Il est bien connu que, parmi les nombreux avantages des manipulateurs parallèles par rapport aux robots sériels, on peut citer des vitesses et accélérations plus élevées, et une plus grande capacité de charge. Cependant, il existe des inconvénients, comme un volume de travail restreint, de forts couplages cinématiques et des singularités plus contraignantes. Afin d'améliorer leurs performances, des travaux ont été menés concernant le découplage des mouvements des robots parallèles. Le projet de thèse porte sur la conception, l'optimisation et l'amélioration d'une nouvelle famille de manipulateurs parallèles de 3 à 6 degrés de libertés partiellement découplés appelés PAMINSA (PArallel Manipulator of the I.N.S.A.). La deuxième partie de ce manuscrit présente la particularité de ces architectures qui est le découplage entre les mouvements de la plateforme dans le plan horizontal et les translations suivant l'axe vertical. Dans une troisième partie, nous faisons l'analyse des singularités de ces manipulateurs. Cette analyse est nécessaire pour choisir le manipulateur qui a le plus grand espace de travail sans singularité. Dans les parties 4 et 5, nous proposons des méthodes permettant d'augmenter la taille de leur espace de travail sans singularité. La première solution est basée sur l'utilisation de mécanismes à structure variable, c'est-à-dire des mécanismes dont les paramètres structurels peuvent être changés. Cette solution permet d'augmenter l'espace de travail sans singularité jusqu'à 100% de l'espace de travail total. La deuxième solution porte sur une optimisation des paramètres dynamiques des manipulateurs qui permet de traverser les singularités lors de déplacements de la plate-forme. Enfin, dans une sixième partie, une nouvelle méthode performante et rapide permettant de calculer la précision des manipulateurs PAMINSA ainsi que des solutions pour améliorer leurs caractéristiques fonctionnelles sont<br>proposées.

L'objectif principal de ce travail est de proposer des approches de commande performantes et robustes aux incertitudes pour les robots parallèles de type Delta, qui sont conçus pour effectuer des tâches industriels importantes et exigeantes comme l'emballage en agroalimentaire, la découpe laser, etc. Les difficultés les plus importantes pour garantir une bonne performance de suivi de trajectoires de ces manipulateurs pour les hautes accélérations avec la meilleure précision possible, tout en conservant de telle performance indépendamment des conditions d'opération (par exemple avec différentes conditions de charge, différentes trajectoires, etc.) sont leur actionnement couplé, l'augmentation de leurs dynamiques non-linéaires et le problème de vibrations mécaniques avec l'augmentation des accélérations envisagées, la présence d'incertitudes sur le modèle/environnement et la redondance d'actionnement si elle existe. Dans cette thèse, différentes approches de commande et observateurs d'état ont été proposés et implémentés expérimentalement sur deux robots de type Delta, à savoir le Par2 (non-redondant) et le R4 (à redondance d'actionnement). Pour le premier, une commande non linéaire/adaptative à mode Dual a été proposée en espace articulaire, synthétisé avec trois différents observateurs d'état pour la estimation des vitesses articulaires: un observateur lead-lag, un observateur Alpha-bêta-gamma et un observateur à grand gain. Pour le robot R4, un commande à feedforward en espace-dual avec a été proposée pour la compensation de sa dynamique (avec laquelle une aaccélération maximale de 100G a été atteinte), puis un contrôleur adaptatif dans l'espace-dual a été proposé afin de garantir une estimation et mise à jours automatique des paramètres du système en temps réel, garantissant ainsi sa bonne performance indépendamment du scénario expérimental. L'analyse de stabilité du robot Par2 bouclé avec la commande adaptative à Mode Dual et du robot R4 commandé avec le contrôleur adaptatif dans l'espace-dual sont fournies, des simulations ont été effectuées et les résultats expérimentaux confirment la bonne performance des approches de commande proposées. / The main objective of this work is to propose control strategies performant and robust towards uncertainties for Delta-like parallel robots, which are designed to perform important and demanding industrial tasks, such as packaging, laser cutting, etc. The most important difficulties to guarantee the good tracking performance of these manipulators for very high accelerations with the best possible precision, while maintaining such performance independently of the operational case (e.g. with different load conditions, different trajectories, etc.) are their coupled actuation, the increase of their high nonlinear dynamics and the problem of mechanical vibrations with the increase of the involved accelerations, the presence of uncertainties in the model/environment and the redundant actuation when applicable. In this thesis, different control schemes and state observers were proposed and experimentally implemented on two Delta-like robots, namely the Par2 (non-redundant) and the R4 (redundantly actuated) parallel manipulators. For the former, a nonlinear/adaptive Dual Mode controller was proposed in the joint space, complied with three different state observers for the estimation of joint velocities: a Lead-lag based observer, an Alpha-beta-gamma observer and the High-gain observer. For the latter, firstly a dual-space feedforward controller was proposed for the compensation of its dynamics (with which a maximum of 100G of acceleration was reached), then a dual-space adaptive controller was proposed in order to automatically estimate the parameters of the system in real-time, thus guaranteeing its good performance independently of the experimental scenario. The stability analysis of Par2 robot under the control of the Dual Mode controller and the R4 robot under the control of the dual-space adaptive controller are provided, simulations were performed and the experimental results confirm the good performance of the proposed control schemes.

Un manipulateur parallèle à mobilité réduite a moins de six degrés de liberté et présente généralement différents types de mouvement connus sous le nom de modes d'opération. Ainsi, ce type de manipulateur peut être classifié comme reconfigurable selon sa capacité de transition entre les différents modes d'opération. Cette thèse de doctorat s'articule principalement autour de l'analyse cinématique de manipulateurs parallèles à mobilité réduite, de manipulateurs parallèles en série obtenus à partir de leur empilement en série et de mécanismes conformes conçus à partir de leurs configurations singulières à contraintes. La transformation cinématique de Study est utilisée pour dériver les équations algébriques de contraintes. Ensuite, elles sont interprétées à l'aide d'outils de géométrie algébrique pour effectuer des analyses de mobilité, de cinématique et de singularité. Les techniques de ‘‘screw theory’’ et ‘‘line geometry’’ sont utilisées à côté de l'approche algébrique au besoin. / A lower mobility parallel manipulator has less than six degrees of freedom and usually exhibits different motion types known as operation modes. Thus, it can be classified as reconfigurable on account of its ability to transition between different operation modes. This doctoral thesis mainly revolves around the kinematic analysis of some lower-mobility parallel manipulators, series-parallel manipulators obtained from their serial stacking and compliant mechanisms designed using their constraint singular configurations. Study's kinematic mapping is used to derive the algebraic constraint equations. They are further interpreted using algebraic geometry tools to perform mobility, kinematic and singularity analysis. Screw theory and line geometry techniques are used adjacent to algebraic approach wherever necessary.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude de la robustesse de la conception de mécanismes. Ses principales contributions résident dans la détermination d'un indice de robustesse, le développement de deux méthodes d'analyse de sensibilité pour les manipulateurs d'architecture parallèle de type Delta-Linéaire, la formulation d'une procédure de synthèse de tolérances et l'étude de la robustesse d'une famille de manipulateurs d'architecture sérielle génériques et non-génériques<br />à trois degrés de liberté. Le mémoire est ainsi divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré à une énumération des propriétés générales des mécanismes étudiés, à une étude bibliographique de la conception robuste et à la formulation d'un problème de conception robuste. Le deuxième chapitre traite de l'analyse de sensibilité de l'Orthoglide, manipulateur d'architecture parallèle de type Delta-Linéaire à trois degrés de liberté de translation. L'étude permet de connaître la sensibilité<br />de la situation de l'effecteur du manipulateur aux variations de ses paramètres géométriques et de repérer les configurations pour lesquelles cette sensibilité est minimale et maximale. Le troisième chapitre présente un indice de robustesse optimal pour<br />les mécanismes étudiés et une procédure de synthèse de tolérances dimensionnelles décomposée en deux étapes séquentielles. Par ailleurs, ils sont illustrés par plusieurs études de cas, notamment un amortisseur et un manipulateur d'architecture parallèle. Finalement, le quatrième chapitre décrit une étude de la robustesse d'une famille de manipulateurs d'architecture sérielle à trois degrés de liberté. Cette étude vise à identifier les corrélations entre les notions de robustesse et de généricité.<br />A cet effet, différentes notions de la robotique sont exploitées, telles que la parcourabilité, la précision et la dextérité d'un manipulateur. Il s'avère que la généricité d'un manipulateur n'a pas d'influence sur ses performances cinématiques, ni sur la sensibilité de la position de son effecteur aux variations de ses paramètres géométriques.

Les environnements CAO fournissent des outils puissants pour la programmation graphique et la manipulation d'entités géométriques complexes. Dans cette thèse, nous proposons d'exploiter ce potentiel dans le domaine de la conception de robots parallèles. Ces robots sont considérés comme une alternative intéressante vis-à-vis de leurs homologues sériels dans différentes applications comme le " pick and place " et l'usinage. Cependant, leur utilisation industrielle est encore restreinte en raison d'un espace de travail limité, de modèles géométriques difficiles à résoudre et l'existence de configurations singulières délimitant leur domaine d'exploitation. L'analyse et la caractérisation de l'espace de travail jouent alors un rôle fondamental dans la phase de conception de robots manipulateurs parallèles. Dans ce travail de thèse, nous proposons des approches géométriques originales donnant lieu à un ensemble de méthodes et techniques basées CAO pour l'analyse et la caractérisation de l'espace de travail de robots parallèles plans et spatiaux. L'espace de travail est généré comme un solide dans l'environnement CAO à partir d'un paramétrage géométrique, d'esquisses et d'opérations élémentaires telles que le balayage hélicoïdal et l'intersection. Nous avons montré que ces méthodes constituent des outils pertinents et efficaces d'aide à la conception des mécanismes parallèles. Ils permettent également la résolution du problème géométrique direct et la génération de trajectoires libres de singularités. Plusieurs types de manipulateurs ont été considérés dans ce travail pour mettre en avant et illustrer les techniques CAO / Géométriques proposées : robots parallèles plans à 3 degrés de mobilité de type 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR et 3-PRR, robots parallèles spatiaux à 6 degrés de mobilité de type ou 3-CRS ou 3-PRRS.

Les environnements CAO fournissent des outils puissants pour la programmation graphique et la manipulation d’entités géométriques complexes. Dans cette thèse, nous proposons d’exploiter ce potentiel dans le domaine de la conception de robots parallèles. Ces robots sont considérés comme une alternative intéressante vis-à-vis de leurs homologues sériels dans différentes applications comme le « pick and place » et l’usinage. Cependant, leur utilisation industrielle est encore restreinte en raison d’un espace de travail limité, de modèles géométriques difficiles à résoudre et l’existence de configurations singulières délimitant leur domaine d’exploitation. L’analyse et la caractérisation de l’espace de travail jouent alors un rôle fondamental dans la phase de conception de robots manipulateurs parallèles. Dans ce travail de thèse, nous proposons des approches géométriques originales donnant lieu à un ensemble de méthodes et techniques basées CAO pour l’analyse et la caractérisation de l’espace de travail de robots parallèles plans et spatiaux. L’espace de travail est généré comme un solide dans l’environnement CAO à partir d’un paramétrage géométrique, d’esquisses et d’opérations élémentaires telles que le balayage hélicoïdal et l’intersection. Nous avons montré que ces méthodes constituent des outils pertinents et efficaces d’aide à la conception des mécanismes parallèles. Ils permettent également la résolution du problème géométrique direct et la génération de trajectoires libres de singularités. Plusieurs types de manipulateurs ont été considérés dans ce travail pour mettre en avant et illustrer les techniques CAO / Géométriques proposées : robots parallèles plans à 3 degrés de mobilité de type 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR et 3-PRR, robots parallèles spatiaux à 6 degrés de mobilité de type ou 3-CRS ou 3-PRRS. / CAD environments provide very powerful tools for graphical programming and manipulation of complex geometric entities. In this thesis, we propose to exploit such potential in the design of parallel robots. These robots are considered an attractive and important alternative towards their serials counterparts in various applications, like “pick and place” and machining. However, their industrial applications are restricted due to limited workspace, complexity related to resolution of the direct geometric model, and in addition the existence of the singular configurations which bound their application field. The analysis and the characterization of the workspace therefore play an essential role in the design phase of parallel robotic manipulators. In this thesis, we suggest original geometric approaches giving rise to a set of methodologies and techniques based on the use of CAD in order to analyze and characterize the workspace of planar and spatial parallel robotic manipulators. Workspace is generated as a solid in CAD environment by using a parametric geometric model, sketches, and elementary operations such as helical scanning and performing then Boolean intersection operation. We have shown in this thesis, that the proposed methodologies represent relevant and efficient tools which assist designers of parallel mechanisms. Moreover, they allow us to solve the direct geometric problem and to plan singularity-free trajectories. Several types of robotic manipulators have been considered in this work to highlight and illustrate the proposed CAD / Geometric techniques : planar parallel manipulators having three degree of freedom such as 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR, and 3-PRR, and spatial parallel robotic manipulators having six degree of freedom 3-CRS-type.