La manipulation aérienne est l’un des défis de la robotique au cours de cette dernière décennie. L’un des freins au développement des manipulateurs aériens est l’autonomie limitée des drones, réduite par la charge et la consommation électrique du manipulateur embarqué. Une solution pour dépasser cette limite passe par la collaboration de plusieurs drones dans une tâche de manipulation. Cette thèse porte sur la conception et la commande d’un nouveau type de véhicule autonome aérien destiné à la manipulation. Le concept consiste à faire collaborer plusieurs drones, en particulier des quadricoptères, au travers d’une architecture passive polyarticulée. Le robot ainsi obtenu est une fusion entre l’architecture passive d’un robot parallèle et plusieurs drones. L’étude du modèle dynamique de cette classe de robots met en avant un découplage dans le modèle dynamique. Ce découplage permet la conception d’une commande en cascade qui assure la stabilisation et le suivi de trajectoire pour ces robots. Deux cas d’étude sont ensuite déclinés dans cette thèse : un robot parallèle volant à deux drones et un robot parallèle volant à trois drones. Pour ces deux robots, une simulation numérique est effectuée afin de valider le fonctionnement de la commande. Ces simulations ont également permis de valider la possibilité de changer la configuration de l’architecture passive en vol. Les travaux ont été portés avec succès jusqu’au stade expérimental pour le robot volant à deux drones. / Aerial manipulation is one of the challenges of robotics over the last decade. One of the constraints on the development of aerial manipulators is the limited autonomy of drones, reduced by the load and energy consumption of the on-board manipulator. One way to overcome this limit is to have several drones collaborate on a manipulation task. This thesis deals with the design and control of a new type of autonomous aerial vehicle for manipulation tasks. The concept consists in the collaboration of several drones, in particular quadrotors, through a polyarticulated passive architecture. The robot thus obtained is a fusion between the passive architecture of a parallel robot and several drones. The study of the dynamic model of this robot class highlights a decoupling in the dynamic model. This decoupling allows the design of a cascade control law. This controller provides stabilization and trajectory tracking for these robots. Two study cases are then presented in this thesis: a flying parallel robot with two drones and a flying parallel robot with three drones. For these two robots, a numerical simulation is performed to validate the controller performances. These simulations also allowed to validate the reconfiguration abilities of passive architecture in flight. The work was successfully carried to the experimental stage for the flying robot with two drones.

Le projet de recherche qui est présenté dans ce mémoire a été réalisé dans le cadre d'une maîtrise en génie mécanique. Le but de ces recherches était de réaliser un mécanisme haptique avec un robot à câbles ayant la capacité de reproduire des contacts brusques et rigides durant une simulation en réalité virtuelle. Un simulateur de combat d'épée élémentaire a donc été construit pour servir de banc d'essai puisque ce genre de simulation nécessite ces genres de contacts. La majeure partie du projet était consacrée à l'élaboration des prototypes d'enrouleurs du mécanisme à câbles. Ces enrouleurs ont été conçus pour créer des impacts en induisant la collision de deux petites pièces métalliques. Les vibrations créées ainsi voyagent des enrouleurs vers l'utilisateur par l'entremise des câbles et l'effecteur et donnent ainsi la sensation de frapper un objet rigide. Les mécanismes ainsi créés sont très innovateurs et démontrent beaucoup de potentiel. Le fonctionnement de ces enrouleurs, ainsi que le processus de conception qui a mené à l'élaboration de ceux-ci est détaillé tout au long de ce mémoire. De plus, la performance de ces mécanismes est évaluée et il y a une liste de recommandations pour créer un prototype plus avancé.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020 / Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés. / Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.

Cette thèse présente l'analyse, la synthèse, l'optimisation, le design et la validation expérimentale de mécanismes de sécurité dans le contexte de l'interaction physique humain-robot. Afin d'améliorer la sécurité, une condition essentielle à la coexistence d'humains et de robots, une approche basée sur la conception de manipulateurs intrinsèquement sécuritaires est préférée à des systèmes d'évitement et de détection de collision, pour des raisons de fiabilité. La force maximale de contact survenant lors d'une collision est utilisée comme critère de sécurité pour sa simplicité et sa validité dans le contexte de la robotique. Pour les robots sériels, il est proposé de placer un limiteur de couple en série avec chaque actionneur tandis que pour les robots suspendus, on opte pour la séparation de la base et de l'effecteur par un mécanisme parallèle dont certains pivots sont remplacés par des limiteurs de couple --- formant ainsi un \emph{limiteur de force cartésien}. L'utilisation de ces mécanismes permet de réduire l'inertie effective du manipulateur lorsqu'une collision survient sans nuire aux performances du robot en situation normale. Un modèle est d'abord créé afin de comparer par simulation les gains de sécurité obtenus par des limiteurs de couple et d'autres mécanismes de sécurité articulaires utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres dispositifs. Des méthodes de commande optimale des seuils de limiteurs de couple ajustables placés en série avec chaque actionneur d'un robot sériel sont ensuite développées. Un indice de performance cinématique est proposé afin d'optimiser la pose et l'architecture d'un tel robot. L'approche et les méthodes développées sont validées expérimentalement à l'aide de prototypes de limiteurs de couple ajustables basés sur la friction placés en série avec les actionneurs d'un robot sériel à quatre degrés de liberté. Finalement, des architectures de limiteurs de force cartésiens sont proposées et optimisées et leur efficacité dans le contexte des robots suspendus est validée expérimentalement. / This thesis presents the analysis, synthesis, optimization, design and experimental validation of safety mechanisms in the context of physical human-robot interaction. In order to improve safety, which is essential to allow the coexistence of humans and robots, an approach based on the design of intrinsically safe manipulators is preferred to collision avoidance and detection systems for reliability reasons. The maximum contact force occuring during a collision is used as a safety criterion due to its simplicity and validity in the context of robotics. For serial robots, it is proposed to place a torque limiter in series with each actuator whereas for suspended robots, it is preferable to separate the base and the effector with a parallel mechanism in which some joints are replaced with torque limiters --- thereby forming a \emph{Cartesian force limiting device}. The use of such mechanisms allows the reduction of the effective manipulator inertia during a collision without affecting the performances under normal conditions. A model is first created in order to compare --- using simulations --- the safety gains obtained with torque limiters with the ones obtained with other articular safety mechanisms when they are implemented alone or in combination with other safety devices. Methods to optimally control the thresholds of adjustable torque limiters placed in series with each actuator of a serial robot are developed. A kinematic performance index is proposed in order to optimize the pose and architecture of such a robot. The approach and the developed methods are experimentally validated using prototypes of adjustable torque limiters based on friction which are placed in series with each actuator of a four-degree-of-freedom robot. Finally, architectures of Cartesian force limiting devices are proposed and optimized and their effectiveness in the context of suspended robots is experimentally validated.

In order to improve the design of mechanical or mechatronic systems, mathematical optimization techniques have become an efficient and attractive tool with the increasing development of computer resources. However, the application of such optimization methods to multibody systems (MBS) remains a challenge when the MBS analysis requires the solving of assembly constraints. Hence, this PhD research focuses on the optimization of such closed-loop MBS, particularly when the objective function is of geometrical or kinematic nature. For kinematic optimization of MBS, we propose two penalty strategies to deal with assembly constraints during optimization. Both strategies are compared and illustrated via applications such as the isotropy maximization of parallel manipulators: the 3-dof Delta robot and the 6-dof Hunt platform. Following the same strategies, geometrical optimization of MBS is then investigated. However, due to a higher complexity, we propose to relax the problem, combining two modeling approaches: rigid-body and extensible-link formulations. This leads to a two-step strategy which is then successfully applied to synthesize mechanisms for path-following or function-generation problems. Through these applications, the existence of multiple local optima is highlighted. Therefore, instead of focusing on the unique global optimum solution, we have developed original methods to search and propose several local solutions for the design problem. This approach is called morphological optimization. This enables the designer to choose finally the best solution among several local optima using additional design criteria. Such morphological optimization techniques open the doors for the topology optimization of MBS which remains a challenging problem for future research / Afin d'améliorer la conception de systèmes mécaniques ou mécatroniques, les techniques d'optimisation mathématique sont devenues un outil efficace et attrayant étant donné le développement croissant des ressources informatiques. Cependant, l'application de telles méthodes d'optimisation sur les systèmes multicorps demeure un défi quand l'analyse du système nécessite la résolution de contraintes d'assemblage. C'est pourquoi cette recherche doctorale se concentre sur l'optimisation de tels systèmes multicorps, particulièrement lorsque la fonction objectif est de nature géométrique ou cinématique. Pour l'optimisation cinématique des systèmes multicorps, nous proposons deux stratégies de pénalité pour traiter les contraintes d'assemblage en cours d'optimisation. Ces deux stratégies sont comparées et illustrées par des applications telles que la maximisation d'isotropie de manipulateurs parallèles. Suivant les mêmes stratégies, l'optimisation géométrique des systèmes multicorps est alors étudiée. Cependant, vu la plus grande complexité, nous proposons de relaxer le problème en combinant deux approches de modélisation : une formulation en termes de corps rigides et une autre en termes de liens extensibles. Ceci nous mène à une stratégie en deux étapes qui est alors appliquée avec succès pour la synthèse de mécanismes. A travers ces applications, on a mis en évidence l'existence d'optimums locaux multiples. Dès lors, plutôt que de se focaliser sur l'unique optimum global, nous avons développé des méthodes originales afin de rechercher et proposer plusieurs solutions locales pour le problème de conception. Cette approche est baptisée "optimisation morphologique". Elle permet au concepteur de choisir finalement la meilleure solution parmi plusieurs optimums locaux en utilisant des critères supplémentaires de conception. De telles techniques d'optimisation morphologique ouvrent les portes pour l'optimisation topologique des systèmes multicorps qui demeure un challenge motivant pour des recherches futures.

Les Robots Parallèles à Câbles (RPCs) sont des robots parallèles dont les jambes se composent de câbles. Les applications industrielles potentielles des RPCs sont nombreuses telles que le grenaillage et la peinture de structures massives et de grandes dimensions.La première partie de ce manuscrit est dédié à la modélisation des RPCs. Deux modèles élasto-statiques ont été introduits dans ce manuscrit, pour décrire le petit déplacement de la plate-forme mobile en raison de la nature non-rigide des câbles. Le modèle élasto-statique basé sur des câbles pesants a été exprimé en faisant la différence entre la matrice de raideur active et la matrice de raideur passive du RPC.La deuxième partie de ce manuscrit traite de l’analyse d’espaces de travail de RPCs vis-à-vis de leurs performances statiques et dynamiques. Deux nouveaux espaces de travail ont été définis : (i) l'Espace des Vitesses Générables (EVG);(ii) l’Espace de Travail Dynamique Amélioré (ETDA). La troisième partie de ce manuscrit décrit une stratégie de conception générique de RPCs et des Robots Parallèles à Câbles Reconfigurables (RPCRs). Les reconfigurations sont limitées uniquement aux points de sortie des câbles. Dans ce manuscrit, les points de sortie des câbles peuvent être placés dans une large mais limité ensemble de positions. La stratégie proposée envisage la possibilité de déplacer les points de sortie des câbles du RPCR sur une grille prédéfinie d'emplacements.La quatrième partie de ce manuscrit présente un algorithme pour calculer une stratégie de reconfiguration optimale pour les RPCRs. Cette stratégie peut être utilisée lorsque l'environnement de travail de RPCRs est extrêmement encombré et qu’il n'est pas possible de prévoir le nombre de configurations nécessaires pour compléter la tâche.L'efficacité de l'algorithme a été analysée en étudiant les reconfigurations d’un robot parallèle à câbles planaire et d’un robot parallèle à câbles spatial en lien avec des applications industrielles. / Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) are parallel robots whose legs consist of cables. CDPRs may be used successfully in several industrial applications such as sandblasting and painting of large and heavy structures.The first part of this manuscript is dedicated to the modelling of CDPRs. Two elasto-static models have been introduced in this manuscript, in order to describe the small displacement of the moving platform due to the non-rigid nature of the cables. These models can be used for the modal analysis of the CDPRs, as well. The elasto-static model based on linear cables has been computed including the effect of the pulleys orienting the cables into the CDPR workspace.The second part of this manuscript deals with the investigation of the workspace of CDPRs, in terms of their moving platform static and dynamic equilibria, and in terms of their moving platform kinematic constraints. Two novel workspaces have been defined: (i) the Twist Feasible Workspace (TFW); (ii) the Improved Dynamic Feasible Workspace (IDFW). The third part of this manuscript describes a generic design strategy for CDPRs and a novel design strategy for Reconfigurable Cable-Driven Parallel Robots (RCDPRs). In this manuscript, reconfigurations are limited to the thedisplacement of the cable exit points, assuming the cables exit points can be installed on a large but finite set of locations.The fourth part of this manuscript introduces an algorithm to compute an optimal reconfiguration strategy for RCDPRs. This strategy can be used when the working environment of the RCDPR is extremely cluttered and when it is not possible to predict how many configurations are necessary to complete the task. The effectiveness of the algorithm hasbeen analysed by means of a planar and a spatial casestudies reproducing some industrial tasks.

Les robots parallèles à câbles sont une variante originale des robots parallèles. L'utilisation de câbles en lieu et place des segments rigides procure à ce type de robots un espace de travail potentiellement très grand car des longueurs importantes de câbles peuvent être déroulées. Toutefois, dans la plupart des études sur les robots à câbles, un modèle de câble sans masse non élastique est utilisé. Si dans le cas de robots de faibles dimensions soumis à de faibles efforts, ce modèle est valide, lorsque l'on considère des applications de très grande dimension pour lesquels la masse des câbles et l'élasticité ne peuvent plus être négligées, ces modèles simples ne sont plus valables. Ces travaux de thèse proposent des nouvelles méthodes d'étude des robots parallèles à câbles de grande dimension. Dans un premier temps, des tests de traction réalisés sur différents câbles permettent de proposer différents modèles élastiques. La modélisation d'un câble par une caténaire élastique est ensuite rappelée, et l'erreur importante obtenue en négligeant la masse des câbles est mise en exergue. La modélisation par caténaire élastique bien que précise, nécessite la résolution d'un système d'équations couplées non-linéaires. Un modèle simplifié de câble pesant est alors présenté. Il permet, sous l'hypothèse de faible déflection du câble, de simplifier la résolution de l'équilibre statique d'un robot à câble. Ce modèle permet également de développer des outils utiles à la détermination de l'ensemble des torseurs d'efforts admissibles à la plate-forme d'un robot parallèle à câbles. La vérification de l'inclusion de l'ensemble des torseurs nécessaires à la réalisation d'une tâche dans l'ensemble des torseurs admissibles est finalement utilisée comme critère d'optimisation pour une méthode de conception de robots à câbles de grandes dimensions. / Cable-driven robot is an original variation of parallel robots. Replacing rigid bodies by cables provides new capabilities to these robots, and particularly large-size workspaces, since long cable lengths can be deployed. In the literature, cables are usually supposed to be inextensible and massless. If this modeling is valid for small robots with moderate payloads, this cable model is not accurate enough to be used for large dimension cable-driven robots. The work presented here focuses on the modeling of such large cable robots. First, from a set of traction tests applied to various cables, elastic models are proposed. Then, the well-know elastic catenary model is recalled, and its effects on the modeling of large dimension cable robots is shown. However, when using this cable model, solving the platform static equilibrium require the resolution of a non-linear coupled equation system. Assuming a low sagging of the cable, some simplifications can be made to this model. The resulting simplified hefty cable model is then presented and the new expression of the static equilibrium is shown to be close to the one obtained with the massless cable model. Thus, it allows us to determine the set of admissible mobile platform wrenches at a given pose. By comparing this set to the set of required wrenches for a specific task a cost function is finally defined and used in a design procedure dedicated to large dimension cable-driven robots.

Les applications de pick-and-place à hautes cadences requièrent des caractéristiques très élevées en terme de performances dynamiques, que seuls les robots parallèles sont capables d'atteindre. Les robots à quatre degrés de liberté proposent le plus de flexibilité, mais l'amplitude de la rotation permettant l'orientation de l'objet est souvent le point faible de ces architectures. Cependant, le concept de nacelle articulée permet de dépasser cet inconvénient. Ainsi, trois nouvelles architectures de robots de pick-and-place à quatre degrés de liberté sont présentées dans ce manuscrit : les architectures Par4, Héli4 et Dual4. Pour chacun des robots présentés, une étude complète est effectuée et un démonstrateur est réalisé afin de valider les concepts et de les évaluer. Une méthode de modélisation dynamique simplifiée appliquée aux robots à nacelle articulée est ensuite présentée. Cette méthode est appliquée au robot Par4 et permet de mettre en avant un déséquilibre des couples moteurs sur ce mécanisme. Il est alors démontré qu'un changement mineur dans la cinématique de la nacelle permet de réduire de 30% les couples mis en jeux lors de trajectoires de prises-déposes. Une nouvelle version "équilibrée" du robot est donc proposée en se fondant sur l'étude dynamique présentée précédemment. Enfin, deux types d'optimisations appliquées aux robots de pick-and-place sont présentés. Tout d'abord, une méthode de recherche des paramètres géométriques dédiée aux robots de pick-and-place est présentée et appliquée au robot Par4. De plus, une génération de trajectoire utilisant les clothoïdes et une loi horaire adaptative est proposée afin d'optimiser les déplacements du robot lors de mouvements de pick-and-place à très hautes accélérations

Un des enjeux actuels de la recherche sur les robots parallèles est de concilier grandes capacités dynamiques<br />et bonne précision. Les travaux présentés dans cette thèse contribuent à la résolution de cette<br />problématique. Trois approches ont été considérées : l'étalonnage géométrique à partir de mesures externes,<br />l'utilisation de la redondance métrologique et enfin l'application du principe de mesure dissociée.<br />Tout d'abord, l'étalonnage géométrique classique d'un robot Delta linéaire puis du premier prototype<br />du robot Par4 sont présentés. Cette méthode, bien qu'efficace dans le cas de problèmes quasi-statiques,<br />s'avère insuffisante lorsque des efforts appliqués sur la structure du robot entraînent des déformations de<br />celui-ci. Le cas des robots parallèles à redondance d'actionnement présente ainsi la particularité d'être<br />difficile à étalonner car des contraintes internes peuvent apparaître dans ces mécanismes et déformer<br />leur structure. C'est pourquoi une méthode pour transformer la redondance d'actionnement en redondance<br />cinématique a été proposée. La redondance métrologique a également été étudiée et plusieurs<br />méthodes tirant profit de cette redondance ont été analysées et testées. Enfin, le concept de dissociation<br />entre l'actionnement et la mesure est introduit. Ce concept, novateur en robotique parallèle, repose<br />sur la séparation entre la transmission du mouvement et des efforts et la mesure de l'état du robot. Ce<br />concept a été appliqué sur une machine-outil à architecture parallèle et un prototype a été réalisé. Des<br />lois de commande ont été testées et les résultats en termes d'amélioration de la précision sont présentés.

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.