La vision artificielle est un moyen de perception très apprécié en robotique. Les applications les plus courantes de la vision en robotique manipulatrice sont l'estimation de pose et la commande. D'un point de vue conceptuel, l'utilisation de la vision artificielle permet d'améliorer les performances de la commande des robots en termes de précision et de robustesse (vis-à-vis des erreurs sur les paramètres géométriques du robot). De plus, cette mesure est d'autant plus pertinente pour les robots parallèles puisque l'état de ces derniers est généralement mieux défini par la pose de l'effecteur que par les mesures articulaires, traditionnellement utilisées en commande. Cependant, les systèmes de vision classiques ne permettent pas de satisfaire les exigences des commandes hautes performances à cause de leur période d'acquisition et de leur temps de latence trop grands. Pour pallier ce problème, l'approche proposée dans cette thèse est de procéder à une acquisition séquentielle de fenêtres d'intérêt. En effet, le fait de ne transmettre que les régions de l'image contenant les primitives visuelles utiles a pour effet de diminuer la quantité de données à transmettre ce qui permet réduire la période d'acquisition et le temps de latence. De plus, l'acquisition non simultanée des primitives offre la possibilité d'estimer la pose et la vitesse du robot de façon conjointe. Différentes méthodes d'estimation et plusieurs schémas de commandes cinématiques et dynamiques utilisant ce mode d'acquisition ont ainsi été proposés dans ce document. Les résultats expérimentaux obtenus en commande dynamique par vision d'un robot parallèle montrent, pour la première fois, que la commande référencée vision peut être plus performante que la commande articulaire.

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.

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.

La vision artificielle est un moyen de perception très apprécié en robotique. Les applications les plus courantes de la vision en robotique manipulatrice sont l'estimation de pose et la commande. D'un point de vue conceptuel, l'utilisation de la vision artificielle permet d'améliorer les performances de la commande des robots en termes de précision et de robustesse (vis-à-vis des erreurs sur les paramètres géométriques du robot). De plus, cette mesure est d'autant plus pertinente pour les robots parallèles puisque l'état de ces derniers est généralement mieux défini par la pose de l'effecteur que par les mesures articulaires, traditionnellement utilisées en commande. Cependant, les systèmes de vision classiques ne permettent pas de satisfaire les exigences des commandes hautes performances à cause de leur période d'acquisition et de leur temps de latence trop grands. Pour pallier ce problème, l'approche proposée dans cette thèse est de procéder à une acquisition séquentielle de fenêtres d'intérêt. En effet, le fait de ne transmettre que les régions de l'image contenant les primitives visuelles utiles a pour effet de diminuer la quantité de données à transmettre ce qui permet réduire la période d'acquisition et le temps de latence. De plus, l'acquisition non simultanée des primitives offre la possibilité d'estimer la pose et la vitesse du robot de façon conjointe. Différentes méthodes d'estimation et plusieurs schémas de commandes cinématiques et dynamiques utilisant ce mode d'acquisition ont ainsi été proposés dans ce document. Les résultats expérimentaux obtenus en commande dynamique par vision d'un robot parallèle montrent, pour la première fois, que la commande référencée vision peut être plus performante que la commande articulaire. / Visual sensing is very appreciated in manipulation robotics since it provides measures for pose estimation and robot control. Conceptually, vision allows improving the performance of manipulator robots control from accuracy and robustness (against kinematic parameters errors) points of view. In addition, vision-based control is particularly relevant for parallel robot manipulators. In fact, the state of these robots is usually better described by the pose of their mobile platform than by their articular joints. Thus, the use of vision simplifies the control of parallel robots. However, the typical vision systems do not fulfil the dynamic control constraints on the acquisition frequency and the latency. The approach proposed in this thesis is to perform a sequential acquisition of regions of interest which contain the useful visual features to cut down the data amount to transmit. Thus allows for reducing the acquisition period and latency. In addition, the sequential acquisition allows for estimating both the pose and the velocity of the robot platform. Thanks to this acquisition method, several control laws are proposed. The experimental results show that the performance of the proposed vision based dynamic control laws are, for the first time, better than classical dynamic control.

Une nouvelle architecture robotique parallèle de télescope d'observation spatial actif a été développée préalablement à cette thèse. Afin de pouvoir améliorer le réglage optique du télescope, la structure robotique doit pouvoir être auto-étalonnée dans l'espace, à partir des informations disponibles (mesures proprioceptives, images, etc). Dans un premier temps, les hypothèses nécessaires pour assurer le bon déroulement de l'étalonnage sont analysées. Cette étude théorique, appuyée par des exemples, permet de définir des conditions nécessaires à l'étalonnage. Ces conditions permettent de déterminer les précisions nécessaires sur les paramètres du modèle et l'amplitude maximale du bruit de mesure admissible pour l'étalonnage. Avec ces valeurs, un critère d'arrêt pour les algorithmes d'étalonnage ayant une réelle signification physique peut être obtenu. De plus, une normalisation de la matrice d'identification est proposée, ce qui permet l'analyse de ses valeurs singulières pour détecter les problèmes d'identifiabilité des paramètres. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la modélisation du télescope d'observation. Plusieurs modèles de déformation des articulations flexibles du télescope sont proposés, en considérant par exemple les équations de la théorie des poutres ou l'équilibre statique de la plate-forme. Ces modèles sont ensuite comparés expérimentalement par une analyse des résultats d'étalonnage photogrammétrique. Cette analyse permet aussi d'observer une déformation de la plate-forme mobile qui peut être approchée par l'intermédiaire de deux modèles. / A new parallel robotic architecture has previously been developed for an active space telescope. The telescope needs to be calibrated in order to improve its optical quality. This also has to be done automatically in space with the available information (propriocetive measures, images, etc) which is referred as self-calibration. First, the necessary hypothesis for calibration are analyzed. This theoretical study, illustrated with examples, leads to the definition of the necessary conditions for an efficient calibration. With those conditions, the required accuracy of the model parameters and the maximal measurement noise allowed for calibration can be calculated. A physically meaningful stop criterion for the identification algorithm can also be derived and a normalization of the identification Jacobian matrix is proposed, which permits the analysis of its singular values in order to detect identifiability problems. Concerning the telescope modeling, three kinematic models taking into account the telescope flexure joint behaviors are proposed, for example using the beam theory or the static equilibrium of the mobile platform. Those models are compared through an analysis of the calibration results using photogrammetry. This analysis highlights a deformation of the mobile platform of the telescope, that was considered using two models. Thus, the kinematic model of the telescope is composed of both a model for the flexure joints and a model approaching the mobile platform deformation. This model was validated with the calibration results of photogrammetry.

Cette thèse de doctorat s'adresse tout particulièrement à deux groupes de personnes travaillant sur la cinématique des mécanismes parallèles : les ingénieurs mécaniciens et les géométriciens. À l'origine, ce travail devait être basé uniquement sur des concepts et des outils d'ingénierie. Cependant, à mi-parcours, il a été pertinent d'utiliser un aspect pratique de l'algèbre géométrique et, désormais, cette thèse se veut un judicieux mélange de ces deux approches. En effet, contrairement à ce qu'on trouve généralement dans la littérature, le travail présenté ici ne favorise pas une méthode par rapport à l'autre, mais vise plutôt à utiliser les synergies possibles entre les méthodes de l'ingénierie mécanique et de l'algèbre géométrique. En gardant comme étude de cas l'analyse cinématique de mécanismes parallèles symétriques à cinq degrés de liberté, trois translations et deux rotations, cette thèse peut être considérée comme une ligne directrice de l'application de l'algèbre géométrique dans l'analyse cinématique de mécanismes parallèles. Le choix de ce cas s'est avéré heureux puisque les propriétés cinématiques de ce type d'architecture se sont révélées tout à fait remarquables. Dans cette optique, les chapitres 2 à 4 sont consacrés à l'adaptation des outils de l'algèbre géométrique à l'analyse cinématique des mécanismes parallèles. Ces chapitres gardent toujours en toile de fond l'étude des mécanismes parallèles symétriques à cinq degrés de liberté. La contribution majeure du chapitre 2 est le développement d'une approche systématique pour la modélisation cinématique des mécanismes parallèles symétriques qui est appliquée par la suite dans le chapitre 3 aux mécanismes parallèles iii symétriques à cinq degrés de liberté. Cette application donne des résultats étonnants en ce qui a trait au nombre de solutions du problème géométrique direct : 1680 solutions finies et 208 solutions réelles pour une architecture donnée. Toutes ces solutions sont en termes de paramètres de Study, un espace projectif à sept dimensions. Au chapitre 4, la transformation entre cet espace à sept dimensions et celui à trois dimensions est introduite afin d'obtenir les coordonnées cartésiennes et les angles correspondants pour chaque solution. En outre, les propriétés cinématiques de premier ordre sont également étudiées dans ce chapitre afin d'avoir une meilleure compréhension du mécanisme. Le lecteur pourra ensuite suivre dans les chapitres 5 et 6 une étude cinématique basée sur l'espace à trois dimensions. La préoccupation principale du chapitre 5 est l'analyse constructive de l'espace atteignable par une approche géométrique. Un algorithme proposé dans la littérature pour trouver l'espace atteignable pour une orientation constante d'un mécanisme parallèle à six degrés de liberté est alors étendu aux mécanismes parallèles symétriques à cinq degrés de liberté. Le modèle CAO de l'espace atteignable est également présenté. Les résultats de ce chapitre montrent que l'espace atteignable des mécanismes parallèles symétriques à cinq degrés de liberté peut posséder une petite partie isolée. Le chapitre 6 complète quant à lui la réflexion engagée au chapitre 3 sur le problème géométrique direct. Ce problème est ainsi étudié pour des modèles simplifiés qui ont des solutions explicites ou une expression monovariable. Pour une conception quasi-générale, une expression monovariable de degré 220 est obtenue. Dans ce chapitre, nous dévions un peu de l'espace à trois dimensions pour celui à sept dimensions afin de valider et d'affiner les résultats obtenus, une approche qui peut être appliquée à d'autres cas. Le chapitre 7 est pour sa part consacré à l'analyse des singularités des mécanismes parallèles symétriques à cinq degrés de liberté qui repose sur la géométrie grassmanni-enne. Ce chapitre couvre largement l'étude des configurations singulières des mécanismes parallèles symétriques à cinq degrés de liberté pour les architectures simplifiées proposées dans le chapitre 6. La contribution principale de ce chapitre est l'application de la géométrie grassmannienne aux mécanismes parallèles à mobilité réduite pour lesquels une ligne à l'infini est parmi les lignes de Plùcker. Enfin, le chapitre 8 conclut cette thèse en résumant les résultats obtenus dans les chapitres précédents. Il décrit également plusieurs travaux en cours et propose des sujets de travaux futurs pour une nouvelle orientation de la recherche.

De nos jours, la plate-forme de Gough-Stewart est utilisée couramment en industrie. L'inconvénient avec ce type de manipulateur, comme c'est le cas pour tous les manipulateurs parallèles, est que l'analyse de ses lieux de singularité est fastidieuse et n'est pas intuitive. Une expression scalaire décrivant ces lieux a déjà été développée, mais elle comporte 20 coefficients complexes, d'où l'intérêt de la récrire en conservant les termes sous forme vectorielle. Après quelques manipulations effectuées sur la matrice jacobienne, on obtient une expression plus compacte qui peut ensuite être utilisée dans des analyses par intervalles. Ces analyses permettent d'étudier les lieux de singularité pour un espace fini et confirment l'intérêt d'une expression vectorielle. De plus, les facteurs qui influencent la précision des résultats sont énoncés. Dans ce mémoire, l'architecture dite générale et celle de type MSSM sont étudiées afin de démontrer à quel point l'expression des lieux de singularité peut être simplifiée.

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

Ce mémoire présente la conception d’un mécanisme parallèle passif élastique utilisé afin de contrôler un robot sériel à 5 degrés de liberté de façon sécuritaire et intuitive. Ce mémoire présente deux articles qui ont été écrits dans le cadre du projet et qui présentent dans un premier temps l’algorithme de contrôle sur lequel le concept est basé, et dans un deuxième temps le prototype du mécanisme passif servant à détecter les mouvements. L’algorithme de contrôle est inspiré par le concept de manipulateur macro/mini où l’utilisateur interagit avec un mécanisme passif à faible impédance afin de contrôler le mouvement d’un mécanisme actionné qui a une plus grande impédance. Le concept, déjà utilisé pour des manipulateurs de type portique, est étendu à un robot sériel à plusieurs degrés de liberté. L’algorithme utilise une mesure de déplacement du mini-manipulateur passif afin d’appliquer des couples aux moteurs du macromainpulateur actionné. Afin de détecter les déplacements, un capteur à 6 degrés de liberté est conçu. L’architecture du capteur, qui est basée sur la platforme de Gough-Stewart, consiste en un mécanisme parallèle assemblé sur une membrure du robot sériel. Des résultats expérimentaux sont présentés. / This thesis presents the design and experimental validation of a passive elastic parallel mechanism used to control intuitively and safely a five-degree-of-freedom serial robot. The thesis presents two articles which were written in the course of the project. The articles present, firstly, the control algorithm which is the basis of the concept, and secondly, the mechanical design of the passive mechanism. The algorithm is inspired from the macro/mini architecture where the human user interacts with a lowimpedance passive mechanism in order to control the motion of a larger actuated mechanism which has a higher impedance. This concept, used on gantry manipulators, is extended to a serial robot with multiple degrees of freedom. The algorithm uses a displacement measurement from the passive mechanism in order to compute and apply torques to the actuated mechanism. In order to measure the displacements, a passive six-degree-of-freedom mechanism is designed. The architecture of the sensor, based on the Gough-Stewart platform, is in fact a passive parallel mechanism mounted around the link of a serial robot. Experimental results are provided.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Le Laboratoire de robotique de l'Université Laval s'est fixé comme objectif de créer un nouveau type d'interface de locomotion. Ce dernier doit permettre de recréer, de manière exacte, les principaux mouvements exécutés lors de la démarche humaine. D'ailleurs, ce mécanisme est nécessaire à la conception d'un système de réalité virtuelle pouvant reproduire différents types de surfaces à l'utilisateur tout en conservant une inconscience totale de la présence du système de la part de l'usager. Par conséquent, dans le but d'atteindre de tels objectifs, il est requis d'effectuer une étude permettant de déterminer la géométrie adéquate d'un mécanisme respectant des critères de performance aussi exigeants. Ainsi, ce document présente les diverses étapes parcourues lors de l'analyse et de l'obtention de l'architecture d'un mécanisme parallèle à six degrés de liberté entraîne à l'aide de huit câbles. En résumé, l'optimisation de la géométrie, la détection des interférences et la distribution des tensions dans les câbles sont les principaux thèmes qui s'enchaînent dans ce mémoire.