'un système de câbles monté sur ce support. L'étude et l'optimisation statique et dynamique ont conduit aux tests sur un mannequin. Le dernier chapitre propose l'étude et 'optimisation d'un système couplé, comprenant un manipulateur équilibré à commande manuelle et un robot collaboratif. Le but d'une telle coopération est de manipuler de lourdes charges avec un cobot. / This thesis deals with the design principles, which arc based on the coupling of two mechanical structures. The criteria for optimal design and the types of combined units are different. However, all the tasks are considered in coupling of given mechanical units. The critical review given in the first chapter is divided into three sections due to the nature of the examined problems: legged walking robots, gravity compensators used in robots and collaborative robots. Chapter two deals with the development of single actuator walking robots designed by coupling of two mechanisms. Based on the Genetic Algorithm, the synthesis allows one to ensure the reproduction of prescribed points of the given trajectory obtained from the walking gait. By adjusting the geometric parameters of the designed units, it becomes possible not only to operate the robot at variable steps, but also to climb the stairs. The next chapter deals with the design and synthesis of gravity balancers. A robotic exosuit that can help people carrying heavy load is the subject of chapter four. The proposed exosuit presents a symbiosis of two systems: rigid lightweight support and cable system. Static and dynamic studies and optimization are considered. Experiments are also carried out on a mannequin test bench. The last chapter presents a coupled system including a hand-operated balanced manipulator and a collaborative robot. The aim of such a cooperation is to manipulate heavy payloads with less powerful robots. Dynamic analysis of the coupled system is perfonned and methods for reducing the oscillation of the HOBM at the final phase of the prescribed trajectories are proposed.

Dans ce mémoire, je présente les recherches que j'ai effectuées à l'IRCCyN et à l'Université McGill sur l'analyse et la conception de mécanismes. <br />Concernant l'analyse de mécanisme, j'ai suivi le même plan de recherche entre les mécanismes sériels et les mécanismes parallèles. La classification des mécanismes 3R orthogonaux en fonction de la typologie de leur espace de travail ainsi que la définition d'une condition nécessaire et suffisante pour avoir des mécanismes binaires ou quaternaires sont les résultats importants obtenus pour les mécanismes sériels. La notion d'isotropie et la longueur caractéristique sont deux notions que j'ai abordées pour les mécanismes sériels et parallèles. Dans les deux cas, j'ai apporté une contribution en travaillant sur la longueur caractéristique optimisée pour les mécanismes sériels et en définissant la longueur caractéristique pour plusieurs mécanismes parallèles. J'ai transposé la notion d'aspect et de domaines d'unicité pendant ma thèse pour les mécanismes parallèles. Ces définitions reposent sur la notion de modes de fonctionnement que j'ai défini en 1997. Nous avons ensuite travaillé sur la définition de points cusp en utilisant les travaux de McAree et en introduisant un algorithme pour les caractériser. En étudiant les trajectoires de changement de mode d'assemblage non singulier, nous avons mis en évidence, dans l'espace des configurations, le contournement d'un ou plusieurs points cusp.<br />Concernant la conception de mécanisme, nous avons utilisé les résultats obtenus lors de l'analyse des mécanismes sériels et parallèles pour calculer des indices de performance (longueur caractéristique) ou pour trouver de nouvelles classes de mécanismes (classification de mécanismes sériels, notion d'isotropie). La classification des mécanismes sériels nous a permis d'obtenir plusieurs classes des mécanismes dont les propriétés restent stables en fonction de leurs paramètres de conception. Parmi les mécanismes 3R orthogonaux, nous avons classifié deux types qui semblent intéressants pour le concepteur. Pour les mécanismes planaires à trois degrés de liberté, nous avons étudié principalement le 3-PRR en utilisant la surface de l'espace de travail ainsi que le conditionnement inverse moyen. Cette formulation, de type multi-objectifs, était nouvelle pour moi lorsque je l'ai formulée. Nous avons conduit plusieurs études sur l'optimisation et la comparaison de mécanismes parallèles planaires et spatiaux pour des mouvements de translation pure. Ces résultats ont permis de justifier, selon plusieurs indices de performances, la pertinence de l'utilisation de l'isotropie. <br />Nous avons réalisé la conception des vertèbres d'un robot anguille dans le projet ROBEA Anguille en utilisant nos connaissances sur les mécanismes parallèles. Ce mécanisme d'architecture parallèle permet de minimiser la puissance des moteurs. Pour la nage, deux moteurs travaillent ensemble dans le même sens et pour plonger ces deux même moteurs travaillent aussi ensemble mais en opposition. Le placement de ces moteurs a été optimisé afin de s'insérer dans la section elliptique de l'anguille. Un prototype a été construit et assemblé à l'IRCCyN.<br />Dans le cadre du projet européen NEXT, nous avons étudié la cinématique de la machine Verne. Nous avons étudié les modes d'assemblage et de fonctionnement puis modélisé l'espace de travail en tenant compte des limites des articulations motorisées et passives. Nous avons aussi montré que l'espace de travail libre de singularité et de collision était plus grand que celui actuellement utilisé. Pour palier le problème de couplage entre la taille de l'espace de travail et la longueur de l'outil, nous pouvons générer un espace de travail adapté à chaque situation qui peut être exporté sous forme de fichier CAO dans CATIA par exemple.<br />Nous avons réalisé l'optimisation du mécanisme Slide-o-Cam comme mécanisme de transformation de mouvement de rotation en translation en utilisant simultanément plusieurs fonctions objectives (l'angle de pression, la pression de hertz, l'encombrement et l'inertie des pièces en mouvement). La résolution de ce problème m'a permis d'aborder la problématique de l'optimisation multi-objectifs qui est l'un des thèmes fédérateurs de notre équipe.<br />J'ai présenté les deux versions de l'Orthoglide, 3 axes et 5 axes. De nombreux résultats ont été obtenus et présentés dans ce mémoire. La démarche de conception nous a permis de définir les dimensions du prototype en fonction d'un cahier des charges orienté machines d'usinage à grandes vitesses. Nous avons défini la notion d'espace de travail dextre régulier pour l'Orthoglide et utilisé cette notion pour comparer plusieurs mécanismes parallèles. Nous avons réalisé l'analyse de la rigidité en utilisant un modèle utilisant des flexibilités localisées.

Dans le contexte médico-chirurgical, la robotique peut être d’un grand intérêt pour des procédures plus sûres et plus précises. Les contraintes d’encombrement sont cependant très fortes et des mobilités complexes peuvent être nécessaires. A ce jour, la conception de mécanismes non conventionnels dédiés est alors difficile à réaliser faute d’outils génériques permettant une évaluation rapide de leurs performances. Cette thèse associe la continuation de haut-degré et la différentiation automatique pour répondre à cette problématique en introduisant une méthode de modélisation et un formalisme génériques pour la conception de mécanismes. Nos contributions concernent en particulier le développement d’outils numériques pour l’évaluation de l’espace de travail, et de la localisation et la nature des singularités d’un mécanisme, et une analyse de sensibilité de haut-degré. Ceux-ci sont évalués sur des mécanismes de référence. / In the medical and surgical background, robotics can be of great interest for safer and more accurate procedures. Size constraints are however strong and complex movements may be necessary. To date, the design of dedicated non-conventional mechanisms is then a difficult task because of a lack of generic tools allowing a fast evaluation of their performances. This thesis combines higher-order continuation and automatic differentiation to adress this issue through the introduction of a generic modelling method and a generic formalism for mechanism design. Our contributions especially concern the development of numerical tools for the evaluation of the workspace, of the singularity localization and nature, and for a higher-order sensitivity analysis. These tools are evaluated on reference mechanisms.