Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Un robot entraîné par des câbles est un type de manipulateur parallèle utilisant comme moyen de transmission des câbles reliant une base fixe à une plate-forme mobile. Le contrôle coordonné des longueurs et/ou des tensions dans les câbles permet de déplacer et d'appliquer des efforts à la plate-forme. L'objectif de cette thèse est de développer des outils pour analyser, optimiser et étalonner la géométrie des robots à câbles. La géométrie est définie par les positions des points d'attache des câbles au bâti et à la plate-forme. Ces positions ont une grande importance sur différentes propriétés des mécanismes à l'étude. Durant toute la thèse, les câbles sont considérés comme droits et non fléchis. Une des premières étapes est de définir les conditions pour que cette approximation soit valide. Par la suite, des outils mathématiques permettant d'analyser la cinématique sont développés. Une méthode permettant de quantifier la sensibilité cinématique de la pose de la plate-forme à l'actionnement est présentée. Ensuite, une méthode générale permettant de déterminer la capacité d'un mécanisme à générer un ensemble de torseurs donné est expliquée. Cette méthode considère une tension minimale et maximale admissible dans chaque câble et est valide pour les mécanismes ayant entre deux et six degrés de liberté de mouvement à la plate-forme, tant que le nombre de câbles est supérieur ou égal à ce nombre de degrés de liberté. Cette capacité est une des quatre conditions pour qu'un robot puisse effectuer une tâche à une pose donnée. Les trois autres sont énoncées et expliquées. Ceci permet de développer une méthode pour l'optimisation de la géométrie en regard d'une tâche. Des méthodes d'étalonnage permettant de déterminer les points d'attache de façon expérimentale sont aussi présentées. Finalement, une application de robot à câbles permettant de numériser l'apparence 3D d'objets est décrite. Ce dernier chapitre présente l'application des outils théoriques développés précédemment, de même que quelques résultats expérimentaux.

Cette thèse présente une nouvelle approche qui permet la compensation dynamique de mécanismes à quatre barres, c'est-à-dire l'annulation de la somme des forces et moments qu'un mécanisme exerce sur son environnement. Depuis plus de trois décennies des chercheurs se penchent sur le problème de la compensation. Les premières recherches n'ont abordé que le problème de la compensation statique. Par la suite, les chercheurs ont commencé à attaquer le problème de la compensation dynamique tout en le simplifiant en imposant une vitesse constante. Suivant une évolution naturelle, le problème abordé est devenu de plus en plus général mais les mécanismes qui répondaient aux attentes sont devenus eux aussi de plus en plus complexe car on leurs greffait des contrepoids, des contre-rotations, des pantographes. De plus, les conditions trouvées permettant la compensation dynamique étaient souvent suffisantes mais pas toujours nécessaires. L'objectif de cette thèse est de trouver des contraintes de compensations dynamiques (CCD) exprimées en fonctions des paramètres physiques, qui soient nécessaires et suffisantes, sans rien ajouter au mécanisme. Un mécanisme simple sera donc utilisé pour faire la démonstration qu'il est possible de trouver des CCD nécessaires et suffisantes. L'analyse démontrera qu'il existe trois ensembles de CCD permettant la compensation dynamique des mécanismes à quatre barres. Une vérification de ces CCD faite d'une façon analytique à l'aide des équations de Lagrange et d'une façon numérique à l'aide de la méthode de Newton prouverons la validité des CCD. Par la suite, des mécanismes à cinq barres seront étudiés, par contre cette analyse sera moins fructueuse puisque les résultats démontreront que les mécanismes à cinq barres doivent avoir trois contre-rotations pour être compensés dynamiquement. Finalement, les mécanismes à quatre barres compensés dynamiquement serviront de modules pour construire des mécanismes complexes compensés dynamiquement. Des mécanismes sériels plans ainsi que des mécanismes parallèles plans à trois degrés de liberté seront présentés. Cette thèse a donc démontré qu'il était possible d'établir des contraintes de compensation dynamique nécessaires et suffisantes pour des mécanismes à quatre barres. De plus, la démonstrations a été faites que des mécanismes plan à trois degrés de liberté peuvent eux aussi être compensés dynamiquement lors qu'ils sont construits à partir de mécanismes à quatre barres. Cela met donc la première pierre à la voie qui pourrait conduire au développement de mécanismes spatiaux.

Les robots parallèles à câbles sont de plus en plus utilisés et étudiés, particulièrement dans le domaine de la recherche. Une des applications d'intérêts est leur usage en tant qu'interface haptique. Leur grand espace de travail et leur faible inertie en font de bons candidats pour en faire des interfaces de taille humaine. Une des applications intéressantes serait d'utiliser ce type d'interfaces dans le domaine de la santé, plus spécifiquement en réadaptation physique. Comme ces interfaces sont capables de reproduire des efforts à l'utilisateur, celles-ci peuvent être utilisées pour faire travailler les muscles. C'est dans cette optique que les recherches rapportées dans cette thèse ont été accomplies. Cette thèse présente donc premièrement des avancées plus générales aux mécanismes parallèles à câbles permettant leur utilisation en tant qu'interface haptique, pour ensuite se spécialiser dans la création d'un prototype d'interface haptique entraîné par câble combiné à un retour visuel immersif comme un casque de réalité virtuelle par exemple. La thèse se termine avec l'évaluation préliminaire du prototype développé qui est installé dans un centre de recherche en réadaptation physique et qui, dans un avenir rapproché, pourra servir à l'avancement de la recherche dans le domaine de la réadaptation physique. / Cable driven parallel robots are studied and used more every day, especially in the research community. One interesting application is their use as haptic interfaces. Their big workspace and relatively low inertia makes them great candidates for human scale interfaces. One application of haptic interfaces of this scale is in health and physical readaptation. Since those interfaces are able to render forces, they can be used to train or evaluate physical capabilities. Research presented in this thesis aims at furthering knowledge in this domain. Some more general advances needed to make cable driven parallel mechanisms suitable haptic interfaces are presented first and then more specific developments toward the creation of a prototype haptic interface combined with a visual feedback are presented. The thesis ends with preliminary studies on the developed prototype installed in a research facility on physical readaptation.

Ce mémoire présente le développement d'un mécanisme de type macro-mini permettant des interactions humain-robot intuitives. Le type d'architecture macro-mini permet de contrôler un robot ayant une grande impédance tel qu'une cellule robotisée cartésienne (e.g. gantry) à l'aide d'un mécanisme à plus faible impédance, réduisant considérablement l'effort devant être fourni par l'opérateur et atténuant par conséquent la fatigue de ce dernier. Le mécanisme macro-mini proposé est composé d'une cellule robotisée cartésienne ayant trois axes et d'un mécanisme parallèle découplé à trois degrés de liberté. Chacun des axes de la cellule est contrôlé à partir de mesures de position angulaire provenant d'un encodeur attaché à l'un des degrés de liberté du mécanisme parallèle. Ce type d'architecture découplé permet un contrôle simple et intuitif. Le contrôle par impédance est privilégié pour ce type d'architecture. Une comparaison expérimentale des performances entre le contrôle par impédance et par admittance utilisant des capteurs d'effort est également présentée. L'analyse des résultats obtenus démontre que le contrôle par impédance permet d'effectuer des tâches plus rapidement (facteur 2) et avec moins d'effort (facteur 20). Une analyse approfondie de la stabilité du système avec différents modèles de contrôleur par impédance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer que le contrôleur par impédance standard n'est pas stable lorsque utilisé avec l'architecture proposée. Un contrôleur alternatif a donc été développé afin de permettre un contrôle plus intuitif et stable. L'ajout d'un moteur à l'axe de rotation du mécanisme parallèle a permis la création de retour haptique à l'utilisateur a n de simuler des interactions avec des objets ou contraintes virtuelles. Ce retour haptique a également été utilisé pour varier l'impédance ressentie par l'utilisateur en ajoutant une masse virtuelle à l'effecteur du mini. Pour terminer, l'analyse de la dynamique du système est utilisée pour la détection de collision entre le mécanisme parallèle et l'environnement sans avoir recours à des capteurs d'effort. Cet élément est essentiel pour des interactions humain-robot sécuritaires. / This thesis presents the development of a novel macro-mini mechanism allowing intuitive physical human-robot interaction (pHRI). This type of architecture allows the control of a high-impedance robot such as a Cartesian gantry robot in a manufacturing environment using a smaller and lower impedance mechanism, therefore allowing a signi cant reduction of the operator's e ort and fatigue. The proposed macro-mini mechanism consists of a three-axis Cartesian gantry system (i.e. macro mechanism) and a passive three-degree-of-freedom parallel mechanism (i.e. mini mechanism). The mini mechanism is statically balanced at its workspace centre and all three degrees of freedom are decoupled. This means that the gantry axes are individually controlled using the measurement of a single angular encoder of the mini. It also means that the motion of the mini mechanism along the direction of a degree of freedom does not a ect the remaining degrees of freedom, considerably simplifying the control. The use of impedance control with this type of architecture is thoroughly described and analyzed. An experimental comparison with a standard admittance controller using a force sensor is accomplished using a simple peg-in-hole experiment. Results show that the impedance control allows a faster task completion (by a factor of 2) with smaller e ort (by a factor of 20) compared with the admittance controller. A comprehensive stability analysis is also accomplished on several designs of impedance controller, but with the same macro-mini architecture. Results demonstrate that the standard impedance controller is not stable with the proposed architecture and hence an alternative controller is introduced and evaluated. A backdrivable motor is added at the mini's joint in order to render haptic feedback to the operator. Such feedback is used to simulate virtual environment interactions such as walls and collisions with movable objects. The backdrivable motor is also used to vary the impedance felt by the user during control by adding a virtual mass at the mini mechanism end-e ector. Finally, the system's dynamic analysis is used for collision detection of the macro-mini mechanism during planned trajectory motion without the need for force sensors. This last aspect is essential for safe physical human-robot interactions.

Cette thèse propose une nouvelle famille de pantographes, les pantographes à transmission par câbles (PTC). Les PTC sont définis comme des mécanismes permettant la reproduction, selon un facteur d’échelle préétabli, de mouvements imposés à l’effecteur maître vers l’effecteur esclave en se servant de câbles comme moyen de transmission des forces. Ils peuvent être aussi présentés comme étant la communion entre les pantographes conventionnels, mécanismes constitués de membrures rigides, et les mécanismes parallèles entraînés par câbles (MPEC). L’objectif de cette thèse étant la conception de PTC combinant fiabilité d’utilisation, sécurité et faible coût de fabrication, nous avons choisi de développer des outils permettant la conception de PTC purement mécaniques, c’est-à-dire qu’aucune composante électrique n’est nécessaire afin de transmettre les efforts entre les parties maître et esclave. Plusieurs applications peuvent être d’ailleurs envisagées pour ce type de mécanismes, soient, par exemple, la télémanipulation d’objets à l’intérieur d’environnements sensibles aux perturbations électromagnétiques causées par l’activation de moteurs électriques ou tout simplement lorsque l’accès à des sources d’énergie électrique est limité. L’utilisation exclusive de câbles entre les deux parties du pantographe apporte plusieurs avantages, mais aussi quelques inconvénients qui leurs sont inhérents. Le principal désavantage des PTC est sans contredit l’unilatéralité de la transmission des forces dans les mécanismes à entraînement par câbles. Ce dernier impose une disposition réfléchie des câbles, c’est-à-dire que ceux-ci doivent supporter l’effecteur selon toutes les directions, et un niveau minimum de tension afin de conserver la géométrie du système. En général, pour les MPEC, les moteurs électriques doivent fournir un couple et une puissance constants afin de maintenir cette tension. Nous proposons donc, dans cette thèse, l’utilisation de ressorts dans l’objectif de produire cette tension sans actionneur, laissant ainsi à l’utilisateur l’application de toute charge additionnelle (par exemple, pour vaincre la friction, l’inertie ou des forces extérieures appliquées à l’effecteur). Ce concept est validé par la conception mécanique du premier prototype de PTC plan à deux degrés de liberté (DDL) et entraîné par trois câbles. Dans le but de restreindre au minimum la dépense énergétique de l’utilisateur, nous suggérons ensuite la conception et l’utilisation de ressorts non-linéaires. Une méthodologie est ainsi développée afin de déterminer le comportement idéal de ces ressorts pour à la fois maintenir les câbles en tension et approximer l’équilibrage statique du mécanisme sur son espace de travail. Ces ressorts non-linéaires sont en fait constitués de mécanismes à quatre barres et de ressorts à couples constants. À titre d’exemple, cette technique est appliquée à la conception mécanique d’une nouvelle version du PTC plan à deux DDL et entraîné par trois câbles. Lors de la conception de tout PTC (et particulièrement pour les PTC comportant un espace de travail tridimensionnel), un second inconvénient doit être pris en compte. Ce sont les interférences mécaniques entre les différents câbles reliant un même effecteur à sa base correspondante (autant pour l’effecteur maître que l’effecteur esclave) lors de déplacements en translation, en rotation ou combinés. Par conséquent, nous proposons dans cette thèse une méthode permettant de déterminer de manière géométrique les régions d’interférences entre une paire de câbles et aussi entre un câble et une arête de l’effecteur à l’intérieur de l’espace de travail du PTC pour une orientation constante de ce dernier. Il est entre autres démontré que, pour une orientation constante de l’effecteur, ces zones d’interférences sont définies par des segments de plans et de lignes à l’intérieur de l’espace de travail. Cette méthode permet alors de prévoir, de manière exacte et très rapide, les lieux d’interférences pour un PTC donné et elle fournit un puissant outil lors de l’optimisation géométrique de ce type de systèmes. Cette technique est aussi directement applicable lors de la conception de tout MPEC tridimensionnel. Finalement, afin de déterminer une géométrie adéquate pour une application donnée, la dernière partie de cette thèse se concentre sur la conception d’un algorithme d’optimisation géométrique pour les PTC ou MPEC basé sur trois critères principaux. Le premier critère est la maximisation du volume de l’espace des poses polyvalentes (EPP) (critère bien connu dans la litérature scientifique). Les second et troisième critères sont basés sur l’espace libre de toute interférence mécanique (théorie développée dans la partie précédente de cette thèse) et ces espaces doivent être aussi maximisés. À titre d’exemple, les paramètres géométriques d’un MPEC comportant six DDL, étant entraîné par sept câbles et comportant neuf arêtes sont optimisés pour illustrer cette technique. Par la suite, une application médicale est utilisée comme deuxième exemple, soit la synthèse dimensionnelle d’un PTC à six DDL, entraîné par huit câbles et comportant dix-sept arêtes, prévu pour être utilisé à l’intérieur d’un système conventionnel d’imagerie par résonance magnétique (IRM) cylindrique permettant ainsi d’effectuer des biopsies simples sous guidage visuel. / This thesis reports the first steps toward the development of a new family of telemanipulators: cable-driven pantographs (CDPs). We define CDPs as mechanisms designed to reproduce trajectories induced from a master (input) to a slave (output) with a chosen scale factor and using cables in order to transmit corresponding forces or moments. They can also be presented as the combination of conventional pantographs, devices where rigid links are used to transmit forces between the master and the slave, and cable-driven parallel mechanisms (CDPMs). Given that the purpose of this thesis is the design of CDPs which combine reliability, safety and a low manufacturing cost, we have chosen to develop tools that allow the design of purely mechanical CDPs, i.e., no electrical component is necessary to transmit forces between the master and the slave. Several applications can be considered for this new family of pantographs, e.g., the telemanipulation of objects inside environments that are sensitive to electromagnetic disturbances, or simply where electrical energy access is limited. The strict use of cables between the two main components of the pantograph leads to many advantages but also to some inherent drawbacks. The main disadvantage of CDPs is without any doubt the unilaterality of force transmission in the CDPM’s cables. It imposes a reflected cables distribution, i.e., cables must support the end effector in all directions, and a minimum level of tension in order to preserve the system geometry. In general, for a CDPM, the driving electrical motors are used to produce continuous torque (and power) to maintain the cable tensions. In this thesis, we propose a methodology which relies on springs in order to produce these tensions in a purely mechanical manner, leaving to the user the application of the additional forces, i.e., those forces needed to overcome friction, produce accelerations and balance external forces applied at the end effector. This conceptual idea is validated through the design of the prototype of the first planar three-cable two-degree-of-freedom (DoF) CDP. Then, with the objective of minimizing the energy expenditure required by the user, we also suggest to compute nonlinear springs behaviours that maintain the cable tensions to a minimum level, while approximating the static equilibrium of the mechanism over its workspace. The nonlinear springs are in fact embodied as four-bar mechanisms coupled with constanttorque springs. This methodology is illustrated by its application to a modified version of the three-cable two-DoF planar CDP. When designing any CDP (in particular for CDPs with tridimensional workspace), a second drawback must be taken into account. This drawback is the possible occurrence of mechanical interferences between the different cables used to constrain the pose of the end effector from its respective base (this applies to both the master and the slave effectors) when moving in translation, in rotation or both. Thence, in this thesis, we propose a methodology for determining, in a geometrical manner, the interference regions between a pair of cables and between a cable and an end-effector edge for a given orientation within its workspace. It is shown that, for a constant end-effector orientation, these interference regions are defined by plane and line segments belonging to the CDP workspace. Then, this technique allows to determine—exactly and rapidly—the interference regions for a given CDP, and thus provides a powerful tool for optimizing the geometry of this kind of mechanisms. This methodology can also be directly applied to the design of any tridimensional CDPMs. Finally, in order to generate a suitable geometry for a given application, the last part of this thesis details an algorithm to synthesize CDP or CDPM geometries based on three main criteria. The first criterion is based on the wrench-closure workspace (WCW) (which criterion is well known in the literature), whose volume should be maximized. The second and the third ones are based on the free-interference workspace, methodology developed in the previous part of the thesis, whose volumes should also be maximized. As an example, the geometric parameters of a seven-cable nine-edge six-DoF CDPM are optimized to illustrate the relevance of the technique. Then, a medical application is used as a second example, i.e., the dimensional synthesis of an eight-cable seventeen-edge six-DoF CDP intended to be used inside a standard cylindrical magnetic-resonance-imaging (MRI) system for performing simple image-guided biopsies.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Ce mémoire présente les travaux de recherche menés afin de concevoir un robot parallèle collaboratif rétroentraînable à faible impédance mécanique. L'hypothèse est qu'en utilisant des moteurs sans réducteur à la sortie et qu'en réduisant la masse et l'inertie des pièces en mouvement du robot, une rétrocommandabilité intuitive est obtenue. Le prototype physique permet de valider l'hypothèse en faisant l'objet de tests expérimentaux. Les travaux présentés dans ce mémoire abordent également l'exploitation de la redondance du robot afin d'opérer une pince à son effecteur. L'architecture parallèle SPARA utilisée est bonifiée d'un préhenseur à prise parallèle qui permet de conserver sa rotation illimitée à l'effecteur. La méthodologie des simulations qui permettent l'optimisation et la validation du prototype est présentée. L'optimisation de l'architecture du robot ainsi que de sa pince est expliquée en détail. La conception mécanique du robot est ensuite présenté ainsi que le montage du prototype, suivi des validations expérimentales menées sur le robot. / This Master's thesis presents the research work carried out in order to design a parallel backdrivable collaborative robot with low mechanical impedance. The assumption is that using direct drive motors and by reducing the mass and the inertia of the moving parts of the robot, intuitive backdrivability is achieved. The physical prototype confirms the hypothesis through experimental testing. The work presented in this thesis also addresses the exploitation of the robot's redundancy in order to operate a gripper at its end-effector. The SPARA parallel architecture used is enhanced with a gripper with parallel grasping which allows the end-effector to retain its unlimited rotation. The simulation methodology that allows the optimization and validation of the prototype is presented. The optimization of the architecture of the robot and its gripper is explained in detail. The mechanical design of the robot is then presented as well as the assembly of the prototype, followed by the experimental validations carried out on the robot.

Pour une posture souhaitée d'un manipulateur parallèle, la flexibilité des membrures et des articulations actionnées, ainsi que le jeu aux articulations rotoïdes passives, permettent un mouvement du manipulateur, même lorsque ses actionneurs sont immobilisés. Cette thèse comprend une étude de quelques caractéristiques des manipulateurs parallèles lorsque le jeu et la flexibilité sont considérés. Celle-ci comprend la distribution de la précision possible à l'intérieur de l'espace de travail, les propriétés cinématiques, dont la dextérité et la raideur, mais plus particulièrement les configurations singulières qui correspondent à une dextérité nulle. En considérant un jeu et une flexibilité finis, les courbes singulières deviennent des zones singulières. Ces zones peuvent réduire considérablement l'espace de travail utile des manipulateurs. Ainsi une configuration qui ne correspond pas, en théorie, à une configuration singulière, peut le devenir.

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.

Les mécanismes parallèles entraînés par câbles sont une classe spéciale de mécanismes parallèles pours lesquels les liaisons rigides sont remplacées par des câbles. Ces mécanismes comprennent une plateforme mobile et une base fixe, qui sont reliées par plusieurs câbles. Le contrôle des longueurs des câbles produit le mouvement désiré de la plateforme mobile. Ces mécanismes ont le potentiel de fournir des espaces de travail à grande échelle comparativement aux mécanismes parallèles conventionnels car les câbles peuvent être enroulés sur des bobines sur de grandes longueurs. Cependant, cette caractéristique est limitée par la nature des câbles, qui doivent demeurer en tension afin de produire un mouvement désiré de la plateforme principale. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir des méthodes efficaces pour la synthèse dimensionelle optimale des mécanismes parallèles entraînés par câbles surcontraints, c'est-à-dire, des mécanismes pour lesquels le nombre de câbles excède le nombre de degrés de liberté. Plus précisément, nous souhaitons obtenir la géométrie des mécanismes parallèles entraînés par câbles dont l'espace des poses polyvalente (EPP) comprend des espaces de travail prescrits. L'espace des poses polyvalentes d'un mécanisme parallèle entraîné par câbles est l'ensemble des poses (les positions et les orientations) de l'organe terminal pour lesquelles tous les torseurs appliqués sont réalisables. Un torseur appliqué est dit réalisable, s'il peut être produit par un ensemble de câbles dont les tensions sont non-négatives. Une fois le problème de la synthèse dimensionnelle résolu, nous pouvons appliquer la solution à plusieurs reprises pour différents nombres de câbles afin d'effectuer la synthèse de la structure. Cette thèse est divisée en trois parties principales. Tout d'abord, l'espace des poses polyvalentes des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles et les caractéristiques de leurs frontières sont étudiés. Cette étude révèle les relations jusqu'ici inconnues entre l'EPP à orientation constante (EPPOC) et les aires orientées. Un algorithme graphique est proposé afin de déterminer les types de sections coniques formant les frontières de l'EPPOC . Puis, sur la base des expressions mathématiques obtenues, une méthodologie est proposée pour résoudre le problème de la synthèse dimensionnelle des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles pour les orientations discrètes c'est-àdire, les translations. L'algorithme est basé sur des techniques de relaxation convexe qui nous amènent à formuler la synthèse dimensionnelle comme un programme non linéaire. L'idée est de maximiser la taille de plusieurs boîtes qui représentent une approximation d'un espace de travail prescrit, tout en essayant de les garder à l'intérieur de l'EPP du mécanisme parallèle plan entraîné par câbles pendant la procédure d' optimisation. Une telle approximation de l'espace de travail prescrit est obtenue via la méthode d'analyse par intervalles. L'algorithme obtenu est étendu au cas de l'orientation en continu pour un intervalle donné d'angles d'orientation. En fait, nous introduisons un programme non linéaire permettant de varier la géométrie du mécanisme parallèle plan entraîné par câbles et maximiser le facteur d'échelle de l'ensemble prescrit de boîtes. Lorsque le facteur d'échelle optimal est supérieur ou égal à un, l'EPP du mécanismes parallèle plan entraîné par câbles résultant contient l'ensemble des boîtes prescrit. Sinon, l'EPP obtenu offre généralement une bonne couverture des boîtes prescrites. Enfin, sur la base des résultats obtenus pour des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles, un algorithme est proposé pour résoudre la synthèse dimensionelle de mécanismes parallèles spatiaux entraînés par câbles. Comme pour le cas plan, nous proposons un programme non linéaire à grande échelle dont les solutions optimales peuvent fournir des geometries de mécanismes parallèles spatiaux entraînés par câbles pour un espace de travail prescrit dans une plage donnée des angles d'orientation. L'efficacité de ces méthodes est émontrée par plusieurs exemples en utilisant un logiciel développé. En outre, cette thèse fournit un outil efficace pour les concepteurs de robots parallèles entraînés par câbles

Introduction : Les nouvelles technologies qui permettent de capter et d’analyser les mouvements des utilisateurs ne cessent de se développer et représentent un potentiel intéressant dans le domaine de la santé. Grâce à l’essor de ces nouvelles technologies, des systèmes de réalité virtuelle (RV) clefs en main intègrent les services de réadaptation, et les études démontrent leur capacité à optimiser la rééducation motrice et l’évaluation des clients présentant des troubles du contrôle moteur. Le marché de la RV est ainsi en pleine expansion, et l’ajout d’informations haptiques permettant de modéliser les caractéristiques physiques des entités virtuelles représente un intérêt considérable pour améliorer l’écologie des environnements virtuels (EVs) et le transfert des apprentissages aux activités quotidiennes. Toutefois, l’effet de l’ajout de ces informations sur le comportement moteur des sujets demeure très peu connu. L’objectif principal de cette thèse était ainsi d’évaluer l’impact de l’ajout d’informations haptiques, par un mécanisme parallèle entrainé par câbles (robot à câbles), sur le contrôle moteur de sujets sains, lors de la réalisation de tâches complexes et fonctionnelles dans des EVs. Les deux hypothèses principales étaient que cet ajout améliore le contrôle du mouvement lors de tâche de manutention d’objet ayant des contraintes environnementales statiques, et modifie les stratégies locomotrices proactives en présence de contraintes dynamiques. Méthode : Le comportement moteur de participants sains a été analysé lors de la réalisation de deux tâches. En premier lieu, une tâche de manutention de caisse nécessitant la préhension et le déplacement d’une caisse à partir d’une posture debout a été étudiée. Celle-ci a été réalisée dans un environnement réel et dans des EVs, en absence et en présence d’informations haptiques, relatives aux contraintes physiques de l’étagère et de la caisse manipulée, fournies grâce à un robot à câbles (Chapitre 3, N=12). En second lieu, une tâche nécessitant l’évitement d’avatars au cours de la marche sur un tapis roulant a été réalisée en présence et en absence de risque de contact physique avec les avatars, délivré par un robot à câbles (Chapitre 4, N=10). Les EVs étaient vus au travers d’un visiocasque. Résultats : La première étude a démontré une amélioration des paramètres spatiaux du mouvement réalisé dans l’EV en présente d’informations haptiques, au cours des différentes phases de la tâche de manutention (préhension, montée et descente de la caisse). L’organisation spatiale du mouvement était ainsi plus similaire à ce qui était observé dans un environnement réel, avec un meilleur respect des contraintes environnementales (éloignement plus important de la caisse avec l’étagère, trajectoire plus longue). De plus, le contrôle du mouvement était influencé par la demande de précision requise pour ne pas toucher les étagères en présence d’informations haptiques uniquement. La deuxième étude a démontré la mise en place de stratégies motrices plus précautionneuses pour éviter les avatars lors de l’ajout d’informations haptiques. Les participants tendaient à anticiper plus précocement l’évitement des avatars. Ils maintenaient une distance minimale plus importante avec les avatars et conservaient un espace péripersonnel plus large, indépendamment de l’angle d’approche de l’avatar. Conclusion : L’ajout d’informations haptiques dans les EVs impacte les stratégies motrices proactives des participants sains aussi bien lors de la tâche de manutention de caisse que de locomotion avec évitement d’avatars. Les résultats suggèrent que l’ajout d’informations haptiques favorise la prise en compte des entités virtuelles lors de la planification mouvement. Ces informations haptiques imposent en effet des restrictions plus réalistes dans les possibilités d’actions fournies par les EVs, et modifient probablement l’évaluation des conséquences que représente le contact avec les entités virtuelles. Il serait pertinent de poursuivre l’étude de l’influence de ces informations afin de proposer à des clients ayant des déficiences motrices des environnements encore plus écologiques, qui favorisent l’évaluation et la prise en compte des risques implicites que représentent les entités environnementales. / Introduction: New technologies that capture and analyze user movement are constantly developing and represent a great potential in healthcare. Thanks to the recent technological advances, turnkey virtual reality (VR) systems are progressively integrated into the rehabilitation setting, and studies have demonstrated their ability to optimise sensorimotor rehabilitation and clinical assessment of people with motor control disorders. The market for VR is growing and adding haptic feedback that provides physical characteristics to virtual entities represents a great potential to improve the ecological validity of virtual environments (VE) and to the transfer of learning to daily tasks. However, the impact that adding haptic feedback has on motor behavior remains poorly understood. The main objective of this thesis was to assess the impact of adding haptic feedback, using a novel cable-driven parallel robot, on the motor control of healthy participants during complex, functional tasks in VEs. The two mains hypotheses were that haptic feedback improves motor control during a handling task with static environmental constraints and modifies proactive locomotor strategies in the presence of dynamic constraints. Method: The motor behavior of healthy participants was analysed during two tasks. First, a manual handling task was studied during which participants grasped and moved a crate while standing. This task was realised in a real environment and in VEs with the absence and the presence of haptic information. The latter simulated the physical constraints of the shelf and the crate to be manipulated using a cable-driven robot (Chapter 3, N=12). Second, avatar avoidance tasks were realised when participants walked on a self-paced treadmill in the absence and then in the presence of a risk of physical contact with avatars. Contact was simulated by a cable-driven robot (Chapter 4, N=10). VEs were viewed through a head mounted display for all tasks. Results: The first study showed that adding haptic feedback to the VE improved spatial parameters of movement realised in a VE during all phases of movement (reaching, ascent and descent phases). The spatial organisation of movement was closer to those observed in a physical environment, and better respected environmental constraints (higher clearances from the shelf and longer trajectories). Moreover, movement control was influenced by task precision required to avoid any contact with the shelf in the presence of haptic feedback only. The second study demonstrated that when avoiding avatars in VR, more cautious behavior was measured in the presence of potential physical contact. Participants tended to start their avoidance strategy earlier and increased minimum clearance along with a larger personal space regardless of the avatar’s approach angle. Conclusion: Adding haptic feedback in VEs impacts the proactive motor strategies of healthy participants during a manual handling task as well as a locomotor task involving the avoidance of avatars. These results suggest that adding haptic feedback enhances one’s consideration of virtual entities during movement planning. Haptic information imposes more realistic restrictions on the actions afforded by EVs, and likely modifies the perceived consequences of potential contact with virtual entities. It will be important to continue to study the impact of haptic feedback within VEs to provide even more ecological environments to people with motor deficits in order to improve assessment and the consideration of implicit risks posed by the environment.