Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023) / L'interaction physique humain-robot constitue un mode d'opération prometteur pour plusieurs applications où la force et l'endurance des robots peut être combinée aux capacités d'adaptation et de jugement des humains. Toutefois, l'interaction physique humain-robot soulève des questions au niveau de la sécurité. Les standards généralement acceptés dans le domaine de la robotique prescrivent un seuil de force statique maximale de 150 N et une puissance maximale de 80 W afin de considérer une situation donnée comme étant sécuritaire. Cette thèse propose la synthèse de mécanismes robotiques sériels qui soient intrinsèquement sécuritaires pour l'interaction physique humain-robot. Le concept proposé consiste à inclure un ensemble de limiteurs de forces ou de couples passifs avec des seuils constants dans la structure même du robot afin de limiter les efforts possibles à l'effecteur. Lorsque la force ou le couple appliqué à l'un des limiteurs dépasse la valeur seuil prescrite, celui-ci est déclenché, entraînant ainsi un mouvement qui vise à protéger les humains contre les forces excessives. Il est bien connu que la relation entre les efforts articulaires et les efforts à l'effecteur d'un robot varie en fonction de la configuration. Afin de pallier cet effet, il est proposé d'inclure un nombre de limiteurs supérieur au nombre d'articulations actionnées. Ainsi, la synthèse de modules de limiteurs de forces isotropes est présentée afin d'obtenir des forces transmises suffisantes tout en assurant la sécurité. Plusieurs modules de limiteurs de forces isotropes plans sont proposés et utilisés pour analyser les caractéristiques de robots sériels à deux degrés de liberté. En plus de modéliser les forces de contact à l'effecteur, les forces de contact le long des membrures ainsi que la puissance de collisions potentielles sont analysées. Des exemples de manipulateurs sériels et leur analyse statique sont présentés. Ensuite, le concept d'espace de force isotrope est généralisé afin d'inclure les modules tridimensionnels. Des architectures possibles de modules isotropes spatiaux sont proposés et les conditions requises pour assurer l'isotropie des efforts à l'effecteur sont obtenues. Des manipulateurs sériels spatiaux à trois degrés de liberté incluant un module isotrope sont proposés afin de démontrer l'efficacité du concept. Les forces maximales possibles le long des membrures sont aussi étudiées. Des limiteurs de forces et de couples sont montées sur la structure du robot afin de s'assurer que les forces de contact sont limitées en tout point du robot. Une analyse de la puissance est également présentée. Finalement, la mise en œuvre pratique de l'approche proposée dans la thèse est considérée. Deux types de limiteurs de forces ou couples sont proposés. Leur design est compact et permet de produire une limitation bi-directionnelle des efforts en utilisant un ressort unique. Le premier type de limiteur ne retourne pas à sa configuration initiale lorsque les efforts externes sont retirés puisque la résistance aux efforts externes diminue drastiquement lorsque le seuil d'activation est dépassé. À l'opposé, le second type de limiteur retourne automatiquement à sa configuration initiale lorsque les efforts externes sont retirés. Il est démontré que les architectures de limiteurs proposées peuvent être intégrées au design de membrures de robots grâce à leur simplicité et leur compacité. Des prototypes de modules isotropes sont alors construits et testés expérimentalement afin de démontrer leur possible utilisation pratique. / Physical human-robot interaction is a desirable paradigm for many applications where the strength and endurance of robots can be combined with the adaptability and judgement of human beings. However, physical interaction between humans and robots leads to safety concerns. Robotics standards state that, as a sufficient condition for allowing human-robot collaboration, the static force and the dynamic power at the tool centre point must not exceed 150 (N) and 80 (W), respectively. This dissertation proposes a synthesis approach to build intrinsically safe serial robotic mechanisms for applications in human-robot cooperation. In this concept, a number of passive torque and force limiters with constant force thresholds are included in the structure of a serial manipulator in order to limit the feasible forces at the tool centre point of the end-effector. Once the torque/force at any one of the limiters exceeds the prescribed maximum threshold, the corresponding clutch is triggered, thus protecting humans from injury. It is well known that the relationship between the joint torques/forces and the achievable end-effector forces is configuration dependent. In order to alleviate this effect, i.e., the variation of the joint to Cartesian force mapping, it is proposed to include more clutches than actuated joints. Hence, the design of isotropic force modules is addressed to produce proper force capabilities while ensuring safety. Several planar isotropic force modules are first proposed and used to analyze the force capabilities of two-degree-of-freedom planar serial robots. In addition to modelling the contact forces at the end-effector, the forces that can be applied by the robot to its environment when contact is taking place elsewhere along its links are also analyzed as well as the power of potential collisions. Examples of planar serial manipulator architectures and their static analysis are given. Then, the concept of isotropic force space is extended from planar modules to spatial modules. Possible architectures of spatial isotropic modules are proposed and the conditions required to ensure isotropy of the forces at the end-effector are derived. Three-degree-of-freedom spatial manipulators including a proposed spatial isotropic module are designed to demonstrate the effectiveness of the concept, and the maximum contact forces along the links are then studied. Force and torque limiter are distributed along the structure of the manipulator in order to ensure that the forces applied at any point of contact along the links are bounded. A power analysis is also presented in order to support the results obtained. Finally, the implementation of the proposed approach in a real application is addressed. Two types of passive clutch mechanisms are designed. Both are compact and produce a bi-directional limiting behaviour using a single extension spring. One is referred to as the no-return limiter. The mechanism does not return to its original configuration even if the external load is removed since its resisting torque drops rapidly once the limiter is triggered. The other one is the elastic return limiter, which can bring the robot links to their original positions after an applied excessive force is removed. The proposed architectures can be integrated in the design of robotic links since they are simple and compact. Then, some prototypes equipped with force and torque limiters are built and tested experimentally to illustrate a possible practical implementation of the concept.

Cette thèse présente l'analyse, la synthèse, l'optimisation, le design et la validation expérimentale de mécanismes de sécurité dans le contexte de l'interaction physique humain-robot. Afin d'améliorer la sécurité, une condition essentielle à la coexistence d'humains et de robots, une approche basée sur la conception de manipulateurs intrinsèquement sécuritaires est préférée à des systèmes d'évitement et de détection de collision, pour des raisons de fiabilité. La force maximale de contact survenant lors d'une collision est utilisée comme critère de sécurité pour sa simplicité et sa validité dans le contexte de la robotique. Pour les robots sériels, il est proposé de placer un limiteur de couple en série avec chaque actionneur tandis que pour les robots suspendus, on opte pour la séparation de la base et de l'effecteur par un mécanisme parallèle dont certains pivots sont remplacés par des limiteurs de couple --- formant ainsi un \emph{limiteur de force cartésien}. L'utilisation de ces mécanismes permet de réduire l'inertie effective du manipulateur lorsqu'une collision survient sans nuire aux performances du robot en situation normale. Un modèle est d'abord créé afin de comparer par simulation les gains de sécurité obtenus par des limiteurs de couple et d'autres mécanismes de sécurité articulaires utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres dispositifs. Des méthodes de commande optimale des seuils de limiteurs de couple ajustables placés en série avec chaque actionneur d'un robot sériel sont ensuite développées. Un indice de performance cinématique est proposé afin d'optimiser la pose et l'architecture d'un tel robot. L'approche et les méthodes développées sont validées expérimentalement à l'aide de prototypes de limiteurs de couple ajustables basés sur la friction placés en série avec les actionneurs d'un robot sériel à quatre degrés de liberté. Finalement, des architectures de limiteurs de force cartésiens sont proposées et optimisées et leur efficacité dans le contexte des robots suspendus est validée expérimentalement. / This thesis presents the analysis, synthesis, optimization, design and experimental validation of safety mechanisms in the context of physical human-robot interaction. In order to improve safety, which is essential to allow the coexistence of humans and robots, an approach based on the design of intrinsically safe manipulators is preferred to collision avoidance and detection systems for reliability reasons. The maximum contact force occuring during a collision is used as a safety criterion due to its simplicity and validity in the context of robotics. For serial robots, it is proposed to place a torque limiter in series with each actuator whereas for suspended robots, it is preferable to separate the base and the effector with a parallel mechanism in which some joints are replaced with torque limiters --- thereby forming a \emph{Cartesian force limiting device}. The use of such mechanisms allows the reduction of the effective manipulator inertia during a collision without affecting the performances under normal conditions. A model is first created in order to compare --- using simulations --- the safety gains obtained with torque limiters with the ones obtained with other articular safety mechanisms when they are implemented alone or in combination with other safety devices. Methods to optimally control the thresholds of adjustable torque limiters placed in series with each actuator of a serial robot are developed. A kinematic performance index is proposed in order to optimize the pose and architecture of such a robot. The approach and the developed methods are experimentally validated using prototypes of adjustable torque limiters based on friction which are placed in series with each actuator of a four-degree-of-freedom robot. Finally, architectures of Cartesian force limiting devices are proposed and optimized and their effectiveness in the context of suspended robots is experimentally validated.

Cette thèse étudie les forces potentielles des mécanismes parallèles plans à deux degrés de liberté équipés d'embrayages de sécurité (limiteur de couple). Les forces potentielles sont étudiées sur la base des matrices jacobienne. La force maximale qui peut être appliquée à l'effecteur en fonction des limiteurs de couple ainsi que la force maximale isotrope sont déterminées. Le rapport entre ces deux forces est appelé l'efficacité de la force et peut être considéré ; comme un indice de performance. Enfin, les résultats numériques proposés donnent un aperçu sur la conception de robots coopératifs reposant sur des architectures parallèles. En isolant chaque lien, les modèles dynamiques approximatifs sont obtenus à partir de l'approche Newton-Euler et des équations de Lagrange pour du tripteron et du quadrupteron. La plage de l'accélération de l'effecteur et de la force externe autorisée peut être trouvée pour une plage donnée de forces d'actionnement. / This thesis investigates the force capabilities of two-degree-of-freedom planar parallel mechanisms that are equipped with safety clutches (torque limiters). The force capabilities are studied based on the Jacobian matrices. The maximum force that can be applied at the end-effector for given torque limits (safety index) is determined together with the maximum isotropic force that can be produced. The ratio between these two forces, referred to as the force effectiveness, can be considered as a performance index. Finally, some numerical results are proposed which can provide insight into the design of cooperation robots based on parallel architectures. Considering each link and slider system as a single body, approximate dynamic models are derived based on the Newton-Euler approach and Lagrange equations for the tripteron and the quadrupteron. The acceleration range or the external force range of the end-effector are determined and given as a safety consideration with the dynamic models.