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.

Ce projet de recherche vise à l'élaboration de nouveaux outils de détermination de l'espace atteignable d'un mécanisme à câbles, pour une application de simulateur de vol. On introduit d'abord la théorie des simulateurs de vol afin de bien saisir les besoins en terme de plate-forme de génération de mouvement. Ensuite, on présente brièvement les mécanismes à câbles comme solution potentielle aux lacunes des simulateurs de vol actuels. S'en suit le développement de plusieurs outils d'évaluation des mécanismes à câbles, puis l'utilisation de ces outils à l'intérieur d'une optimisation multicritérielle visant à déterminer une architecture optimale. On présente l'architecture ainsi obtenue et enfin, on discute du prototype fabriqué au Laboratoire de Robotique de l'Université Laval.

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.

L'utilisation d'articulations compliantes permet de réduire le jeu mécanique dans les manipulateurs robotiques. Cependant les particularités de leur comportement qui diffère de celui des articulations conventionnelles ne peuvent pas être prises en compte dans les modèles actuels, ce qui a pour effet de diminuer le gain de précision espéré. Dans cette thèse, une modélisation qui respecte à la fois des contraintes géométriques et des contraintes statiques entre les variables articulaires est proposée. Elle permet de décrire avec précision le comportement de ces mécanismes compliants, notamment en pouvant considérer plusieurs degrés de liberté par articulation compliante. Les coordonnées généralisées, qui correspondent à un ensemble minimal de variables articulaires nécessaires pour décrire complètement la configuration du mécanisme, sont utilisées pour calculer la pose de l'effecteur à partir du modèle géométrique. Ces coordonnées ne sont pas directement fixées par l'utilisateur, mais elles s'ajustent de manière à ce que l'équilibre statique du mécanisme soit respecté. Elles sont donc fonction d'un certain nombre de paramètres extérieurs que le modèle géométrico-statique proposé peut prendre en compte: la position des actionneurs, les efforts extérieurs appliqués sur le mécanisme et le poids de ses membrures. Du fait de la complexité de certaines équations de ce modèle géométrico-statique, un modèle quasi-statique a également été développé. Ce dernier donne les relations linéaires qui existent entre les variations des paramètres extérieurs et celles de la configuration du mécanisme. Pour obtenir ces relations, la matrice de raideur des mécanismes parallèles compliants a été calculée de façon générale. La formulation de ce modèle quasi-statique est très simple et repose sur deux nouvelles matrices : la matrice de compliance cartésienne et la matrice jacobienne quasi-statique. Cette dernière matrice intègre les effets des déformations du mécanisme sur son comportement cinématique grà¢ce à une matrice des ratios de transmission du mouvement des actionneurs. Enfin, trois exemples d'applications ont été traités afin de montrer les apports de ces modèles, non seulement leur gain de précision, mais aussi les nouvelles possibilités qu'ils offrent. Désormais les mécanismes parallèles compliants, mais également mécanismes bistables, les mécanismes compliants sous-actionnés et même les mécanismes conventionnels peuvent être modélisés avec les mêmes équations. / The use of compliant joints reduces the mechanical clearance in robotic manipulators. However, the particularities of their behaviour, which differs from that of conventional joints, cannot be taken into account in existing models, which mitigates the expected gain in accuracy. In this thesis, a model satisfying both the kinematic constraints and the static constraints between the joint variables is proposed. It enables to precisely describe the behaviour of a compliant mechanism, notably by allowing the consideration of several degrees of freedom for a single compliant joint. The generalized coordinates, which correspond to a minimal set of joint variables required to completely describe the configuration of the mechanism, are used to calculate the pose of the end-effector in the geometric model. These coordinates are not directly set by the user but adjust themselves such that the static equilibrium of the mechanism is satisfied. Therefore, they are function of some external parameters taken into account in the proposed kinemato-static model: the position of the actuators, the external efforts applied on the mechanism and the weight of its rigid links. Because of the complexity of some equations of this kinemato-static model, a quasi-static model was also developed. The latter gives linear relationships between the variations of the external parameters and the variations of the configuration of the mechanism. To obtain these relationships, the stiffness matrix of compliant parallel mechanisms was derived in a general form. The formulation of this quasi-static model is very simple and uses two new matrices: the Cartesian compliance matrix and the quasi-static Jacobian matrix. The latter matrix integrates the effects of the deformations of the mechanisms in its kinematic behaviour using a matrix of the transmission ratios of the motion of the actuators. Finally, three examples of applications are given in order to illustrate the contributions of these models, not only regarding the gain in precision, but also the novel possibilities they offer. From then on, compliant parallel mechanisms, but also bistable mechanisms, under-actuated compliant mechanisms and even conventional mechanisms can be modeled with the same equations.

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.