Cette thèse s'attarde sur plusieurs aspects de la collaboration humain-robot, dont le développement d'interfaces de contrôle, la conception de robots plus sécuritaires ainsi que le développement d'algorithmes de contrôle. Le tout est réparti sur 7 chapitres. Le premier chapitre présente une brève introduction ainsi que la méthodologie employée au cours de la thèse. Le deuxième chapitre présente une méthode d'équilibrage statique par contrepoids. Une transmission hydraulique permet de déporter facilement le contrepoids à l'extérieur de l'espace de travail du système équilibré. L'utilisation de cylindres à membrane permet une transmission fluide avec un minimum de friction. Dans le troisième chapitre, nous exploitons ce principe d'équilibrage pour développer un bras de robot sériel à 7 ddls. Deux mécanismes d'équilibrage sont proposés et testés d'abord sur des bancs d'essai puis sur le prototype final. Un banc d'équilibrage à deux plateaux permet d'ajuster la pression des cylindres avec une seule charge mobile pour s'adapter à la masse soulevée par le bras. Dans le quatrième chapitre, nous développons un algorithme de commande exploitant la redondance du bras développé précédemment. Puisque les critères courants d'exploitation de la redondance dépendent de la situation, nous laissons le soin à l'opérateur de gérer lui-même cette redondance. Notre algorithme implémente une commande standard en admittance qui combat les perturbations indésirables à l'effecteur. Cependant, elle permet aux perturbations qui n'affectent pas la position de l'effecteur de modifier la configuration du robot. Le cinquième chapitre présente le développement d'un capteur tactile à base de silicone et noir de carbone. Les propriétés du mélange de silicone et noir de carbone sont étudiées afin d'optimiser la sensibilité du matériau. Nous proposons ensuite un modèle mathématique de la piézorésistivité du matériau afin d'estimer la pression appliquée et nous présentons des méthodes de fabrication du capteur et d'acquisition des signaux. Dans le sixième chapitre, nous développons un système de freinage passif adapté aux systèmes de ponts roulants. Le système permet d'appliquer à la charge transportée une force de freinage proportionnelle à sa vitesse. Une interface de contrôle intuitive permet à l'opérateur d'activer le système au besoin. Le septième chapitre présente une brève conclusion de la thèse.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Cette thèse présente les travaux de recherche doctorale en génie mécanique de Louis- Alexis Allen Demers effectués au Laboratoire de robotique de l’Université Laval sous la supervision du professeur Clément Gosselin. Cette étude comporte la synthèse, l’optimisation et le prototypage d’une main robotique sous-actionnée à cinq doigts. Le principe du sousactionnement mécanique est utilisé pour développer une main robotique qui a des capacités de préhension similaires à la main humaine, tout en limitant le nombre d’actionneurs requis pour la commander. Cette main a des dimensions semblables à la main humaine de manière à ce qu’elle soit fonctionnelle dans un milieu conçu pour les humains. De plus, une adaptation de la prise de la main est possible, autant en modifiant la force de préhension que la position des doigts et du pouce. L’analyse statique d’un doigt sous-actionné est d’abord effectuée. Plus particulièrement, les conditions permettant d’atteindre une prise stable pour laquelle toutes les forces de contact sont positives sont obtenues. Ainsi, les valeurs optimales pour les dimensions des poulies sont déterminées en fonction des longueurs des phalanges et des distributions élémentaires de forces établies. En utilisant ces deux distributions complémentaires efficacement, l’éjection de l’objet à saisir par un doigt à trois phalanges et deux réseaux de tendons est évitée. Par la suite, le problème général de positionnement d’un axe de rotation permettant d’obtenir des poses initiale et finale imposées est résolu. Cette analyse géométrique permet de concevoir un système de rotation du pouce afin d’obtenir les différentes configurations typiques de la main humaine. Un système d’abduction des doigts soit complètement plan, soit un hybride sphérique-plan est ensuite couplé à ce mécanisme. Ces architectures sont analysées afin de s’assurer d’obtenir les amplitudes d’abduction imposées ainsi que de minimiser l’erreur de coordination entre les métacarpiens. En dernier lieu, les différents mécanismes conçus dans cette thèse sont fabriqués, en plus d’un prototype de poignet et de système de sous-actionnement entre les doigts. Le prototype de main intégrant toutes ces parties est finalement utilisé pour prendre différents types d’objets. / This thesis presents the doctoral research in Mechanical Engineering of Louis-Alexis Allen Demers completed at the Laboratoire de robotique of Université Laval under the supervision of Prof. Clément Gosselin. This project covers the synthesis, optimization and prototyping of a five-finger robotic hand. The principles of mechanical underactuation are used to develop a robotic hand that has grasping capabilities similar to that of the human hand, while limiting the number of actuators required to control it. This hand has dimensions similar to those of the human hand in order to be functional in an environment designed for humans. In addition, an adaptation of the hand grip is possible, either by changing the grasping force or by varying the position of the fingers and thumb. A static analysis of an underactuated finger is first performed. In particular, the conditions for achieving stable grasp in which all contact forces are positive are obtained. Thus, the optimal values for the dimensions of the pulleys as a function of the lengths of the phalanges and the primary force distributions established are determined. Using these two complementary distributions effectively, the ejection of the object to be grasped by a finger with three phalanges and two tendon networks is avoided. Then, the general problem of positioning an axis of rotation to obtain initial and final prescribed poses is solved. This geometric analysis allows to design a system of rotation of the thumb in order to obtain the various typical configurations of the human hand. A system of abduction of the fingers, first completely planar, than a hybrid planar-spherical mechanism is then coupled with this mechanism. These architectures are analyzed in order to ensure that they can provide the prescribed abduction amplitudes and that the coordination error between the metacarpals is minimized. Finally, the various mechanisms designed in this thesis are built, in addition to a prototype of a wrist and the mechanism of underactuation between the fingers. The prototype hand integrating all these parts is ultimately used to grasp different types of objects.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020 / Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés. / Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.