Les tendances actuelles de la robotique requièrent une opération de plus en plus rapide dans un grand espace de travail. Afin d’adresser ces exigences, la conception de trajectoires dynamiques pour des robots parallèles suspendus entraînés par des câbles (RPSC) qui peuvent s’étendre à l’extérieur de l’espace de travail statique des robots est présentée. Des stratégies sont présentées pour explorer des trajectoires pendant lesquelles les tensions de tous les câbles est garantie d’être positive afin de respecter la propriété unilatérale des câbles. Tout d’abord, la planification et la synthèse des trajectoires dynamiques périodiques sont investiguées pour des robots à trois degrés de liberté (DDL) de masse ponctuelle, des robots à trois DDL plans et des RPSC à six DDL. Sur la base d’une approche analytique, des trajectoires de translation pure et un mouvement plus complexe qui inclut des changements de position et d’orientation sont produits. Un système mécanique passif qui équivaut à un RPSC est présenté pour donner un aperçu et faciliter la conception de ces trajectoires. Il est démontré que les équations différentielles dynamiques qui gouvernent la partie de translation du mouvement pendant une trajectoire sont linéaires pour certaines conditions. Les fréquences naturelles du système linéaire équivalent sont obtenues et une généralisation des trajectoires périodiques est développée en intégrant ce système d’équations différentielles linéaires. Des trajectoires naturelles découlant d’un système à ressorts ayant une raideur constante et dont l’amplitude n’est pas restreinte sont obtenues. En utilisant cette formulation, la partie de rotation des RPSC à trois DDL plans devient un ressort non-linéaire dont la trajectoire peut être trouvée dans la littérature, ce qui réduit largement la complexité de la planification de la trajectoire. Pour les RPSC à six DDL, les angles d’inclinaison et de torsion sont utilisés pour définir les composantes de rotation des trajectoires et les conditions mathématiques correspondant aux trajectoires linéaires sont obtenues. Les trajectoires périodiques ci-dessus donnent un aperçu des propriétés fondamentales du mécanisme et peuvent être utilisées dans certaines applications spécifiques. Cependant, la plupart des situations pratiques exigent que le robot passe d’un point cible à un autre. Une technique de planification de trajectoire dynamique point à point pour obtenir une série de points pour une masse ponctuelle de trois DDL est donc proposée. Chaque segment de trajectoire est conçu pour avoir une vitesse nulle à ses points d’extrémité. Cette formulation permet des trajectoires qui s’étendent au-delà de l’espace de travail statique du robot. Un mouvement de base est introduit, qui est une fonction mathématique qui peut être adaptée pour chaque direction de coordonnées le long de chaque segment de trajectoire. Les contraintes cinématiques sont satisfaites grâce à la sélection des coefficients pour cette fonction. Les contraintes dynamiques sont imposées en définissant des régions réalisables à l’intérieur de l’espace de travail pour chaque point d’extrémité du segment, en fonction du point final précédent. Cette procédure est étendue à la planification de la trajectoire des RPSC à six DDL. Chaque segment de trajectoire est conçu pour avoir une vitesse de translation et de rotation nulle à ses points d’extrémité ; Les transitions entre chaque segment ont une accélération de translation et de rotation. En outre, une interpolation lisse et un évitement des singularités sont obtenus en utilisant une quaternion unitaire pour représenter la composante de rotation des trajectoires. Ensuite, une technique de planification de la trajectoire de transition dynamique pour les RPSC de masse ponctuelle à trois DDL est proposée pour satisfaire une application réelle où le robot doit passer d’une trajectoire à une autre. Cette trajectoire est conçue pour faire la transition automatiquement entre plusieurs trajectoires pré-générées au-delà de l’espace de travail statique en séquence avec différents points de départ, ainsi que pour offrir la capacité de démarrer à partir de, et de terminer par, une position de repos tout en assurant un mouvement continu jusqu’au niveau de l’accélération. Deux trajectoires consécutives sont impliquées dans la transition, une trajectoire source et une trajectoire cible. En utilisant des fonctions de temps appropriées, la trajectoire cible est progressivement atteinte en approchant les paramètres d’amplitude et les fréquences de ceux de la trajectoire source. En outre, pour chaque transition, le point de départ de la trajectoire source, le point d’arrivée sur la trajectoire cible et le temps de transition est optimisé pour minimiser le temps de transition tout en respectant les contraintes du robot. Un exemple est fourni pour démontrer la nouvelle technique de planification de la trajectoire dans lequel le robot doit commencer à partir d’un état de repos, exécuter deux différentes ellipses consécutives, une ligne droite et un cercle en séquence, puis revenir à l’état de repos. Enfin, une validation expérimentale des trajectoires périodiques et point-à-point est implémentée sur le prototype d’un RPSC à masse ponctuelle à trois DDL et d’un RPSC à six DDL. Des fichiers vidéo supplémentaires sont inclus pour démontrer les résultats. / In the trend that robots are required to operate at increasingly high speeds and in large workspaces, dynamic trajectories of fully actuated cable-suspended parallel robots (CSPRs) that can extend beyond the robots’ static workspace are designed. Due to the unilateral property of cables, strategies to explore trajectories during which cable tensions can be guaranteed to remain positive are proposed. The planning and synthesis of dynamic periodic trajectories are first investigated for three-DOF point-mass, three-DOF planar, and six-DOF CSPRs. Based on an analytical approach, pure translation trajectories and more complex motion that includes changes in position and orientation are produced. A passive mechanical system that is equivalent to a CSPR is introduced to provide insight and facilitate the design of such trajectories. The dynamic differential equations that govern the translational component of the trajectories are shown to become linear under some conditions. Natural frequencies of the equivalent linear system are obtained and a generalization of periodic trajectories is accomplished by the integration of the linear system of differential equations. Natural trajectories associated with equivalent springs of constant stiffness and without any restriction of the amplitude are obtained. Using this formulation, the rotational component of three-DOF planar CSPRs becomes a nonlinear spring whose trajectories can be found in literature, which largely reduces the complexity of its trajectory planning. For six-DOF CSPRs, tilt and torsion angles are used to define the rotational component of the trajectories and the mathematical conditions corresponding to the linear trajectories are obtained. The above periodic trajectories provide insight into the fundamental properties of the mechanism and can be used in some specific applications. However, most practical situations require that the robot moves from one target point to another. Thus, a point-to-point dynamic trajectory planning technique for reaching a series of points for a point-mass three-DOF CSPR is proposed. Each trajectory segment is designed to have zero velocity at its endpoints. This formulation allows for trajectories that extend beyond the static workspace of the robot. A basis motion is introduced, which is a mathematical function that can be adapted for each coordinate direction along each trajectory segment. Kinematic constraints are satisfied through the selection of the coefficients for this function. Dynamic constraints are imposed by defining feasible regions within the workspace for each segment endpoint, based on the previous endpoint. This scheme is expanded to the trajectory planning of a six-DOF CSPR. Each trajectory segment is designed to have zero translational and rotational velocity at its endpoints; transitions between segments have translational and rotational acceleration. Additionally, smooth interpolation and singularity avoidance is achieved by using a unit quaternion to represent the rotational component of the trajectories. Then, a dynamic transition trajectory planning technique for three-DOF point-mass CSPRs is proposed to satisfy a real application where the robot is required to move from one trajectory to the next. This trajectory is designed to automatically chain multiple pre-generated trajectories beyond the static workspace in sequence with different starting points, as well as have the ability of starting from/ending with a resting position, while ensuring continuity up to the acceleration level. Two consecutive target trajectories are involved in the transition trajectory by using proper time functions, such that a goal trajectory is gradually reached by approaching the amplitude parameters and frequencies from those of a source trajectory. Additionally, each transition is based on the optimization of the departure point from its source trajectory and a minimum time for the transition to its goal trajectory. An example is provided to demonstrate the novel trajectory-planning technique. The robot is requested to start from the state of rest, merge into two consecutive ellipses, a straight line and a circle in sequence and then go back to the state of rest. Finally, experimental validation of the periodic and point-to-point trajectories is implemented on the prototype of a three-DOF point-mass CSPR and a six-DOF CSPR. Supplementary video files are included to demonstrate the results.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juillet 2023) / Ce mémoire présente la modélisation et la simulation dynamique 3D de l'effecteur d'un robot humanoïde à l'aide du logiciel Simcenter Amesim. Ici, l'intérêt de modélisation et simulation porte sur un effecteur rigide pouvant entrer en contact multipoint avec son environnement et tenant lieu de mains et de pieds d'un robot humanoïde. On passe d'abord en revue les outils natifs disponibles dans Simcenter Amesim pour la gestion des contacts qui peuvent être intermittents. Les outils diffèrent selon que le modèle est en 1D, 2D ou 3D. Les outils 3D sont ensuite utilisés pour gérer les contacts multipoints entre un modèle d'effecteur simplifié et un environnement composé de plusieurs objets. Les résultats de simulation sont concluants, mais on constate des difficultés à effectuer les simulations lorsque le nombre de paires de contact est élevé. Ensuite, une extension des outils pour gérer le contact entre deux arêtes quelconques, toujours en utilisant les outils de contact natifs 3D et la programmation graphique est présentée. La technique fonctionne bien et permet, par exemple, de simuler un contact quelconque entre un effecteur et un barreau d'échelle ou entre un effecteur et une marche d'escalier.

Les robots sous-actionnés entraînés à l'aide de câbles permettent de combiner les avantages du sous-actionnement (peu d'actionneurs, simplicité) et de l'utilisation des câbles (agilité, légèreté, grand espace de travail) afin de réduire les coûts d'opération des tâches de manipulation et de manutention. Puisqu'il s'agit d'une des premières études sur le sujet, l'objectif de de ce mémoire est d'établir les bases nécessaires à la commande de tels robots à travers un mécanisme simple. Le mécanisme étudié est un robot combinant les aspects d'un pendule double à ceux d'un pendule de longueur variable, possédant trois degrés de liberté et seulement deux actionneurs. Ce dernier peut atteindre différents objectifs (position et orientation) successivement en oscillant tel un enfant sur une balançoire. Les analyses cinématique et dynamique sont d'abord présentées et validées à l'aide de simulations numériques. Puis, les différentes méthodes de planification de trajectoire sont discutées et une planification incluant des trajectoires paramétriques pour les articulations actionnées et un algorithme d'optimisation pour la liaison libre est retenue. La précision et la robustesse de la commande sont finalement démontrées à l'aide d'un robot virtuel et, enfin, d'un prototype. Au meilleur de nos connaissances, il s'agit des premiers travaux présentant la commande en temps réel de tels systèmes.

Ce mémoire présente 2 types de méthodes pour effectuer la réorientation d’un robot sériel en chute libre en utilisant les mouvements internes de celui-ci. Ces mouvements sont prescrits à partir d’algorithmes de planification de trajectoire basés sur le modèle dynamique du robot. La première méthode tente de réorienter le robot en appliquant une technique d’optimisation locale fonctionnant avec une fonction potentielle décrivant l’orientation du système, et la deuxième méthode applique des fonctions sinusoïdales aux articulations pour réorienter le robot. Pour tester les performances des méthodes en simulation, on tente de réorienter le robot pour une configuration initiale et finale identiques où toutes les membrures sont alignées mais avec le robot ayant complété une rotation de 180 degrés sur lui-même. Afin de comparer les résultats obtenus avec la réalité, un prototype de robot sériel plan flottant possédant trois membrures et deux liaisons rotoïdes est construit. Les expérimentations effectuées montrent que le prototype est capable d’atteindre les réorientations prescrites si peu de perturbations extérieures sont présentes et ce, même si le contrôle de l’orientation est effectué en boucle ouverte. / This master’s thesis presents two different types of methods to reorient a free-floating serial manipulator with internal motion using path planning algorithms based on a dynamic model of the manipulator. The first method attempts to reorient the robot with a local optimisation technique using a potential function describing the global orientation of the robot, while the second method applies sinusoidal functions to the joints of the robot in order to reorient it. The proposed methods are tested with a robot that starts from a pose in which all the links are aligned and ends with the same configuration but with the robot having completed a 180 degrees rotation. To verify the simulation results against a real robot, a prototype of a planar robot with three bodies and two revolute joints is built. The experiments conducted show that the prototype is able to achieve the prescribed reorientation if almost no external torque is applied to the system, even though the control of the orientation is implemented in an open-loop mode.

Ce mémoire traite de l'équilibrage statique adaptatif d'un manipulateur à 4 degrés de liberté destiné à une utilisation au sein d'une chaîne de montage de l'industrie automobile. Le contexte du projet ainsi que les objectifs visés sont d'abord énoncés clairement. Par la suite, différentes méthodes et architectures permettant de réaliser l'équilibrage statique sont présentées. Ces méthodes sont détaillées et une conclusion est établie quant à la faisabilité de chacune. La meilleure d'entre elles est retenue puis analysée plus en détail. Pour en valider le fonctionnement, un prototype de cette solution est également construit. Finalement, les résultats de l'expérimentation et les problèmes rencontrés lors de celle-ci sont présentés. Un retour et une discussion sur l'ensemble du travail effectué viennent conclure le tout

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.