This thesis addresses the kinematic analysis of mechanisms, in particular, the position analysis of kinematic chains, or linkages, that is, mechanisms with rigid bodies (links) interconnected by kinematic pairs (joints). This problem, of completely geometrical nature, consists in finding the feasible assembly modes that a kinematic chain can adopt. An assembly mode is a possible relative transformation between the links of a kinematic chain. When an assignment of positions and orientations is made for all links with respect to a given reference frame, an assembly mode is called a configuration. The methods reported in the literature for solving the position analysis of kinematic chains can be classified as graphical, analytical, or numerical. The graphical approaches are mostly geometrical and designed to solve particular problems. The analytical and numerical methods deal, in general, with kinematic chains of any topology and translate the original geometric problem into a system of kinematic analysis of all the Assur kinematic chains resulting from replacing some of its revolute joints by slider joints. Thus, it is concluded that the polynomials of all fully-parallel planar robots can be derived directly from that of the widely known 3-RPR robot. In addition to these results, this thesis also presents an efficient procedure, based on distance and oriented area constraints, and geometrical arguments, to trace coupler curves of pin-jointed Gr¨ubler kinematic chains. All these techniques and results together are contributions to theoretical kinematics of mechanisms, robot kinematics, and distance plane geometry. equations that defines the location of each link based, mainly, on independent loop equations. In the analytical approaches, the system of kinematic equations is reduced to a polynomial, known as the characteristic polynomial of the linkage, using different elimination methods —e.g., Gr¨obner bases or resultant techniques. In the numerical approaches, the system of kinematic equations is solved using, for instance, polynomial continuation or interval-based procedures. In any case, the use of independent loop equations to solve the position analysis of kinematic chains, almost a standard in kinematics of mechanisms, has seldom been questioned despite the resulting system of kinematic equations becomes quite involved even for simple linkages. Moreover, stating the position analysis of kinematic chains directly in terms of poses, with or without using independent loop equations, introduces two major disadvantages: arbitrary reference frames has to be included, and all formulas involve translations and rotations simultaneously. This thesis departs from this standard approach by, instead of directly computing Cartesian locations, expressing the original position problem as a system of distance-based constraints that are then solved using analytical and numerical procedures adapted to their particularities. In favor of developing the basics and theory of the proposed approach, this thesis focuses on the study of the most fundamental planar kinematic chains, namely, Baranov trusses, Assur kinematic chains, and pin-jointed Gr¨ubler kinematic chains. The results obtained have shown that the novel developed techniques are promising tools for the position analysis of kinematic chains and related problems. For example, using these techniques, the characteristic polynomials of most of the cataloged Baranov trusses can be obtained without relying on variable eliminations or trigonometric substitutions and using no other tools than elementary algebra. An outcome in clear contrast with the complex variable eliminations require when independent loop equations are used to tackle the problem. The impact of the above result is actually greater because it is shown that the characteristic polynomial of a Baranov truss, derived using the proposed distance-based techniques, contains all the necessary and sufficient information for solving the position / Esta tesis aborda el problema de análisis de posición de cadenas cinemáticas, mecanismos con cuerpos rígidos (enlaces) interconectados por pares cinemáticos (articulaciones). Este problema, de naturaleza geométrica, consiste en encontrar los modos de ensamblaje factibles que una cadena cinemática puede adoptar. Un modo de ensamblaje es una transformación relativa posible entre los enlaces de una cadena cinemática. Los métodos reportados en la literatura para la solución del análisis de posición de cadenas cinemáticas se pueden clasificar como gráficos, analíticos o numéricos. Los enfoques gráficos son geométricos y se diseñan para resolver problemas particulares. Los métodos analíticos y numéricos tratan con cadenas cinemáticas de cualquier topología y traducen el problema geométrico original en un sistema de ecuaciones cinemáticas que define la ubicación de cada enlace, basado generalmente en ecuaciones de bucle independientes. En los enfoques analíticos, el sistema de ecuaciones cinemáticas se reduce a un polinomio, conocido como el polinomio característico de la cadena cinemática, utilizando diferentes métodos de eliminación. En los métodos numéricos, el sistema se resuelve utilizando, por ejemplo, la continuación polinomial o procedimientos basados en intervalos. En cualquier caso, el uso de ecuaciones de bucle independientes, un estándar en cinemática de mecanismos, rara vez ha sido cuestionado a pesar de que el sistema resultante de ecuaciones es bastante complicado, incluso para cadenas simples. Por otra parte, establecer el análisis de la posición de cadenas cinemáticas directamente en términos de poses, con o sin el uso de ecuaciones de bucle independientes, presenta dos inconvenientes: sistemas de referencia arbitrarios deben ser introducidos, y todas las fórmulas implican traslaciones y rotaciones de forma simultánea. Esta tesis se aparta de este enfoque estándar expresando el problema de posición original como un sistema de restricciones basadas en distancias, en lugar de directamente calcular posiciones cartesianas. Estas restricciones son posteriormente resueltas con procedimientos analíticos y numéricos adaptados a sus particularidades. Con el propósito de desarrollar los conceptos básicos y la teoría del enfoque propuesto, esta tesis se centra en el estudio de las cadenas cinemáticas planas más fundamentales, a saber, estructuras de Baranov, cadenas cinemáticas de Assur, y cadenas cinemáticas de Grübler. Los resultados obtenidos han demostrado que las técnicas desarrolladas son herramientas prometedoras para el análisis de posición de cadenas cinemáticas y problemas relacionados. Por ejemplo, usando dichas técnicas, los polinomios característicos de la mayoría de las estructuras de Baranov catalogadas se puede obtener sin realizar eliminaciones de variables o sustituciones trigonométricas, y utilizando solo álgebra elemental. Un resultado en claro contraste con las complejas eliminaciones de variables que se requieren cuando se utilizan ecuaciones de bucle independientes. El impacto del resultado anterior es mayor porque se demuestra que el polinomio característico de una estructura de Baranov, derivado con las técnicas propuestas, contiene toda la información necesaria y suficiente para resolver el análisis de posición de las cadenas cinemáticas de Assur que resultan de la sustitución de algunas de sus articulaciones de revolución por articulaciones prismáticas. De esta forma, se concluye que los polinomios de todos los robots planares totalmente paralelos se pueden derivar directamente del polinomio característico del conocido robot 3-RPR. Adicionalmente, se presenta un procedimiento eficaz, basado en restricciones de distancias y áreas orientadas, y argumentos geométricos, para trazar curvas de acoplador de cadenas cinemáticas de Grübler. En conjunto, todas estas técnicas y resultados constituyen contribuciones a la cinemática teórica de mecanismos, la cinemática de robots, y la geometría plana de distancias. Barcelona 13-

In poultry plants in the United States, a water chiller is used to chill WOGs (de-feathered birds without giblets). After exiting the chiller these birds are manually transferred from a conveyor belt to shackles for further processing. The current process is less than ideal. The labor pool for jobs such as these is continuing to shrink and labor turnover is a constant problem. The rates of repetitive motion injury reported are high and are continuing to rise. In addition, many poultry producers see this as a bottleneck in the process. Automation has the potential to alleviate these problems. The high variability of this task, cost restrictions, and special design considerations associated with meat handling equipment make automation of this task challenging. Industrial robots have traditionally been limited to tasks with low variability. This task has high variability. They are presented on the conveyor belt in a wide variety of positions and orientations. Most robotic automation systems consist of a commercially available industrial robot, a specialized end effector and a control scheme. The economics of this task prohibit the use of a commercially available industrial robot, as there are no industrial robots on the market that will offer a short enough payback. Robots have not yet been adapted to meat handling processes, and existing robotic designs are not well suited to the task. In designing a low cost, high-speed robot for poultry processing the requirements of the robot are defined and a variety of robot architectures, constructions, and materials are explored. Simple modifications to the existing shackle and conveyor setup to make the task easier for a robot are also explored. After the robot requirements are defined a large group of possible designs are developed. The possible designs are systematically evaluated and/or eliminated until a single design is selected. The forward and reverse kinematics for this robot are developed. A singularity analysis is carried out. A proof of concept model is built. A prototype is modeled and a dynamic analysis of that prototype is carried out. The design is finalized based on the results of the dynamic analysis.

La manipulation aérienne est l’un des défis de la robotique au cours de cette dernière décennie. L’un des freins au développement des manipulateurs aériens est l’autonomie limitée des drones, réduite par la charge et la consommation électrique du manipulateur embarqué. Une solution pour dépasser cette limite passe par la collaboration de plusieurs drones dans une tâche de manipulation. Cette thèse porte sur la conception et la commande d’un nouveau type de véhicule autonome aérien destiné à la manipulation. Le concept consiste à faire collaborer plusieurs drones, en particulier des quadricoptères, au travers d’une architecture passive polyarticulée. Le robot ainsi obtenu est une fusion entre l’architecture passive d’un robot parallèle et plusieurs drones. L’étude du modèle dynamique de cette classe de robots met en avant un découplage dans le modèle dynamique. Ce découplage permet la conception d’une commande en cascade qui assure la stabilisation et le suivi de trajectoire pour ces robots. Deux cas d’étude sont ensuite déclinés dans cette thèse : un robot parallèle volant à deux drones et un robot parallèle volant à trois drones. Pour ces deux robots, une simulation numérique est effectuée afin de valider le fonctionnement de la commande. Ces simulations ont également permis de valider la possibilité de changer la configuration de l’architecture passive en vol. Les travaux ont été portés avec succès jusqu’au stade expérimental pour le robot volant à deux drones. / Aerial manipulation is one of the challenges of robotics over the last decade. One of the constraints on the development of aerial manipulators is the limited autonomy of drones, reduced by the load and energy consumption of the on-board manipulator. One way to overcome this limit is to have several drones collaborate on a manipulation task. This thesis deals with the design and control of a new type of autonomous aerial vehicle for manipulation tasks. The concept consists in the collaboration of several drones, in particular quadrotors, through a polyarticulated passive architecture. The robot thus obtained is a fusion between the passive architecture of a parallel robot and several drones. The study of the dynamic model of this robot class highlights a decoupling in the dynamic model. This decoupling allows the design of a cascade control law. This controller provides stabilization and trajectory tracking for these robots. Two study cases are then presented in this thesis: a flying parallel robot with two drones and a flying parallel robot with three drones. For these two robots, a numerical simulation is performed to validate the controller performances. These simulations also allowed to validate the reconfiguration abilities of passive architecture in flight. The work was successfully carried to the experimental stage for the flying robot with two drones.

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In order to improve the design of mechanical or mechatronic systems, mathematical optimization techniques have become an efficient and attractive tool with the increasing development of computer resources. However, the application of such optimization methods to multibody systems (MBS) remains a challenge when the MBS analysis requires the solving of assembly constraints. Hence, this PhD research focuses on the optimization of such closed-loop MBS, particularly when the objective function is of geometrical or kinematic nature. For kinematic optimization of MBS, we propose two penalty strategies to deal with assembly constraints during optimization. Both strategies are compared and illustrated via applications such as the isotropy maximization of parallel manipulators: the 3-dof Delta robot and the 6-dof Hunt platform. Following the same strategies, geometrical optimization of MBS is then investigated. However, due to a higher complexity, we propose to relax the problem, combining two modeling approaches: rigid-body and extensible-link formulations. This leads to a two-step strategy which is then successfully applied to synthesize mechanisms for path-following or function-generation problems. Through these applications, the existence of multiple local optima is highlighted. Therefore, instead of focusing on the unique global optimum solution, we have developed original methods to search and propose several local solutions for the design problem. This approach is called morphological optimization. This enables the designer to choose finally the best solution among several local optima using additional design criteria. Such morphological optimization techniques open the doors for the topology optimization of MBS which remains a challenging problem for future research / Afin d'améliorer la conception de systèmes mécaniques ou mécatroniques, les techniques d'optimisation mathématique sont devenues un outil efficace et attrayant étant donné le développement croissant des ressources informatiques. Cependant, l'application de telles méthodes d'optimisation sur les systèmes multicorps demeure un défi quand l'analyse du système nécessite la résolution de contraintes d'assemblage. C'est pourquoi cette recherche doctorale se concentre sur l'optimisation de tels systèmes multicorps, particulièrement lorsque la fonction objectif est de nature géométrique ou cinématique. Pour l'optimisation cinématique des systèmes multicorps, nous proposons deux stratégies de pénalité pour traiter les contraintes d'assemblage en cours d'optimisation. Ces deux stratégies sont comparées et illustrées par des applications telles que la maximisation d'isotropie de manipulateurs parallèles. Suivant les mêmes stratégies, l'optimisation géométrique des systèmes multicorps est alors étudiée. Cependant, vu la plus grande complexité, nous proposons de relaxer le problème en combinant deux approches de modélisation : une formulation en termes de corps rigides et une autre en termes de liens extensibles. Ceci nous mène à une stratégie en deux étapes qui est alors appliquée avec succès pour la synthèse de mécanismes. A travers ces applications, on a mis en évidence l'existence d'optimums locaux multiples. Dès lors, plutôt que de se focaliser sur l'unique optimum global, nous avons développé des méthodes originales afin de rechercher et proposer plusieurs solutions locales pour le problème de conception. Cette approche est baptisée "optimisation morphologique". Elle permet au concepteur de choisir finalement la meilleure solution parmi plusieurs optimums locaux en utilisant des critères supplémentaires de conception. De telles techniques d'optimisation morphologique ouvrent les portes pour l'optimisation topologique des systèmes multicorps qui demeure un challenge motivant pour des recherches futures.

Les Robots Parallèles à Câbles (RPCs) sont des robots parallèles dont les jambes se composent de câbles. Les applications industrielles potentielles des RPCs sont nombreuses telles que le grenaillage et la peinture de structures massives et de grandes dimensions.La première partie de ce manuscrit est dédié à la modélisation des RPCs. Deux modèles élasto-statiques ont été introduits dans ce manuscrit, pour décrire le petit déplacement de la plate-forme mobile en raison de la nature non-rigide des câbles. Le modèle élasto-statique basé sur des câbles pesants a été exprimé en faisant la différence entre la matrice de raideur active et la matrice de raideur passive du RPC.La deuxième partie de ce manuscrit traite de l’analyse d’espaces de travail de RPCs vis-à-vis de leurs performances statiques et dynamiques. Deux nouveaux espaces de travail ont été définis : (i) l'Espace des Vitesses Générables (EVG);(ii) l’Espace de Travail Dynamique Amélioré (ETDA). La troisième partie de ce manuscrit décrit une stratégie de conception générique de RPCs et des Robots Parallèles à Câbles Reconfigurables (RPCRs). Les reconfigurations sont limitées uniquement aux points de sortie des câbles. Dans ce manuscrit, les points de sortie des câbles peuvent être placés dans une large mais limité ensemble de positions. La stratégie proposée envisage la possibilité de déplacer les points de sortie des câbles du RPCR sur une grille prédéfinie d'emplacements.La quatrième partie de ce manuscrit présente un algorithme pour calculer une stratégie de reconfiguration optimale pour les RPCRs. Cette stratégie peut être utilisée lorsque l'environnement de travail de RPCRs est extrêmement encombré et qu’il n'est pas possible de prévoir le nombre de configurations nécessaires pour compléter la tâche.L'efficacité de l'algorithme a été analysée en étudiant les reconfigurations d’un robot parallèle à câbles planaire et d’un robot parallèle à câbles spatial en lien avec des applications industrielles. / Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) are parallel robots whose legs consist of cables. CDPRs may be used successfully in several industrial applications such as sandblasting and painting of large and heavy structures.The first part of this manuscript is dedicated to the modelling of CDPRs. Two elasto-static models have been introduced in this manuscript, in order to describe the small displacement of the moving platform due to the non-rigid nature of the cables. These models can be used for the modal analysis of the CDPRs, as well. The elasto-static model based on linear cables has been computed including the effect of the pulleys orienting the cables into the CDPR workspace.The second part of this manuscript deals with the investigation of the workspace of CDPRs, in terms of their moving platform static and dynamic equilibria, and in terms of their moving platform kinematic constraints. Two novel workspaces have been defined: (i) the Twist Feasible Workspace (TFW); (ii) the Improved Dynamic Feasible Workspace (IDFW). The third part of this manuscript describes a generic design strategy for CDPRs and a novel design strategy for Reconfigurable Cable-Driven Parallel Robots (RCDPRs). In this manuscript, reconfigurations are limited to the thedisplacement of the cable exit points, assuming the cables exit points can be installed on a large but finite set of locations.The fourth part of this manuscript introduces an algorithm to compute an optimal reconfiguration strategy for RCDPRs. This strategy can be used when the working environment of the RCDPR is extremely cluttered and when it is not possible to predict how many configurations are necessary to complete the task. The effectiveness of the algorithm hasbeen analysed by means of a planar and a spatial casestudies reproducing some industrial tasks.

En comparaison avec leurs homologues sériels, les robots parallèles possèdent de nombreux avantages : rigidité, temps de cycle et précision de positionnement. La faible taille de leur espace de travail opérationnel est cependant un inconvénient qui empêche leur développement. L’analyse cinématique décrit la division de l’espace de travail total en aspects, séparés entre eux par des singularités de Type 2. Parmi les solutions d’élargissement de l’espace de travail opérationnel issues de la littérature, que sont comparées entre elles, nous retiendrons la traversée des singularités grâce à une génération de trajectoire et une loi de commande dédiées. Cette solution est cependant sujette aux échecs de traversée et ne permet pas de certifier la réussite de l’opération. La première partie du travail consiste donc à développer un outil permettant de détecter le résultat des traversées. De tels algorithmes n’existent pas dans la littérature ; en effet, les solveurs du problème géométrique direct ne peuvent pas donner de résultats appropriés à proximité des singularités. Cependant les méthodes ensemblistes proposent une manière intéressante de tenir compte de la cinématique du robot. Nous nous basons sur cette considération pour développer un algorithme réalisant le suivi de la pose ainsi que de la vitesse de l’effecteur du robot. En simulation, nous démontrons sa capacité à détecter les changements de mode d’assemblage et son utilité pour générer des trajectoires permettant la traversée. La deuxième problématique consiste à améliorer le suivi de trajectoire par l’utilisation de techniques de commande avancée. Une revue de littérature nous permet d’identifier la commande adaptative et la commande prédictive comme deux schémas intéressants pour notre application. La synthèse d’un loi de commande adaptative par des outils linéaires est proposée et complétée par la prédiction des paramètres dynamiques suivant la méthode Predcitive Functionnal Control. Les gains apportés par les lois de commande proposées sont évalués en simulation. Afin de valider ces contributions, elles sont implémentées sur un robot parallèle plan à deux degrés de liberté nommé DexTAR. Nécessaire à la mise en oeuvre de l’algorithme de détection du mode d’assemblage, un étalonnage géométrique du robot est réalisé et les paramètres estimés sont certifiés de manière ensembliste. La capacité de l’algorithme à statuer sur le mode d’assemblage final est ensuite évaluée sur des trajectoires réelles. Ces résultats sont comparés avec ceux obtenus en simulation. De plus, les lois de commande développées sont implémentées sur le robot DexTAR et testés dans des cas de figure réalistes comme les traversées multiples ou la saisie d’objets.Les propositions formulées dans ce manuscrit permettent de répondre à ces problématiques, afin de faciliter l’utilisation des méthodes d’agrandissement de l’espace de travail par traversée de singularité de Type 2. / Compared to their serial counterparts, parallel robots have the edge in terms of rigidity,cycle time and positioning precision. However, the reduced size of their operationalworkspace is a drawback that limits their use in the industry. Kinematic analysis explainshow the workspace is divided in aspects, separated from each others by so-called Type 2singularities. Among existing solutions for workspace enlargement, which are evaluatedin this thesis, we chose to work on a method based on singularity crossing. This can beachieved thanks to dedicated trajectory generators and control strategies. Yet, failuresin crossing can still happen and crossing success cannot be certified.In consequence, the first part of the thesis consists in the development of an algorithmable to state on the results of a crossing attempt. Such a tool does not exist inthe literature, since solvers for the forward kinematics of parallel robots diverge aroundsingularities. Nonetheless, interval methods allow to bypass this problem by trackingend-effector velocity alongside with its pose. The ability of the algorithm to detect assemblymode change is proven in simulation, and its usefulness for reliable trajectoryplanning is shown.In a second part, we seek to improve trajectory tracking through the use of advancedcontrol techniques. A review on those techniques showed adaptive control and predictivecontrol methods to be well-fitted to our application. Linear synthesis of articularadaptive control is proposed and then derived in order to predict dynamic parametersthanks to the Predictive Functional Control method. Efficiency of the proposed controllaws is evaluated in simulation.1In order to validate both contributions, algorithms and control laws are implementedon a 2-degree of freedom planar parallel robot named DexTAR. As it is mandatory forassembly mode detection, the kinematic calibration of the robot is completed from whichcertified geometric parameters are derived. Assembly mode detection is performed onreal trajectories and results are compared to those obtained in simulation. Moreover,adaptive and predictive control laws are tested in realistic cases of singularity crossingand object manipulation.Overall, proposed contributions answer the problems that were stated previously andform an improvement to the workspace enlargement method based on Type 2 singularitycrossing.

Les robots parallèles à câbles sont une variante originale des robots parallèles. L'utilisation de câbles en lieu et place des segments rigides procure à ce type de robots un espace de travail potentiellement très grand car des longueurs importantes de câbles peuvent être déroulées. Toutefois, dans la plupart des études sur les robots à câbles, un modèle de câble sans masse non élastique est utilisé. Si dans le cas de robots de faibles dimensions soumis à de faibles efforts, ce modèle est valide, lorsque l'on considère des applications de très grande dimension pour lesquels la masse des câbles et l'élasticité ne peuvent plus être négligées, ces modèles simples ne sont plus valables. Ces travaux de thèse proposent des nouvelles méthodes d'étude des robots parallèles à câbles de grande dimension. Dans un premier temps, des tests de traction réalisés sur différents câbles permettent de proposer différents modèles élastiques. La modélisation d'un câble par une caténaire élastique est ensuite rappelée, et l'erreur importante obtenue en négligeant la masse des câbles est mise en exergue. La modélisation par caténaire élastique bien que précise, nécessite la résolution d'un système d'équations couplées non-linéaires. Un modèle simplifié de câble pesant est alors présenté. Il permet, sous l'hypothèse de faible déflection du câble, de simplifier la résolution de l'équilibre statique d'un robot à câble. Ce modèle permet également de développer des outils utiles à la détermination de l'ensemble des torseurs d'efforts admissibles à la plate-forme d'un robot parallèle à câbles. La vérification de l'inclusion de l'ensemble des torseurs nécessaires à la réalisation d'une tâche dans l'ensemble des torseurs admissibles est finalement utilisée comme critère d'optimisation pour une méthode de conception de robots à câbles de grandes dimensions. / Cable-driven robot is an original variation of parallel robots. Replacing rigid bodies by cables provides new capabilities to these robots, and particularly large-size workspaces, since long cable lengths can be deployed. In the literature, cables are usually supposed to be inextensible and massless. If this modeling is valid for small robots with moderate payloads, this cable model is not accurate enough to be used for large dimension cable-driven robots. The work presented here focuses on the modeling of such large cable robots. First, from a set of traction tests applied to various cables, elastic models are proposed. Then, the well-know elastic catenary model is recalled, and its effects on the modeling of large dimension cable robots is shown. However, when using this cable model, solving the platform static equilibrium require the resolution of a non-linear coupled equation system. Assuming a low sagging of the cable, some simplifications can be made to this model. The resulting simplified hefty cable model is then presented and the new expression of the static equilibrium is shown to be close to the one obtained with the massless cable model. Thus, it allows us to determine the set of admissible mobile platform wrenches at a given pose. By comparing this set to the set of required wrenches for a specific task a cost function is finally defined and used in a design procedure dedicated to large dimension cable-driven robots.

L’industrie offshore, pétrolière et gazière est le principal utilisateur des robots sous-marins, plus particulièrement de véhicules télé-opérés (ou ROV, Remotely Operated Vehicle). L'inspection, la construction et la maintenance de diverses installations sous-marines font parties des applications habituelles des ROVs dans l’industrie offshore. La capacité à maintenir un positionnement stable du véhicule ainsi qu’à soulever et déplacer des charges lourdes est essentielle pour certaines de ces applications. Les capacités de levage des ROVs sont cependant limitées par la puissance de leur propulsion. Dans ce contexte, cette thèse présente un nouveau concept d’actionnement hybride constitué de câbles et de propulseurs. Le concept vise à exploiter les fortes capacités de levage des câbles, actionnés par exemple depuis des navires de surfaces, afin de compléter l’actionnement d’un robot sous-marin. Plusieurs problèmes sont soulevés par la nature hybride (câbles et propulseurs) de ce système d'actionnement. En particulier, nous étudions l’effet de l'actionnement supplémentaire des câbles par rapport à un actionnement exploitant uniquement des propulseurs et nous tâchons de minimiser les efforts exercés par ces derniers. Ces deux objectifs sont les principales contributions de cette thèse. Dans un premier temps, nous modélisons la cinématique et la dynamique d'un robot sous-marin actionné à la fois par des propulseurs et des câbles et équipé d'un bras manipulateur. Un tel système possède une redondance cinématique et d'actionnement.. L'étude théorique sur l'influence de l'actionnement supplémentaire par câbles est appuyée par une étude en simulation, comparant les capacités de force d'un système hybride (câbles et propulseurs) à celles d'un système actionné uniquement par des propulseurs. L'évaluation des capacités est basée sur la détermination de l'ensemble des forces disponibles, en considérant les limites des forces d'actionnement. Une nouvelle méthode de calcul est proposée, pour déterminer l'ensemble des forces disponibles. Cette méthode est basée sur le calcul de la projection orthogonale de polytopes et son coût calculatoire est analysé et comparé à celui d'une méthode de l’état de l’art. Nous proposons également une nouvelle méthode pour le calcul de la distribution des forces d'actionnement, permettant d'affecter une priorité supérieure au sous-système d'actionnement par câbles afin de minimiser les efforts exercés par les propulseurs. Plusieurs cas d'études sont proposés pour appuyer les méthodes proposées. / The offshore industry for oil and gas applications is the main user of underwater robots, particularly, remotely operated vehicles (ROVs). Inspection, construction and maintenance of different subsea structures are among the applications of ROVs in this industry. The capability to keep a steady positioning as well as to lift and deploy heavy payloads are both essential for most of these applications. However, these capabilities are often limited by the available on-board vehicle propulsion power. In this context, this thesis introduces the novel concept of Hybrid Cable-Thruster (HCT)-actuated Underwater Vehicle-Manipulator Systems (UVMS) which aims to leverage the heavy payload lifting capabilities of cables as a supplementary actuation for ROVs. These cables are attached to the vehicle in a setting similar to Cable-Driven Parallel Robots (CDPR). Several issues are raised by the hybrid vehicle actuation system of thrusters and cables. The thesis aims at studying the impact of the supplementary cable actuation on the capabilities of the system. The thesis also investigate how to minimize the forces exerted by thrusters. These two objectives are the main contributions of the thesis. Kinematic, actuation and dynamic modeling of HCT-actuated UVMSs are first presented. The system is characterized not only by kinematic redundancy with respect to its end-effector, but also by actuation redundancy of the vehicle. Evaluation of forces capabilities with these redundancies is not straightforward and a method is presented to deal with such an issue. The impact of the supplementary cable actuation is validated through a comparative study to evaluate the force capabilities of an HCT-actuated UVMS with respect to its conventional UVMS counterpart. Evaluation of these capabilities is based on the determination of the available forces, taking into account the limits on actuation forces. A new method is proposed to determine the available force set. This method is based on the orthogonal projection of polytopes. Moreover, its computational cost is analyzed and compared with a standard method. Finally, a novel force resolution methodology is introduced. It assigns a higher priority to the cable actuation subsystem, so that the forces exerted by thrusters are minimized. Case studies are presented to illustrate the methodologies presented in this thesis.

Pendant les dernières décennies, le travail d'une partie toujours croissante de chercheurs qui s'occupent de robotique s'est focalisé sur un groupe spécifique de robots qui fait partie de la famille des manipulateurs parallèles: les robots à câbles. Malgré les nombreuses études que l'on a consacrées à ce sujet, ces robots présentent encore aujourd'hui plusieurs problématiques complètement ou partiellement irrésolues. En particulier l'étude de leur cinématique, qui se révèle déjà complexe pour les manipulateurs parallèles traditionnels, est rendu encore plus compliqué par la nature non linéaire des câbles qui peuvent seulement exercer des efforts de traction. Le travail présenté dans cette thèse concentre donc son attention sur l'étude de la cinématique des robots à câbles et sur la mise au point de techniques numériques capables d'aborder une partie des problématiques liées à cela. La plupart du travail se concentre sur l'élaboration d'un algorithme pour la résolution du problème géométrique direct pour n'importe quel manipulateur à câbles qui se fonde sur l'analyse par intervalles. Cette technique d'analyse permet non seulement de résoudre rapidement le problème mais également de garantir les résultats obtenus en cas d'erreurs d'élimination et d'arrondi et de prendre en considération les incertitudes éventuellement présentes dans le modèle du problème. Le code développé a été testé grâce à un petit prototype de manipulateur à câbles dont la réalisation, qui a eu lieu pendant le parcours de doctorat, est décrite à l'intérieur du mémoire en accord avec la phase de conception du projet et de simulation. / In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can transmit forces only when they are taut. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis-based procedure for the solution of the direct geometric problem (DGP) of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with its design and simulation phases.