Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Les fantômes d'eau sont des outils essentiels pour assurer l'étalonnage précis des machines de radiothérapie et des traitements efficaces en utilisant l'eau comme moyen de simulation des tissus humains. Dans ce mémoire, nous présentons toutes les étapes de la synthèse, de la création d'un prototype et du contrôle d'un nouveau fantôme d'eau automatisé basé sur un robot parallèle à câbles de 5 degrés de liberté. Ce système pourrait offrir plusieurs avantages par rapport aux fantômes d'eau existants, notamment un mouvement plus rapide et la capacité d'effectuer des mesures angulaires grâce à sa plage de rotation continue de 90 degrés. Notre approche a commencé par l'identification de l'architecture la plus appropriée pour le robot, impliquant le calcul de l'espace des torseurs faisables en force pour toutes les configurations 5-DDL avec 8 câbles, en fonction de nos points d'attache de câbles prédéfinis. Un algorithme d'élagage a été développé pour éliminer rapidement les architectures qui ne couvraient pas la plage de rotations souhaitée, facilitant ainsi l'identification de l'architecture optimale. De plus, nous avons conçu une méthode pour calculer un espace de travail rotationnel sans interférence pour notre conception choisie. En termes de contrôle, nous avons détaillé le schéma de contrôle, la planification de la trajectoire, le problème géométrique direct et les matrices Jacobiennes pour notre robot parallèle à câbles de 5-DDL. En outre, nous avons résolu le défi de la singularité de représentation rencontré dans notre projet, en adoptant une représentation vectorielle unitaire pour l'orientation. Le processus de conception du robot a été méticuleusement décrit, y compris la justification de la sélection des composants. Nous avons divisé le prototype global en trois sections principales: la structure, les systèmes de treuil et les poulies pivotantes, en fournissant des informations détaillées sur chacune. Le processus de calibrage du robot a également été discuté, ainsi que les défis rencontrés. Enfin, nous avons mené un test sous une machine de radiothérapie, cartographiant le rayonnement avec le capteur d'ionisation connecté à l'effecteur final. Bien que nous ayons compté uniquement sur l'encodeur du moteur pour la rétroaction de position et que cette méthode manque de la précision nécessaire pour cette application, les résultats étaient très prometteurs. Notre conception innovante de fantôme d'eau démontre le potentiel comme nouvelle méthode efficace et précise pour l'étalonnage des machines de radiothérapie, avec la capacité d'améliorer considérablement les résultats pour les patients dans la pratique clinique. / Water phantoms are critical tools for ensuring the accurate calibration of radiotherapy machines and effective treatments by using water as a medium for simulating human tissue. In this memoir, we present all the steps of synthesizing, prototyping and controlling a novel automated water phantom based on a 5-degree-of-freedom cable-driven parallel robot. The system could offer several advantages over existing water phantoms, including faster movement and the ability to perform angular measurements due to its 90-degree continuous range of rotation. Our approach began with identifying the most suitable architecture for the robot, involving the calculation of the wrench-feasible workspace for all the 5-DoF configurations with 8 cables, based on our predetermined cable attachment points. A pruning algorithm was developed to rapidly eliminate architectures that failed to cover the desired range of rotations, thereby facilitating the easier identification of the optimal architecture. Furthermore, we devised a method to calculate an interference-free rotational workspace for our chosen design. In terms of control, we detailed the control schematic, trajectory planning, forward kinematics, and Jacobian matrices for our 5-DoF CDPR. Furthermore, we addressed the challenge of representation singularity encountered in our project, resolving it by adopting a unit vector representation for orientation. The design process of the robot was meticulously outlined, including the rationale behind component selection. We divided the overall prototype into three main sections: the structure, winch systems, and swivel pulleys, providing detailed insights into each. The calibration process of the robot was also discussed, along with the challenges encountered. Finally, we conducted a test under a radiotherapy machine, mapping radiation with the ionization sensor connected to the end-effector. Although we relied solely on the motor's encoder for position feedback, which lacks the precision needed for this application, the results were very promising. Our innovative water phantom design demonstrates potential as a new, efficient, and precise method for calibrating radiotherapy machines, with the capability to significantly improve patient outcomes in clinical practice.

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.

Un manipulateur parallèle à câbles possède des caractéristiques intéressantes comme sa vitesse de mouvement, sa légèreté et son faible coût. Ces avantages sont renforcés en utilisant le sous-actionnement, qui permet de diminuer le coût et la complexité du mécanisme. En revanche, sa commande est plus complexe car elle doit tenir compte des propriétés dynamiques du manipulateur. Afin de concevoir un robot spatial sous-actionné et entraîné à l'aide de câbles, il faut d'abord arriver à contrôler une version plane du manipulateur. Le mécanisme étudié dans ce mémoire est un robot principalement basé sur un mécanisme à quatre barres, dont deux barres (les câbles) sont de longueur variable, et dont toutes les liaisons rotoïdes sont libres. En fait, ce robot peut rejoindre une position et une orientation (trois degrés de liberté) prescrite en contrôlant uniquement la longueur des deux câbles et en exploitant les équations dynamiques. La première étape est de compléter des analyses géométrique, cinématique et dynamique. Les équations ainsi obtenues sont vérifiées à l'aide d'un simulateur permettant de prédire le comportement du robot. Ensuite, un algorithme de planification de trajectoire est basé sur la nature oscillatoire du mécanisme, en optimisant les trajectoires des câbles pour que la variable libre rejoigne l'objectif à la fin de chaque oscillation. La stratégie de commande est finalement élaborée et testée sur un robot virtuel, avant d'être utilisée sur un prototype. Les résultats en simulation ainsi qu'expérimentaux sont présentés pour diverses trajectoires, démontrant ainsi les capacités du manipulateur étudié. La commande ainsi développée s'est révélée très précise, rapide et robuste à des erreurs de diverses natures.

Cette thèse présente des nouvelles approches de modélisation, de tracking et de commande des robots parallèles en utilisant des droites. Un robot parallèle est composé de plusieurs chaînes cinématiques fermées. Par conséquent, un fort couplage de comportement apparait durant le mouvement du robot. La géométrie (squelette) d’un robot parallèle peut être définie en considérant les jambes de ce robot comme des droites 3D. C’est ainsi que la modélisation, le suivi visuel et la commande d’un robot parallèle devient plus simple et que sa représentation géométrique et physique est plus intuitive. Le point commun des méthodes proposées est l’observation des orientations 3D des jambes avec précision et à des grandes vitesses. Cela permet de commander les robots parallèles rapides avec précision. Pour la modélisation cinématique et dynamique des robots parallèles, nous avons développé une représentation basée sur les éléments cinématiques. Cette représentation rend la modélisation simple et immédiate. Les modèles obtenus sont basés sur les mesures des orientations des jambes et leurs vitesses. Par conséquent, nous avons ainsi proposé un observateur d’état dynamique à haute vitesse qui peut fournir les orientations des jambes et leurs vitesses. Cette procédure consiste à observer d’une manière séquentielle une portion de chaque jambe. Nous avons utilisé ces contours pour construire une consigne spatio-temporelle. Par conséquent, nous avons pu écrire des contraintes géométriques minimisées en une seule itération d’une tâche d’asservissement visuel virtuel. Ensuite, nous avons proposé une commande dynamique pour contrôler un robot parallèle dans différents espaces de commande. Ce qui nous a permis de mener des analyses pour identifier l’espace le plus adéquat pour réaliser une tâche spécifique. Ces nouvelles approches sont validées en simulation et, partiellement, en expérimentation. Les résultats obtenus sont satisfaisants et ouvrent des perspectives dans le domaine de la modélisation, du suivi visuel et de la commande des robots parallèles basé sur l’observation des jambes. / This thesis presents novel methods for modeling, tracking and control of parallel robots by means of lines. A parallel robot is composed of several closed-loop kinematic chains which cause a highly coupled-motion behavior. By treating the legs of a parallel robot as 3D lines and representing the geometry with a skeleton constructed from these 3D lines of the legs, the modeling, tracking and control of a parallel robot become geometrically and physically simpler and more intuitive. The common key point for the simplicity and accuracy of all these methods is the precise observation of the 3D orientation vectors of the legs at high speed. This is because of parallel robots are designed for high speed applications. Thus, we first developed a body-based linear scheme both for kinematic and dynamic modeling of parallel robots. This body-based linear modeling scheme is so simple such that one can work out all the equations even for the most complex parallel robot by pen and paper. The simplicity and feasibility of this modeling scheme are conditioned on that the 3D leg direction vectors and their velocities are known. Therefore, secondly we proposed a high-speed vision based dynamic state observer which can provide these 3D leg direction vectors of a parallel robot and their velocities at each sampling time. We achieved this by sequentially observing small portions of the legs in order to form a spatio-temporal reference signal and then by minimizing the constraints written from the geometric shapes of the legs in a single-iteration virtual visual servoing scheme. Afterwards, we constructed a versatile computed-torque control scheme which allows us to control the parallel robot for a given task in different control spaces. We defined this versatile control scheme so that we can analyse and then choose the best control space for better control of parallel robots for a given specific task. These proposed novel methods are validated by the first promising simulation and experimental results. Obtained results encourage us to explore more the modeling, tracking and control of parallel robots by means of lines.

Les Robots Parallèles à Câbles (RPC) sont particulièrement adaptés pour des applications telles que le transport de charges lourdes au travers de grands espaces de travail. Afin de contrôler l'ensemble des degrés de liberté de la plate-forme tout en optimisant la taille de l'espace de travail du robot par rapport au volume de sa structure, la redondance d'actionnement est nécessaire. Dans cette thèse, un algorithme de distribution des tensions des câbles compatible temps-réel est introduit. Il permet de calculer efficacement différentes solutions optimales au problème de la distribution des tensions des RPC à deux degrés de redondance. Des schémas de commande adaptés aux RPC, intégrant l'algorithme de distribution des tensions, sont ensuite proposés. Un schéma de commande en espace double est introduit pour compenser la dynamique de la plate-forme et des enrouleurs. Afin de pallier les incertitudes et les variations des paramètres des modèles, une commande adaptative en espace double est finalement proposée. Des résultats expérimentaux prouvent la compatibilité temps-réel des algorithmes et des lois de commande développés dans cette thèse, ainsi que leur stabilité le long de la trajectoire suivie. / Cable-driven parallel robots (CDPR) are particularly well adapted for some applications such as handling of heavy payloads over large workspaces. However, in order to fully control all the degrees of freedomof the mobile platformand to obtain large workspace to footprint ratios, redundant actuation may be required, which implies the determination of feasible cable tension distributions. In this thesis, in the case of CDPR with two degrees of actuation redundancy, real-time compatible algorithms capable of efficiently calculating various continuous tension distribution are introduced. Furthermore, efficient control schemes are proposed in order to increase the CDPR tracking performances. First, an dual-space feedforward control scheme is introduced to compensate for the plate-formeand whinches dynamics. In order to deal with parametric variations and incertainties in the models, an adaptive dual-space motion control scheme for CDPR is finally presented. Experimental results validate the reel-time efficiency of the proposed tension distribution algorithmand control schemes as well as their stability along the tracked trajectory.

Actuellement, certaines pièces aéronautiques sont usinées par des procédés chimiques efficaces, mais mettant en jeu des produits polluants et dangereux pour les ouvriers qui travaillent à leur contact. Par conséquent, il est impératif de trouver une solution qui serait au minimum aussi compétitive que l'usinage chimique et beaucoup moins risquée pour l'homme et l'environnement. Dans cette optique, l'usinage à grande vitesse (UGV) constitue une alternative sérieuse et efficace. Depuis des années, les machines-outils à structure parallèle ont fait leur preuve dans l'UGV. C'est donc dans ce contexte d'usinage des pièces aéronautiques de grandes longueurs et de formes complexes que de nouvelles architectures parallèles sont proposées. Dans ce manuscrit, d'après les contraintes de la tâche, nous sélectionnons une large famille de cinématiques parallèles que nous modelions de manières générique et complète. Nous utilisons cette modélisation pour différentes propositions de mécanismes : 4 degrés de liberté avec plateforme mobile articulée, 4 degrés de liberté avec plateforme rigide et 5 degrés de liberté avec redondance et plateforme articulée. Ces travaux ont conduit à la réalisation d'un prototype qui a validé le concept d'une de ces machines. / Currently, some aeronautical parts are milled by efficient chemical processes, but involving products pollutants and hazardous for workers working on their contact. Therefore, it is imperative to find a solution that would be at least as efficient as chemical milling and much less risky for humans and the environment. It is recognized in the literature that high-speed milling is a serious and effective alternative for the above mentioned problems. Moreover, for years, machine tools based on parallel structure have proven their utility in high-speed milling. In the context of milling of lengthy and complex shaped aeronautical parts, new parallel architectures are proposed. In this manuscript, according to the constraints of tasks, we select a large family of parallel kinematic mechanism that we modelize in a generic and complete way. We use these models for different propositions of mechanisms: 4 degrees of freedom with articulated platform, 4 degrees of freedom with rigid platform and 5 degrees of freedom with actuation redundancy and articulated platform. This work leads to the realization of a prototype that validates the concept of one of these machines.

L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour étalonner un robot parallèle à câbles de grande dimension. Afin d'améliorer le comportement global d'un robot, il est nécessaire d'identifier au mieux les paramètres de son modèle. Pour cela, il est important d'obtenir des informations redondantes en mesurant l'état du robot dans différentes configurations. Cependant, le modèle choisi est un compromis entre sa capacité à représenter le comportement réel du manipulateur et les informations disponibles pour le renseigner. Dans le cas particulier des robots à câbles de grande dimension, la masse et l'élasticité des câbles ont une influence non négligeable sur le comportement du robot mais sont difficiles à modéliser. En effet, le modèle physique des câbles est complexe et nécessite de connaître la tension à laquelle ils sont soumis. Les capteurs disponibles ne pouvant nous fournir cette information avec une précision suffisante pour renseigner un modèle de câble réaliste, nous proposons d'utiliser un modèle simplifié. Dans le but de proposer un étalonnage efficace, il est donc nécessaire de définir les conditions pour l'emploi de ce modèle simplifié. Ensuite, nous avons adapté et implanté d'une part plusieurs techniques classiques pour l'étalonnage des robots parallèles mais nous avons également élaboré des approches plus innovantes. Nous proposons en effet un modèle pour les robots à câbles reposant sur une représentation des incertitudes de modélisation, de mesures et de paramètres au moyen d'intervalles. / The main objective of this thesis is to propose new methods for the calibration of a large scale cable-driven robot. The principal method to improve the global behavior of a robot consists to identify the parameters of the model. For this, it is important to get redundant information by measuring the state of the robot in different configurations. However, the model used is a compromise between its ability to represent the actual behavior of the manipulator and the information available to fill in it. In the special case of the large scale cable-driven robots, mass and elasticity of the cables have a significant influence on the behavior of the robot but they are difficult to model. Indeed, the physical model of the cable is complex and requires knowledge of the tension inside it. Available sensors cannot provide this information with a sufficient accuracy to fill in a model of a realistic cable, we thus propose to use a simplified model. In order to provide an efficient calibration, it is necessary to fix the requirements to use this simplified model. Then, we have adapted and implemented some classical techniques for the calibration of parallel robots, but we also developed more innovative approaches. We propose a model for cable robots based on a representation of the uncertainties from modeling, measurements and parameters using intervals. By exploiting the interval analysis, we have developed various approaches to identify with certification the geometric parameters of the structure. We thus propose a new approach and associated algorithms to characterize and compute different kind of solutions for the calibration problem.

Les robots parallèles connaissent un récent développement dans l'industrie. Ils présentent des avantages certains (rigidité, caractéristiques dynamiques...), même si leur cinématique est souvent complexe, notamment à cause du couplage de leurs mouvements. C'est pourquoi les robots à mouvements découplés s'avèrent intéressants et seront étudiés dans le cadre de cette thèse, notamment du point de vue de leur précision. Nous proposons une démarche en deux étapes. Dans un premier temps nous adopterons l'hypothèse des corps indéformables et nous chercherons à intégrer les défauts de fabrication et de montage dans le modèle géométrique du robot. L'étude analyse les effets de ces défauts sur les caractéristiques de découplage du robot, ainsi que sur la précision de la pose de la plateforme mobile. Dans un second temps, avec l'hypothèse des corps déformables, il s'agit de calculer la rigidité du robot avec la méthode des éléments finis, puis de proposer une approche analytique plus rapide basée sur le principe de la sous-structuration. L'intégration des défauts de fabrication et de montage dans le modèle des corps déformables a l'intérêt de visualiser l'effet des précontraintes sur la précision et sur la rigidité du robot. Ces travaux ont porté sur des robots de la famille Isoglide développés au LaMI avec la collaboration du LASMEA. La modélisation de plusieurs versions avec des degrés d'hyperactivité différents permet de montrer l'effet de l'hyperstaticité. L'analyse du comportement, tant statique que dynamique, d'un robot à structure parallèle est une tâche complexe. Il faut âtre capable de suivre simultanément plusieurs organes et de mesurer avec une grande précision la pose spatiale complète de la plate-forme mobile. Les travaux présentés mettent en oeuvre un système de métrologie par vision multi-capteurs, permettant l'analyse du comportement d'organes indépendants, puis de la structure complète du robot. Une étude de corrélation entre le comportement attendu par simulation et les mesures, dégage des perspectives sur le couplage mécanique et vision

L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes pour étalonner un robot parallèle à câbles de grande dimension. Afin d'améliorer le comportement global d'un robot, il est nécessaire d'identifier au mieux les paramètres de son modèle. Pour cela, il est important d'obtenir des informations redondantes en mesurant l'état du robot dans différentes configurations. Cependant, le modèle choisi est un compromis entre sa capacité à représenter le comportement réel du manipulateur et les informations disponibles pour le renseigner. Dans le cas particulier des robots à câbles de grande dimension, la masse et l'élasticité des câbles ont une influence non négligeable sur le comportement du robot mais sont difficiles à modéliser. En effet, le modèle physique des câbles est complexe et nécessite de connaître la tension à laquelle ils sont soumis. Les capteurs disponibles ne pouvant nous fournir cette information avec une précision suffisante pour renseigner un modèle de câble réaliste, nous proposons d'utiliser un modèle simplifié. Dans le but de proposer un étalonnage efficace, il est donc nécessaire de définir les conditions pour l'emploi de ce modèle simplifié. Ensuite, nous avons adapté et implanté d'une part plusieurs techniques classiques pour l'étalonnage des robots parallèles mais nous avons également élaboré des approches plus innovantes. Nous proposons en effet un modèle pour les robots à câbles reposant sur une représentation des incertitudes de modélisation, de mesures et de paramètres au moyen d'intervalles.