This dissertation presents the kinematics study on two cases of parallel locomotion mechanisms. A parallel locomotion mechanism can be defined as "a mechanism with parallel configuration and discrete contact with respect to the ground which renders a platform the ability to move". The first case is a tripedal robot and the second case is an actuated spoke wheel robot. The kinematics study on these two mobile robots mainly includes mobility, inverse and forward kinematics, instantaneous kinematics, singularity and so on. The tripedal robot STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot) is expected to walk utilizing its built-in passive dynamics, but in its triple stance phase, the kinematic configuration of the robot behaves like an in-parallel manipulator. The locomotion of this novel walking robot and its unique tripedal gait are discussed, followed by the definitions of its coordinate frames. Geometric methods are adopted for the forward and inverse displacement analysis in its triple stance phase. Simulations are presented to validate both the inverse and the forward displacement solutions. The instantaneous kinematics and singularity analysis are developed respectively. Based on the screw theory, the Jacobian matrices are assembled. Using Grassmann Line Geometry, each row of the Jacobian matrices is interpreted as a line in 3D space and the analytical conditions of the linear dependency cases are identified, which corresponds to the forward singular configurations of the robot. The actuated spoke wheel robot IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System) is investigated as the second case. It is revealed that this robot has multiple modes of locomotion on the ground and it is able to change its topology by changing the contact scheme of its spokes with the ground. This robot is treated as a mechanism with variable topologies and Modified Grübler-Kutzbach criterion and Grassmann Line Geometry are adopted to identify the degrees of freedom (DOF) for each case of its topological structures. The characteristic DOF are then verified through the testing on the robot prototype. The forward and inverse kinematics is investigated for two cases of its topologies. In order to improve the computation efficiency of the inverse kinematics formulation, virtual serial manipulator models are constructed. The effectiveness of the virtual serial manipulator models has been validated with numerical simulations. In conclusion, kinematics analyses have been successfully performed on the two parallel locomotion mechanisms. The results are utilized to control the robots' motions in specific configurations. The foundation has been laid for the future development of the robot prototypes and the future research on dynamics, control, intelligence and so on. / Ph. D.

Ces travaux de thèse apportent plusieurs contributions à la conception de dispositifs d'assistance robotisés pour la réalisation de procédures d'insertion d'aiguille sous imageur à rayons X. Partant de la tâche de positionnement et d'orientation d'une aiguille, plusieurs architectures mécaniques inédites à quatre degrés de liberté ont été proposées. Un algorithme de synthèse dimensionnelle a été conçu pour calculer les paramètres structuraux de ces mécanismes en étudiant leurs singularités, tout en tenant compte des contraintes antagonistes de compacité du système, de capacité d'actionnement et de taille d'espace de travail. Une décomposition modulaire du dispositif d'assistance a permis de proposer des solutions pour un outil dédié à l'insertion d'aiguille avec retour d'effort. Cet outil comporte un dispositif d'insertion, un système de préhension d'aiguille et un capteur d'effort spécifique pour le retour d'effort. / This thesis focuses on finding solutions for the design and the technological bottlenecks involving development of a slave robotic assistant for needle insertion procedures. The needed functionalities for the slave device were sought to be achieved by adopting a modular approach. This required the design and the development of different devices which satisfy targeted functionalities. A study of needle positioning devices was carried out which led to the synthesis of novel mechanisms for the task of needle axis translation and the needle axis orientation. A novel dimensional synthesis algorithm was developed to calculate the structural parameters of these mechanism while studying their singularities and considering the antagonistic constraints of system compactness, actuation torques and workspace size. The modular decomposition also allowed to offer solutions for an insertion tool dedicated to needle insertion with force feedback. This insertion tool consists of a device for inserting the needle, a device for grasping the needle and a force sensor for force feedback.

Cette thèse aborde principalement trois grands aspects tels que la systématisation et l'analyse structurale, la modélisation géométrique et cinématique et les stratégies de contrôle. La première partie de la thèse est consacrée à l'élaboration d'une approche pour la systématisation des mécanismes reconfigurables selon leurs paramètres structuraux tels que la mobilité, la connectivité, la redondance et l’hyperstatisme. Ces paramètres nous permettent de comprendre les mécanismes et de les systématiser selon leur type de mouvement ; le mécanisme peut être isostatique ou hyperstatique, redondant ou non-redondant, avec ou sans mobilités internes, etc. Afin de résoudre les problèmes pratiques de modélisation, contrôle, simulation et développement du robot, les paramètres structuraux sont nécessaires. Différents types de singularités sont systématisés et analysés en tenant compte de paramètres structuraux. En plus, pour connaître les positions et les orientations relatives des membres du robot, nous avons besoin de calculer le modèle géométrique. Nous utilisons la méthode du Système de Coordonnées Voyageur pour déterminer la position et l'orientation des membres à chaque instant. Pour connaître les vitesses linéaires et angulaires des membres, nous devons formuler les équations cinématiques pour le robot étudié. La partie contrôle est dédiée à l'élaboration de stratégies de génération de trajectoire et de contrôle, sur la base de la redondance d’actionnement. La difficulté dans la commande est de développer une loi de contrôle avancée pour la synchronisation de plusieurs actionneurs afin d'avoir une transition fluide d'un mode d'assemblage à un autre, ceci sans endommager le robot. Le choix des liaisons actionnées joue également un rôle essentiel en garantissant une haute performance et la contrôlabilité du mécanisme au passage par les configurations singulières. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le mécanisme à une seule boucle fermée de type 8-bar afin d’illustrer les développements réalisés dans les trois parties mentionnées ci-dessus. Il a été démontré que ce mécanisme présente une capacité intéressante de reconfiguration. Il dispose de deux degrés de mobilité dans une configuration générale, mais a besoin d'au moins cinq moteurs pour être entièrement contrôlés dans toutes les configurations singulières. / This thesis mainly addresses three major aspects such as systematization and structural analysis, geometric and kinematic formulation and control strategies. The first part of the thesis is dedicated to the development of a systematization approach for reconfigurable mechanisms with respect to their structural parameters such as mobility, connectivity, redundancy and number of overconstraints. These parameters help us to understand the mechanism and to systematize it according to type of motion, whether the mechanism is overconstrained or non-overconstraint, redundant or non-redundant, with/without internal mobilites, etc. To resolve the practical problems of modeling, control, simulation and development of the robot, the structural parameters are required. Various types of singularities are also systematized and analyzed by taking into account the structural parameters. Further to know the relative location of robot links, we need to compute the geometric model. We use Travel Coordinate System method to determine the position and orientation of links at each instant. To find out the linear and angular velocities of links, we need to formulate the kinematic equations for the robot under consideration. The control part is dedicated to the development of trajectory generation and control strategies, based on actuation redundancy. The challenging task is to develop an advanced control law in order to synchronize several actuators to have a smooth transition from one assembly mode to another without causing wear and tear to the robot. Choice of actuated joints also plays a vital role in ensuring high performance and controllability of the mechanism when crossing singular configurations. In this thesis we focus on the 8-bar single loop mechanism to illustrate the developments achieved in the three parts mentioned above. It has been shown that, this mechanism exhibits an interesting capacity to reconfigure. It has two degrees of mobility in a general configuration but needs at least five motors to be fully controlled in all singular configurations.