Orientador: Prof. Dr. Magno Enrique Mendoza Meza / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2017. / Este trabalho apresenta (i) a implementação de uma mão robótica humana produzida por impressora 3D com a caracterização de sensores flexíveis e de força e os respectivos algoritmos de operação; (ii) a modelagem cinemática e desenvolvimento de seu simulador; (iii) a modelagem dinâmica e seu respectivo simulador e (iv) simulações numéricas da dinâmica de contato entre a ponta do dedo da mão e um objeto. A aplicação da tecnologia de impressão 3D é crescente na medicina. Para criar proteses mais naturais adiciona-se o conhecimento de outras areas como robotica e sistemas de controle. Os sensores flexíveis sao necessarios para adquirir o sinal de referência para o posicionamento dos dedos por meio de uma luva na qual estes sensores encontram-se fixados. Os de forca sao usados para controlar a m~o com base na forca que se deseja aplicar ao segurar um objeto, seu comportamento foi estudado e a curva de cada sensor obtido experimentalmente. O microcontrolador Arduino® é responsavel pela aquisição de dados dos sensores e pelo acionamento dos servomotores que movimentam os dedos. A modelagem cinematica da mao robotica foi realizada com base na convenção de Denavit-Hartenberg e a modelagem dinamica com uso das equações de Euler-Lagrange a partir das funções de energia. Os simuladores foram criados com uso de Matlab/Simulink®, os quais permitem verificar os modelos cinematico e dinamico obtidos, todavia, dada a complexidade matematica envolvida na modelagem foi criado um programa para realizar os passos matematicos; fornecer o codigo para os simuladores criados; e um breve relatorio com as equações resultantes para rápida verficação, ou com os resultados das simulções numericas. O modelo com restriçãoo ao movimento é obtido adicionando multiplicadores de Lagrange à função Lagrangiana de energia de acordo com as equações de restrição ao movimento, esses multiplicadores fornecem a força de contato. O instante da colisão é modelado para a correta execução da dinâmica dos corpos acoplados. Dois modelos foram obtidos (i) um modelo simplificado que conserva o momento linear entre a a ultima articulaçõa e a barreira e que atualiza as velocidades das outras articulações como uma fração das velocidades que antecedem o impacto; (ii) um modelo completo, o qual considera-se todos os torques e distancias envolvidas para a atualização das velocidades. Os resultados mostraram que o modelo simplificado é capaz de obter resultados proximos do modelo completo dependendo do ajuste do parametro que define a fração de velocidades. Testes utilizando uma simplificação das não linearidades para angulos e velocidades pequenos se mostraram satisfatorios somente quando o sistema nao entrar em contato com a barreira. / This works presents (i) the implementation of a robotic hand made by a 3D-Printer with the characterization of flexible and force sensors and the respective algorithms of operation, (ii) the kinematic modeling and its simulator development, (iii) the dynamic modeling and its respective simulator and (iv) numerical simulations of contacts dynamics between the fingertip of the hand with an object. Applications of this technology are increasing worldwide in medicine. To create more natural prostheses it is added knowledge from other areas such as robotics and control systems. Flexible sensors are needed to acquire the reference signal to move each finger from a glove in which these sensors are assembled. Force sensors are used to control the hand reading the applied force when it is desired to hold an object. The microcontroller Arduino® is responsible for acquiring data from the sensors and actuation of servomotors that move the fingers. Kinematic modeling of the prosthesis was based on Denavit-Hartenberg convention and dynamic modeling with use of the Euler-Lagrange from energy functions. The simulators were created with use of Matlab/Simulink®, they allow to verify the kinematic and dynamic models obtained, however, given the mathematical complexity involved in modeling, it was created a program to perform mathematical steps; to provide the code to simulator's blocks; and a short report with the resulting equations for simple checking, or with simulations results. The move constrained model is obtained adding Lagrange multipliers to the Lagrangian energy function accordingly to the restriction equations, these multipliers provide the contact force. The collision instant is modeled to the correct execution of the coupled bodies dynamics. Two models was made (i) one simplifoed model holding only the linear momentum conservation between the last articulation and the barrier,which updates other velocities as a fraction of the velocity before impact; (ii) one complete model, that evaluates every torque and distance of the bodies to update each velocities. The results show the simplified model is able to achieve similar results of the complete model depending of the adjustment of the parameter that denes the fraction of velocities. Some tests with a simplification of nonlinearities for small angles and velocities was made, although results were only satisfactory when no contact happens.

Orientador: Suely Cunha Amaro Mantovani / Resumo: Neste trabalho apresenta-se uma abordagem para o mapeamento da cinemática inversa utilizando Redes Neurais Artificiais do tipo Perceptron Multicamadas na configuração em paralelo, tendo como referência o protótipo de um manipulador robótico de 5 graus de liberdade, composto por sete servomotores controlado pela plataforma de desenvolvimento Intel® Galileo Gen 2. As equações da cinemática inversa, normalmente apresentam múltiplas soluções, desta forma, uma solução interessante e frequentemente encontrada na literatura são as Redes Neurais Artificiais (RNA) em razão da sua flexibilidade e capacidade de aprendizado por meio do treinamento. As Redes Neurais são capazes de entender a relação cinemática entre o sistema de coordenadas das juntas e a posição final da ferramenta do manipulador. Para avaliar a eficiência do método proposto foram realizadas simulações no software MATLAB, as quais demostram pelos resultados obtidos e comparações a uma RNA do tipo MLP simples, aproximadamente redução das médias dos erros das juntas em até 87,8% quando aplicado à trajetória e 80% quando aplicado a pontos distribuídos no volume de trabalho. / Abstract: This paper presents an approach to the mapping of inverse kinematics using Artificial Neural Networks Multilayer Perceptron in parallel configuration, in the prototype of a robotic manipulator 5 degrees of freedom, as reference, composed of seven servomotors controlled by development board Intel® Galileo Gen 2. The equations of inverse kinematics, usually have multiple solutions, therefore, an interesting solution and often found in the literature are the Artificial Neural Networks (ANN) because of their flexibility and learning capacity through training. Neural Networks are able to understand the kinematic relationship between the coordinate system of the joints and the final position of the manipulator tool. To evaluate the efficiency of the proposed, simulations in MATLAB software are performaded, that demonstrate by the results obtained and compared to a simple MLP type RNA, one reduction in mean errors of the joints by up to 87.8% when applied to the path and 80% when applied to points distributed in the work space. / Mestre

[pt] Neste trabalho é abordado o problema do controle durante o período de transição de contato em manipuladores robóticos. Tipicamente é o controlador de força que deve atuar durante o período transiente, no entanto esse controlador não está preparado para lidar com o fenômeno altamente não-linear que representam os impactos e as perdas de contato. No trabalho, inicialmente é feita uma análise do desempenho e estabilidade dos controladores de força convencionais durante a transição de contato. Essa análise é baseada em modelos simplificados: um de manipulador rígido e outro de flexível. É mostrado que os impactos não originam instabilidade dinâmica mas podem deteriorar severamente o desempenho do sistema. Posteriormente, com a finalidade de obter modelos mais realistas que validassem a efetividade de novos controladores, é desenvolvido um modelo para um manipulador rígido-flexível de dois elos em que se colocam pastilhas piezoelétricas coladas ao longo do braço flexível. Também são estudados modelos de contato. Finalmente, são apresentados três novos controladores que são projetados especificamente para lidar com os impactos e perdas de contato que aparecem na transição de contato. A idéia do primeiro controlador é detectar o primeiro impacto e a partir dele reformular a trajetória que a extremidade do manipulador deverá seguir para atingir a superfície do meio com velocidade mínima, evitando assim outros impactos. O projeto deste controlador é feito usando a teoria de controle ótimo. O segundo controlador baseia-se na linearização do movimento de um manipulador flexível em torno do movimento do manipulador considerado rígido. A equação resultante é usada para projetar um controlador de posição de alta precisão que permite evitar, ou diminuir, a severidade do impacto inicial. A idéia do terceiro controlador é amortecer ativamente a parte flexível do manipulador através das pastilhas piezoelétricas que funcionam como atuadores e sensores colocados de maneira a garantir estabilidade em presença de dinâmica residual. O projeto do controlador é formulado como um problema de otimização que é resolvido através de técnicas de programação não-linear. / [en] In this work it is considered the problem of control during the contact transition period in robotic manipulators. Typically it is the force controller that acts during the transient period, however that controller is not prepared to deal effectively with impacts and losses of contact. In this work, it is initially performed an analysis of the stability and performance of conventional force controllers working during the contact transition. The analysis is based on simplified models for rigid and flexible manipulators. It is proved that the impacts do not cause dynamic instability, but they can severely degrade the system performance. Later, with the purpose of getting more realistic models to validate the effectiveness of new controllers, a model of a two-link rigid-flexible manipulator is developed considering glued piezoelectric sheets along the flexible arm. Contact models are also studied. Finally, three new controllers are presented which are designed to specifically deal with impacts and losses of contact during the contact transition period. The main idea of the first controller is to identify the first and unavoidable impact and then to reformulate the trajectory that the endeffector will follow to approach the collision surface with a minimum velocity, thus preventing new impacts. The controller is designed by using the theory of optimal control. The second controller is based on the equation of the motion of a flexible manipulator linearized around the motion of the manipulator when all the links are considered rigid. The obtained equation is used to design a high precision position controller to prevent or lessen the severity of the initial impact. The idea of the third controller is to actively damp the flexible part of the manipulator through the piezoelectric sheets that act as collocated actuators and sensors, this way the stability in presence of residual dynamics is guaranteed. The controller design is formulated as an optimization problem that is solved through nonlinear programming techniques.

O problema da tolerância a falhas em robôs manipuladores cooperativos conectados rigidamente a um objeto indeformável é estudado nesta tese. A tolerância a falhas é alcançada através de reconfiguração do sistema de controle. Primeiro, a falha é detectada e isolada. Então, o sistema de controle é reconfigurado de acordo com a falha isolada. As falhas em robôs manipuladores são primeiramente estudadas de acordo com suas consequências no sistema cooperativo. Quatro tipos de falhas são identificados: juntas com balanço livre (sem atuadores ativos), bloqueadas, com informação incorreta de posição e com informação incorreta de velocidade. A detecção e a isolação dos dois primeiros tipos de falhas são alcançadas através de um sistema utilizando redes neurais artificiais. Redes do tipo MLP são empregadas para mapear a dinâmica dos robôs cooperativos sem falhas e uma rede RBF é utilizada para a classificação do vetor de resíduos. As falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são detectadas e isoladas através do uso das restrições impostas pela cadeia cinemática fechada presente no sistema cooperativo. Quando falhas do tipo juntas com balanço livre ou bloqueadas são isoladas, as leis de controle são reconfiguradas. Para estes casos, controladores híbridos de movimento e esmagamento do objeto são deduzidos. Quando falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são isoladas, as medidas afetadas são substituídas por valores estimados. Resultados obtidos em simulações e em robôs cooperativos reais mostram que a metodologia proposta é viável. / The problem of fault tolerance in cooperative manipulators rigidly connected to an undeformable load is addressed in this work. Fault tolerance is reached by reconfiguration of the control system. The faults are firstly detected and isolated. Then, the control system is reconfigured according to the isolated fault. Four faults are considered: free-swinging joint faults, locked joint faults, incorrectly measured joint position faults, and incorrectly measured joint velocity faults. Free-swinging and locked joint faults are detected and isolated by artificial neural networks. MLP’s are utilized to reproduce the dynamics of the fault-free system and an RBF is used to classify the residual vector. Incorrectly measured joint position and velocity faults are detected and isolated based on the kinematic constraints imposed on the cooperative system. When free-swinging and locked joint faults are isolated, the control laws are reconfigured. Control laws for motion and squeeze of the object are developed in these cases. When incorrectly measured joint position faults and incorrectly measured joint velocity faults are isolated, the faulty measurements are replaced by their estimates. Results obtained in simulations and in real cooperative robots indicate that the proposed methodology is viable.

O problema da tolerância a falhas em robôs manipuladores cooperativos conectados rigidamente a um objeto indeformável é estudado nesta tese. A tolerância a falhas é alcançada através de reconfiguração do sistema de controle. Primeiro, a falha é detectada e isolada. Então, o sistema de controle é reconfigurado de acordo com a falha isolada. As falhas em robôs manipuladores são primeiramente estudadas de acordo com suas consequências no sistema cooperativo. Quatro tipos de falhas são identificados: juntas com balanço livre (sem atuadores ativos), bloqueadas, com informação incorreta de posição e com informação incorreta de velocidade. A detecção e a isolação dos dois primeiros tipos de falhas são alcançadas através de um sistema utilizando redes neurais artificiais. Redes do tipo MLP são empregadas para mapear a dinâmica dos robôs cooperativos sem falhas e uma rede RBF é utilizada para a classificação do vetor de resíduos. As falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são detectadas e isoladas através do uso das restrições impostas pela cadeia cinemática fechada presente no sistema cooperativo. Quando falhas do tipo juntas com balanço livre ou bloqueadas são isoladas, as leis de controle são reconfiguradas. Para estes casos, controladores híbridos de movimento e esmagamento do objeto são deduzidos. Quando falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são isoladas, as medidas afetadas são substituídas por valores estimados. Resultados obtidos em simulações e em robôs cooperativos reais mostram que a metodologia proposta é viável. / The problem of fault tolerance in cooperative manipulators rigidly connected to an undeformable load is addressed in this work. Fault tolerance is reached by reconfiguration of the control system. The faults are firstly detected and isolated. Then, the control system is reconfigured according to the isolated fault. Four faults are considered: free-swinging joint faults, locked joint faults, incorrectly measured joint position faults, and incorrectly measured joint velocity faults. Free-swinging and locked joint faults are detected and isolated by artificial neural networks. MLP’s are utilized to reproduce the dynamics of the fault-free system and an RBF is used to classify the residual vector. Incorrectly measured joint position and velocity faults are detected and isolated based on the kinematic constraints imposed on the cooperative system. When free-swinging and locked joint faults are isolated, the control laws are reconfigured. Control laws for motion and squeeze of the object are developed in these cases. When incorrectly measured joint position faults and incorrectly measured joint velocity faults are isolated, the faulty measurements are replaced by their estimates. Results obtained in simulations and in real cooperative robots indicate that the proposed methodology is viable.

Orientador: Suely Cunha Amaro Mantovani / Resumo: No estudo dos manipuladores são utilizados os conceitos da cinemática direta e a inversa. No cálculo da cinemática direta tem-se a facilidade da notação de Denavit-Hartenberg, mas o desafio maior é a resolução da cinemática inversa, que se torna mais complexa conforme aumentam os graus de liberdade do manipulador, além de apresentar múltiplas soluções. As variáveis angulares obtidas pelas equações da cinemática inversa são utilizadas pelo controlador, para posicionar o órgão terminal do manipulador em um ponto específico de seu volume de trabalho. Na busca de alternativas para contornar estes problemas, neste trabalho utilizam-se os Modelos Adaptativos de Inferência Neuro-Fuzzy - ANFIS para a resolução da cinemática inversa, por meio de simulações, para obter o posicionamento de um manipulador robótico de 5 graus de liberdade, composto por sete servomotores controlados pela plataforma de desenvolvimento Intel® Galileo Gen 2, usado como caso de estudo. Nas simulações usamse ANFIS com uma arquitetura com três e quatro funções de pertinência de entrada, do tipo gaussiana. O desempenho da arquitetura da ANFIS implementada foi comparado com uma Rede Perceptron Multicamadas, demonstrando com os resultados favoráveis a ANFIS, a sua capacidade de aprender e resolver com baixo erro quadrático médio e com precisão, a cinemática inversa para o manipulador em estudo. Verifica-se também, que a performance das ANFIS melhora, quanto à precisão dos resultados, demonstrado pelo desvio médio d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In the study of manipulator’s, the concepts of direct and inverse kinematics are used. In the computation of forward kinematics, it has of the ease of Denavit-Hartenberg notation, but the biggest challenge is the resolution of the inverse kinematics, which becomes more complex as the manipulator's degrees of freedom increase, besides presenting multiple solutions. The angular variables obtained by the inverse kinematics equations are used by the controller to position the terminal organ of the manipulator at a specific point in its work volume. In the search for alternatives to overcome these problems, in this work, the Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Models (ANFIS) are used to solve the inverse kinematics, by means of simulations, to obtain the positioning of a robot manipulator of 5 degrees of freedom, consisting of seven servomotors controlled by the Intel® Galileo Gen 2 development platform, used as a case's study . In the simulations ANFIS's architecture are used three and four Gaussian membership functions of input. The performance of the implemented ANFIS architecture was compared to a Multi-layered Perceptron Network, demonstrating with the favorable results the ANFIS, its ability to learn and solve with low mean square error and with precision, the inverse kinematics for the manipulator under study. It is also verified that the performance of the ANFIS improves, as regards the accuracy of the results in the training process, , demonstrated by the mean deviation of the... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de controle capaz de realizar o apontamento automático de uma antena parabólica de forma mais precisa e com menor tempo de apontamento quando comparado ao apontamento manual. A antena parabólica em estudo consta de uma parábola metálica de 1.60 m de diâmetro, base de sustentação em ferro, dois conjuntos de engrenagens e dois motores elétricos para realização dos movimentos. Os parâmetros físicos do sistema mecânico, tais como massa, volume e inércia, puderam ser facilmente obtidos a partir de uma modelagem tridimensional em um software de plataforma CAD. Para a modelagem dinâmica do sistema utilizou-se a similaridade do sistema físico em estudo com um manipulador de cadeia aberta de dois graus de liberdade o que permitiu que se aplicassem conceitos referentes a cinemática e modelagem de manipuladores robóticos. Através da notação de Denavit-Hartenberg a cinemática direta da antena com dois graus de liberdade foi obtida com sucesso. As equações dinâmicas que descrevem o movimento do sistema foram levantadas através de um modelador automático implementado em um software de manipulação simbólica. Para tanto foi desenvolvido um algoritmo que descreve os passos necessários para obtenção das equações de movimento de um manipulador robótico em cadeia aberta, a partir da formulação Lagrangeana. Um sistema de controle adaptativo por modelo de referência foi projetado e implementado considerando as incertezas do modelo oriundas de imperfeições contidas na modelagem tridimensional realizada. Os resultados obtidos por simulação do sistema de controle adaptativo se mostraram satisfatórios e os índices de desempenho esperados para um perfeito apontamento foram alcançados. / The objective of this work is to develop a control system capable of performing the automatic maneuver of a satellite dish more accurately with less time maneuvering when compared to manual maneuver. The dish consists of a study on metal parabola 1.60 m in diameter, base of support in iron, two sets of gears and two electric motors to perform the movements. The physical parameters of the mechanical system, such as mass, volume and inertia could be easily obtained from a three-dimensional modeling in a CAD software platform. For modeling the system dynamics we used the similarity of the physical system under study with an open chain manipulator of two degrees of freedom that allowed it to apply concepts related to kinematics and modeling of robotic manipulators. Through the Denavit-Hartenberg notation of the direct kinematics of the antenna with two degrees of freedom was successfully obtained. The dynamic equations describing the motion of the system were raised through an automatic model implemented in symbolic manipulation software. To that end, an algorithm that describes the steps necessary to obtain the equations of motion of a robotic manipulator in open chain, from the Lagrangian method, was developed. A model reference adaptive control system was designed and implemented considering the uncertainties of the model arising from imperfections within the three-dimensional modeling. The results obtained by simulation of the system of closed loop control were satisfactory as well as the high rates of the perfect maneuver have been achieved.

Neste trabalho, um novo enfoque para detecção e diagnóstico de falhas (DDF) em robôs manipuladores é apresentado. Um robô com falhas pode causar sérios danos e pode colocar em risco o pessoal presente no ambiente de trabalho. Geralmente, os pesquisadores têm proposto esquemas de DDF baseados no modelo matemático do sistema. Contudo, erros de modelagem podem ocultar os efeitos das falhas e podem ser uma fonte de alarmes falsos. Aqui, duas redes neurais artificiais são utilizadas em um sistema de DDF para robôs manipuladores. Um perceptron multicamadas treinado por retropropagação do erro é usado para reproduzir o comportamento dinâmico do manipulador. As saídas do perceptron são comparadas com as variáveis medidas, gerando o vetor de resíduos. Em seguida, uma rede com função de base radial é usada para classificar os resíduos, gerando a isolação das falhas. Quatro algoritmos diferentes são empregados para treinar esta rede. O primeiro utiliza regularização para reduzir a flexibilidade do modelo. O segundo emprega regularização também, mas ao invés de um único termo de penalidade, cada unidade radial tem um regularização individual. O terceiro algoritmo emprega seleção de subconjuntos para selecionar as unidades radiais a partir dos padrões de treinamento. O quarto emprega o mapa auto-organizável de Kohonen para fixar os centros das unidades radiais próximos aos centros dos aglomerados de padrões. Simulações usando um manipulador com dois graus de liberdade e um Puma 560 são apresentadas, demostrando que o sistema consegue detectar e diagnosticar corretamente falhas que ocorrem em conjuntos de padrões não-treinados. / In this work, a new approach for fault detection and diagnosis in robotic manipulators is presented. A faulty robot could cause serious damages and put in risk the people involved. Usually, researchers have proposed fault detection and diagnosis schemes based on the mathematical model of the system. However, modeling errors could obscure the fault effects and could be a false alarm source. In this work, two artificial neural networks are employed in a fault detection and diagnosis system to robotic manipulators. A multilayer perceptron trained with backpropagation algorithm is employed to reproduce the robotic manipulator dynamical behavior. The perceptron outputs are compared with the real measurements, generating the residual vector. A radial basis function network is utilized to classify the residual vector, generating the fault isolation. Four different algorithms have been employed to train this network. The first utilizes regularization to reduce the flexibility of the model. The second employs regularization too, but instead of only one penalty term, each radial unit has a individual penalty term. The third employs subset selection to choose the radial units from the training patterns. The forth algorithm employs the Kohonen’s self-organizing map to fix the radial unit center near to the cluster centers. Simulations employing a two link manipulator and a Puma 560 manipulator are presented, demonstrating that the system can detect and isolate correctly faults that occur in nontrained pattern sets.

Neste trabalho, um novo enfoque para detecção e diagnóstico de falhas (DDF) em robôs manipuladores é apresentado. Um robô com falhas pode causar sérios danos e pode colocar em risco o pessoal presente no ambiente de trabalho. Geralmente, os pesquisadores têm proposto esquemas de DDF baseados no modelo matemático do sistema. Contudo, erros de modelagem podem ocultar os efeitos das falhas e podem ser uma fonte de alarmes falsos. Aqui, duas redes neurais artificiais são utilizadas em um sistema de DDF para robôs manipuladores. Um perceptron multicamadas treinado por retropropagação do erro é usado para reproduzir o comportamento dinâmico do manipulador. As saídas do perceptron são comparadas com as variáveis medidas, gerando o vetor de resíduos. Em seguida, uma rede com função de base radial é usada para classificar os resíduos, gerando a isolação das falhas. Quatro algoritmos diferentes são empregados para treinar esta rede. O primeiro utiliza regularização para reduzir a flexibilidade do modelo. O segundo emprega regularização também, mas ao invés de um único termo de penalidade, cada unidade radial tem um regularização individual. O terceiro algoritmo emprega seleção de subconjuntos para selecionar as unidades radiais a partir dos padrões de treinamento. O quarto emprega o mapa auto-organizável de Kohonen para fixar os centros das unidades radiais próximos aos centros dos aglomerados de padrões. Simulações usando um manipulador com dois graus de liberdade e um Puma 560 são apresentadas, demostrando que o sistema consegue detectar e diagnosticar corretamente falhas que ocorrem em conjuntos de padrões não-treinados. / In this work, a new approach for fault detection and diagnosis in robotic manipulators is presented. A faulty robot could cause serious damages and put in risk the people involved. Usually, researchers have proposed fault detection and diagnosis schemes based on the mathematical model of the system. However, modeling errors could obscure the fault effects and could be a false alarm source. In this work, two artificial neural networks are employed in a fault detection and diagnosis system to robotic manipulators. A multilayer perceptron trained with backpropagation algorithm is employed to reproduce the robotic manipulator dynamical behavior. The perceptron outputs are compared with the real measurements, generating the residual vector. A radial basis function network is utilized to classify the residual vector, generating the fault isolation. Four different algorithms have been employed to train this network. The first utilizes regularization to reduce the flexibility of the model. The second employs regularization too, but instead of only one penalty term, each radial unit has a individual penalty term. The third employs subset selection to choose the radial units from the training patterns. The forth algorithm employs the Kohonen’s self-organizing map to fix the radial unit center near to the cluster centers. Simulations employing a two link manipulator and a Puma 560 manipulator are presented, demonstrating that the system can detect and isolate correctly faults that occur in nontrained pattern sets.

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.