Les mécanismes parallèles entraînés par câbles permettent d'obtenir de grands espaces de travail puisque les plages de mouvement des câbles enroulés sur des treuils sont beaucoup plus grandes que celles des mécanismes à barres. De plus, les mécanismes entraînés par câbles possèdent un rapport charge utile sur poids propre avantageux et ils sont capables de produire de grandes vitesses. Toutefois, dans les mécanismes parallèles entraînés par câbles d'architecture classique, les câbles sont enroulés sur des treuils actionnés. Cette approche conduit à des imprécisions puisque le rapport entre la rotation du treuil et l'extension du câble n'est généralement pas constant. Par ailleurs, les mécanismes parallèles entraînés par des câbles sont habituellement actionnés de façon redondante en raison de l'unilatéralité de la force transmise par un câble. Cela conduit à une infinité de solutions au problème statique (ou dynamique) inverse et rend la commande du mécanisme plus compliquée. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles architectures de mécanismes parallèles entraînés par câbles construites à l'aide de boucles de câbles afin d'obtenir une meilleure précision et/ou éviter la redondance. Tout d'abord, des mécanismes plans à actionnement redondant utilisant des boucles de câbles sont proposés. Dans ces architectures, les câbles forment des boucles fermées fixées à l'effecteur, et dont le mouvement est produit par des actionneurs prismatiques. Un mécanisme plan à deux degrés de liberté est proposé. En remplaçant le système câble-treuil par des boucles de câbles fermées, les difficultés de mesure de l'extension des câbles sont atténuées. Le problème géométrique inverse, les matrices jacobiennes et les équations d'équilibre statique de ces mécanismes sont présentés. En utilisant les matrices jacobiennes, les singularités des mécanismes sont aussi analysées. À partir de l'équation d'équilibre statique, l'ensemble des torseurs applicables à l'effecteur est déterminé. Il est montré que la trajectoire d'un point d'attache d'une boucle de câble sur l'effecteur est une portion d'ellipse. L'intersection des ellipses fournit les modes d'assemblage. Il peut y avoir plus d'un point d'intersection des ellipses pour une position donnée des actionneurs. Cette caractéristique géométrique est aussi analysée. Afin d'éliminer la redondance d'actionnement, des ressorts sont introduits dans les mécanismes entraînés par boucles de câbles. Grâce à un arrangement géométrique approprié des ressorts dans les boucles, le mécanisme ne requiert que n actionneurs pour le guidage de n degrés de liberté, éliminant ainsi la redondance d'actionnement. Les mécanismes proposés peuvent être actionnés soit à l'aide d'actionneurs prismatiques ou à l'aide d'actionneurs rotoïdes entraînant une courroie. Le design conceptuel de quelques architectures de mécanismes de ce type est proposé. Une architecture non-symétrique, dans laquelle le ressort est attaché à un seul des côtés des boucles de câbles, est d'abord analysée. Ensuite, une architecture symétrique dans laquelle les deux côtés des boucles de câbles sont atttachés au ressort, est proposée. Une comparaison des architectures est établie pour des mécanismes plans. Puis, l'architecture symétrique est appliquée aux mécanismes spatiaux. Les analyses cinématiques et statiques sont présentées pour ces mécanismes. À l'aide des équations statiques, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur des mécanismes parallèles entraînés par boucles de câbles incluant des ressorts est déterminé. Pour fins de comparaison, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur de mécanismes plans et spatiaux entraînés par des câbles et des treuils classiques est également déterminé. Une étude dynamique est aussi réalisée afin de déterminer les limites de performance des mécanismes. La méthode de Newton-Euler est utilisée pour l'analyse dynamique et la détermination de la fréquence naturelle de même que des rapports d'amplitude entrée-sortie. Les mécanismes à boucles de câbles avec ressorts permettent d'éviter la redondance d'actionnement. Les paramètres des ressorts doivent être ajustés correctement afin d'obtenir de bonnes caractéristiques pour ces mécanismes. Toutefois, l'utilisation de ressorts augmente le coût et la complexité des mécanismes. Par conséquent, il est proposé de réaliser la condition d'équilibre des forces sans ressorts. À cet effet, un mécanisme à deux degrés de liberté découplé non redondant à boucles de câbles entraînées par actionneurs prismatiques est proposé. Les actionneurs sont situés sur les arêtes de l'espace de travail. La redondance d'actionnement est éliminée tout en fournissant la condition de fermeture de force (force closure) partout dans l'espace de travail. De plus, l'encombrement du mécanisme est essentiellement égal à son espace atteignable et le mécanisme ne souffre d'aucune singularité. Deux boucles de câble sont utilisées pour chacune des directions de mouvement. Une première boucle agit comme boucle d'actionnement alors que la seconde, qui est passive, est la boucle de contrainte. Grâce à une conception géométrique simple, les équations cinématiques et statiques du mécanisme sont très compactes. Une étude de la raideur effective du mécanisme montre que celle-ci est excellente. Finalement, une analyse dynamique est proposée en considérant l'élasticité et l'amortissement des câbles.

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.

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.

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

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.

Cette thèse présente un robot hybride parallèle spatial combiné avec (6+3) degrés de liberté, composé d'un robot de base fondamental et d'un ensemble poignet-pince intégré à 3 degrés de liberté (3-DOF). L'objectif principal del'intégration du mécanisme poignet-pince à 3 degrés de liberté est d'utiliser les degrés de liberté redondants du robot de base, étendant ainsi son espace de rotation. De plus, l'inclusion d'une pince améliore les capacités de manipulation du robot, en faisant un système polyvalent et puissant adapté à diverses applications. Pour atteindre cet objectif, le Chapitre 1 présente un poignet parallèle surcontraint à 2 degrés de liberté, mettant en avant la rigidité, la vitesse et un design léger et compact. Des solutions analytiques pour les cinématiques inverse et directe, dérivées géométriquement, facilitent l'analyse desingularité, révélant une plage de mouvement significative exempte de singularité. Les résultats de simulation dans MSC Adams valident la précision des modèles, soulignant la couverture spatiale supérieure et la masse plus légère du poignet proposé par rapport à un mécanisme comparable. De plus, une analyse d'interférence de contact est effectuée dans un logiciel CAO, et l'espace de travail pratique du mécanisme proposé est comparé à celui de l'Omni-Wrist III de dimensions similaires. Le Chapitre 2 présente un robot parallèle spatial à pince poignet à 3 degrés de liberté conçu pour la manipulation de précision dans des environnements industriels. La conception compacte du mécanisme comprend un poignet à deux rotations sphériques pures (ESPR) à torsion nulle à 2 degrés de liberté et une pince à 1 degré de liberté. Le robot démontre une grande plage de mouvement exempte de singularité grâce à des paramètres soigneusement conçus. Les résultats desimulation valident la précision des modèles cinématiques inverse et directe, avec de petites erreurs quadratiques moyennes. Ce robot, capable d'une large gamme d'orientations et de manipulation précise, offre des applications potentielles dans des contextes industriels exigeant une haute précision et une grande exactitude. Dans le Chapitre 3, un robot hybride parallèle kinématiquement redondant avec (6+3) degrés de liberté est présenté. En s'appuyant sur l'ensemble poignet-pince introduit dans le Chapitre 2, une version modifiée est intégrée à un robot hybride parallèle de base avec (6+3) degrés de liberté pour améliorer l'espace de rotation et les capacités de préhension. Le vaste mouvement exempt de singularité du poignet à 2 degrés de liberté permet une manipulation fluide et précise des objets dans diverses orientations, applicable à des tâches diverses telles que l'assemblage, la prise et le placement, et l'inspection. Des solutions analytiques pour la cinématique inverse du robot sont dérivées à l'aide d'une méthode géométrique, avec une validation réalisée via MSC Adams. Un schéma de contrôle de position PD simple est suggéré pour le contrôle du robot. Ensuite, un prototype physique est construit, et la validation expérimentale met en évidence l'efficacité du contrôleur proposé. En conclusion, le robot hybride parallèle (6+3) degrés de liberté proposé dans cette étude présente un potentiel significatif pour améliorer l'efficacité et l'adaptabilité des manipulateurs robotiques dans un large éventail d'applications industrielles et de recherche. / This thesis introduces a combined spatial hybrid parallel robot with (6+3) degrees of freedom, comprising a foundational base robot and an integrated 3-degree-of-freedom (3-DOF) wrist-gripper assembly. The primary aim of incorporating the 3-DOF wrist-gripper mechanism is to use the redundant degrees of freedom in the base robot, there by extending its rotational workspace. Additionally, the inclusion of a gripper enhances the robot's manipulation capabilities, making it a versatile and powerful system suitable for various applications. To achieve this objective, Chapter 1 presents a dexterous overconstrained 2-DOF parallel wrist, showcasing stiness, speed, and a compact lightweight design. Closed-form solutions for inverse and forward kinematics, derived geometrically, facilitate singularity analysis, revealing a signicant singularity-free range of motion. Simulation results in MSC Adams validate the accuracy of the models, emphasizing the proposed wrist's superior workspace coverage and lighter mass compared to a comparable mechanism. Furthermore, a contact interference analysis is performed in a CAD software, and the practical workspace of the proposed mechanism is compared to that of the Omni-Wrist III with similar dimensions. Chapter 2 introduces a spatial 3-DOF wrist-gripper parallel robot designed for precision manipulation in industrial settings. The compact design of the mechanism includes a zero-torsion 2-DOF equal spherical pure rotations (ESPRs) wrist and a 1-DOF gripper. The robot demonstrates a large singularity-free range of motion through carefully designed parameters. Simulation results validate the accuracy of both inverse and forward kinematics models, with small root mean square errors. This robot, capable of a wide range of orientations and precise manipulation, holds potential applications in industrial contexts requiring high precision and accuracy. In Chapter 3, a (6+3)-DOF kinematically redundant hybrid parallel robot is presented. Building upon the wrist-gripper assembly introduced in Chapter 2, a modied version is integrated into a base (6+3)-DOF hybrid parallel robot to enhance rotational workspace and grasping capabilities. The extensive singularity-free motion of the 2-DOF wrist enables seamless and accurate manipulation of objects in various orientations, applicable to diverse tasks such as assembly, pick-and-place, and inspection. Analytical solutions for the robot's inverse kinematics are derived using a geometric method, with validation conducted through MSC Adams. A simple PD position control scheme is suggested for robot control. Subsequently, a physical prototype is constructed, and experimental validation showcases the e cacy of the proposed controller. In conclusion, the (6+3)-DOF hybrid parallel robot proposed in this study exhibits signicant potential for improving the e ciency and adaptability of robotic manipulators across a broad spectrum of industrial and research applications.

Cette thèse traite de la mise à profit de la redondance cinématique dans les robots parallèles pour l'augmentation de leur espace de travail en orientation. Plusieurs nouvelles architectures y sont présentées et analysées. L'accent est mis sur les agencements purement parallèles des actionneurs étant donné que les agencements hybrides et sériels sont déjà bien plus connus. En premier lieu, un article de revue de littérature positionne le projet dans le contexte actuel. Cet article permet de voir comment la redondance cinématique se compare à la redondance d'actionnement et aux autres architectures hybrides. Les avantages et inconvénients de chacune y sont mis en évidence. Cet article met aussi la lumière sur le type d'agencement (sériel ou parallèle) des actionneurs pour les différents types de redondance. Les bases mathématiques pour la modélisation cinématique de plusieurs architectures y sont aussi données. Dans le second article, deux mécanismes plans sont présentés et analysés (problème géométrique inverse et direct, analyse des singularités, espace de travail). Les architectures planes sont utilisées pour introduire la gestion de la redondance avec un cas simple (un seul degré de liberté redondant). L'algorithme de gestion de la redondance doit définir la meilleure configuration du degré de liberté redondant tout en respectant les limites physiques du mécanisme (vitesses, interférences). Une architecture à quatre degrés de liberté (mouvement de type SCARA) et un degré de liberté redondant est ensuite introduite dans le troisième article. Cette architecture a la particularité de ne pas être limitée (ni par les interférences mécaniques ni par les singularités) au niveau de la rotation. L'analyse cinématique ainsi que l'espace de travail sont présentés et un prototype démontre des résultats expérimentaux convaincants. Ensuite, le quatrième article introduit une architecture à six degrés de liberté avec trois degrés de liberté redondants. Cette architecture occupe une grande partie des travaux présentés dans cette thèse. Elle est dérivée directement de la plateforme de Gough-Stewart. Le modèle cinématique ainsi qu'une analyse des singularités du mécanisme y sont présentés. Une analyse géométrique démontre les capacités d'évitement des singularités et une analyse de l'espace de travail montre de très grandes capacités d'inclinaison et de rotation de la plateforme. Le cinquième article présente deux articulations sphériques qui ont été développées spécifiquement pour l'architecture à six degrés de liberté. Le principe de fonctionnement de ces deux articulations sphériques est expliqué et les performances en débattement sont démontrées. Deux prototypes sont présentés. Le sixième article introduit différentes méthodes pour exploiter la redondance du manipulateur à 6+3 degrés de liberté tout en respectant les limites physiques du mécanisme (interférences mécaniques ainsi que les limites en vitesse des actionneurs). Une première méthode tente d'utiliser une expression analytique du déterminant de la matrice Jacobienne. La deuxième est purement géométrique et s'inspire de la géométrie de Grassmann. La troisième utilise une discrétisation complète des trajectoires cartésiennes et de l'espace des degrés de liberté redondants. Finalement, la quatrième méthode utilise une optimisation locale. Les résultats des différentes méthodes sont ensuite comparés. / This thesis deals with the use of kinematic redundancy in parallel robots to increase their orientational workspace. Multiple new architectures are introduced and analysed. The emphasis is on purely parallel architectures since serial and hybrid arrangements are already much better known. First, a literature review article positions the project in the current context. This article shows how kinematic redundancy compares to actuation redundancy and other hybrid architectures. The advantages and disadvantages of each are highlighted. This article also sheds light on the type of layout (serial or parallel) of the actuators for the different types of redundancy. The mathematical bases for kinematic modeling of several architectures are also given. In the second article, two architectures of planar mechanisms are presented and analyzed (inverse and forward kinematic problem, singularity analysis, workspace). Planar architectures are used to introduce redundancy management with a simple case (a single redundant degree of freedom). The redundancy management algorithm must define the best configuration of the redundant degree of freedom while respecting the physical limits of the mechanism (speeds, interferences). A four-degree-of-freedom architecture (SCARA movement) with one redundant degree of freedom is then introduced in the third article. This architecture has the particularity of not being limited (neither by mechanical interferences nor by singularities) in terms of rotation. Kinematic and workspace analyses are presented and a prototype demonstrates convincing experimental results. Then, the fourth article introduces a six-degree-of-freedom architecture with three redundant degrees of freedom. This architecture occupies a large part of the work presented in this thesis. It is derived directly from the Gough-Stewart platform. The kinematic model and an analysis of the singularities of the mechanism are presented. A geometric analysis shows the singularity avoidance capabilities and a workspace analysis shows very high platform tilting and twisting capabilities. The fifth article presents two spherical joints that have been developed specifically for the six-degree-of-freedom architecture. The operating principle of these two spherical joints is explained and the large range of motion (tilting angle) is demonstrated. Two prototypes are presented. The sixth article introduces different methods to exploit the redundancy of the six-degreeof- freedom manipulator while respecting the physical limits of the mechanism (mechanical interference as well as the speed limits of the actuators). A first method attempts to use an analytical expression of the determinant of the Jacobian matrix. The second is purely geometric and is inspired from Grassmann geometry. The third uses a complete discretization of the Cartesian trajectories and the space of the redundant degrees of freedom. Finally, the fourth method uses local optimization. The results of the different methods are then compared.

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.

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.