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Gathering presentations to the First International Conference on Cable-Driven Parallel Robots, this book covers classification and definition, kinematics, workspace analysis, cable modeling, hardware/prototype development, control and calibration and more.
Cable-driven parallel robots are a new kind of lightweight manipulators with excellent scalability in terms of size, payload, and dynamics capacities. For the first time, a comprehensive compendium is presented of the field of cable-driven parallel robots. A thorough theory of cable robots is setup leading the reader from first principles to the latest results in research. The main topics covered in the book are classification, terminology, and fields of application for cable-driven parallel robots. The geometric foundation of the standard cable model is introduced followed by statics, force distribution, and stiffness. Inverse and forward kinematics are addressed by elaborating efficient algorithms. Furthermore, the workspace is introduced and different algorithms are detailed. The book contains the dynamic equations as well as simulation models with applicable parameters. Advanced cable models are described taking into account pulleys, elastic cables, and sagging cables. For practitioner, a descriptive design method is stated including methodology, parameter synthesis, construction design, component selection, and calibration. Rich examples are presented by means of simulation results from sample robots as well as experimental validation on reference demonstrators. The book contains a representative overview of reference demonstrator system. Tables with physical parameters for geometry, cable properties, and robot parameterizations support case studies and are valuable references for building custom cable robots. For scientist, the book provides the starting point to address new scientific challenges as open problems are named and a commented review of the literature on cable robot with more than 500 references are given.
Les robots parallèles suspendus entraînés par câbles utilisent, comme leur nom l'indique, des câbles afin de déplacer une plate-forme mobile suspendue appelée effecteur. Chaque câble du robot relie l'effecteur à une poulie statique fixée à une base et qui est actionnée par un moteur. Le mouvement de l'effecteur est une conséquence de l'enroulement et du déroulement des câbles autour des poulies actionnées. Ces robots requièrent un nombre de câbles supérieur ou égal au degré de liberté de mouvement de l'effecteur (soit trois dans un plan et six dans l'espace tridimensionnel). Certaines applications des robots parallèles suspendus entraînés par câbles requièrent seulement la possibilité de déplacer en translation l'effecteur. Dans ces circonstances, il est possible de minimiser le nombre de moteurs requis en utilisant des arrangements de câbles en parallélogramme afin d'actionner deux câbles du robot avec un seul moteur. Ces câbles sont alors toujours parallèles et de même longueur tant et aussi longtemps que les câbles sont en tension. L'objectif de ce mémoire est de présenter les capacités de deux Robots Parallèles Suspendus Entraînés par Câbles (RPSEC) translationnels possédant des arrangements de câbles en parallélogramme. Afin de mieux introduire les sujets principaux étudiés dans ce mémoire, le premier chapitre présente une revue de la littérature scientifique. Cette revue est séparée en quatre sujets soit : Les RPSEC en général, les espaces de travail des RPSEC, la capacité des RPSEC à entreprendre des trajectoires dynamiques ainsi que les robots parallèles ayant des arrangements d'actionneurs en parallélogrammes. Le second chapitre porte sur un RPSEC plan translationnel à 2 DDL. La géométrie spéciale de ce RPSEC utilisant des câbles en parallélogramme est d'abord présentée ainsi qu'une étude du degré de mobilité du robot. Une modélisation cinématique du mécanisme est par la suite effectuée qui permet de résoudre le Problème Géométrique Direct (PGD) et Inverse (PGI) du robot. Cette résolution du PGI et du PGD permet ensuite de dériver les équations de vitesse qui sont utilisées pour déterminer les lieux de singularité du robot. Une modélisation dynamique est par la suite effectuée qui permet de déterminer des inégalités algébriques qui, lorsqu'elles sont respectées, assurent que les câbles du mécanisme sont en tension. Ces inégalités sont ensuite utilisées pour étudier les limites de l'Espace de Travail Statique (ETS) et de l'espace de travail Statique avec Torseur (ETST) du robot en fonction des paramètres géométriques du robot. Les inégalités sont également utilisées pour planifier des trajectoires elliptiques qui permettent au robot de sortir de l'ETST. Le troisième chapitre présente un RPSEC spatial translationnel à 3DDL. Comme le mécanisme du chapitre précédent, ce mécanisme utilise des câbles arrangés en parallélogrammes. Une étude de la cinématique de ce robot est présentée ce qui permet la résolution du PGD et du PGI. Cette étude permet ensuite de déterminer les lieux de singularité du robot ainsi que les possibles intersections entre les câbles du robot. Une modélisation de la dynamique du robot est par la suite effectuée qui permet de déterminer des conditions paramétriques qui assurent une tension dans les câbles. Ces conditions sont utilisées pour déterminer l'ETS du robot ainsi que son ETST. Une planification de trajectoire elliptique est également présentée pour ce robot. Enfin, le dernier chapitre présente un prototype du robot présenté au troisième chapitre. Une méthodologie est d'abord élaborée qui permet de mettre en évidence les différentes étapes nécessaires à la réalisation d'un tel prototype. Le robot est par la suite testé en le déplaçant dans son espace de travail statique et en produisant des trajectoires de type elliptique qui lui permettent de sortir de son espace de travail statique.
Cette thèse s'intéresse à la modélisation et à l'étude de sensibilité des Robots Parallèles à Câbles (RPC) vis-à-vis des paramètres géométriques et mécaniques. Ce système robotique présente de nombreux avantages dans son utilisation. Cependant, sa conception et sa commande demeurent des problématiques fortes. Ces travaux étudient l'influence sur la précision des RPC des paramètres géométriques introduits par la présence des poulies, mais aussi des phénomènes mécaniques liés à l'utilisation des câbles dans la chaîne d'actionnement. L'objectif principal est d'obtenir une conception préliminaire de RPC optimale, dans le but de simplifier les schémas de commandes tout en augmentant leur précision. Un état de l'art est réalisé au chapitre 1, mettant en lumière les verrous scientifiques persistants dans le domaine des RPC. Il en ressort que leur précision reste une source d'amélioration importante. Une des causes de ce manque de précision est la non prise en compte dans les modèles standards des poulies et de la longueur de câble entre ces dernières et les enrouleurs, appelée longueur morte. De plus, l'absence d'étude de l'influence des paramètres géométriques des poulies sur la pose de la Plate-forme Mobile (PM) ainsi que des phénomènes mécaniques inhérents au câble, tel que l'hystérésis, a pu être constatée. Le chapitre 2 présente le développement de modèles, dits étendus, pour tous types de RPC. Ces modèles prennent en compte les poulies, la longueur morte ainsi que l'élasticité uni-directionelle du câble et son fléchissement. Dans les chapitres suivants, les analyses portent sur des RPC suspendus à 3 degrés de liberté ayant un point masse comme PM. Le chapitre 3 s'intéresse dans un premier temps à la conception d'une nouvelle architecture de poulie sur la base d'un joint de cardan. Cette poulie innovante, jamais observée chez les industriels, a été conçue dans l'objectif de réduire ses contraintes mécaniques et les effets de sa géométrie sur l'erreur de pose de la PM. Dans un second temps, l'influence des paramètres géométriques des poulies sur la précision des RPC est étudiée. Cela révèle qu'au regard des effets de ces paramètres il est nécessaire de prendre en compte l'ensemble des dimensions des poulies dans la résolution des modèles inverses. De plus, une bonne sélection de ces paramètres permet de réduire les erreurs de pose de la PM. L'élasticité des câbles est par la suite étudiée pour observer son effet sur l'erreur de pose de la PM. Dans un premier temps, cette analyse est faite en considérant que l'incertitude sur le module de Young varie de façon identique sur l'ensemble des câbles. Elle révèle qu'une diminution de l'élasticité a un effet sur l'erreur de pose de la PM plus important que son augmentation. De plus, quelle que soit la dimension du RPC, une analyse de sensibilité montre que le module de Young présente un effet supérieur à celui de la masse de la PM et de la masse linéique du câble. Le chapitre 4 traite de l'incertitude sur l'élasticité en la considérant indépendante d'un câble à l'autre. Cela nous permet de présenter l'influence du phénomène d'hystérésis de l'élasticité des câbles sur l'incertitude de pose de la PM. La dernière partie de ce chapitre s'intéresse à l'optimisation de l'architecture de RPC afin de réduire l'erreur de pose de la PM imputable à l'hystérésis. Cette erreur peut-être relativement importante, pouvant atteindre jusqu'à 50% de l'erreur générée par l'utilisation des modèles standards. Cependant, pour une trajectoire donnée, la reconfiguration des points d'accroche des poulies sur la structure du RPC permet de fortement réduire l'influence de cette hystérésis sur la précision des RPC. Les méthodes d'analyse des incertitudes et les résultats présentés dans ces travaux de thèse permettent une meilleure compréhension de la répartition de l'erreur de pose de la PM lors de l'utilisation des RPC et un nouvel éclairage sur leur prise en compte au stade de la conception préliminaire.
Les robots parallèles entraînés par câbles sont un type de manipulateur bénéficiant d’un grand espace de travail en translation tout en offrant des performances dynamiques supérieures à celles des architectures de robots traditionnelles. Malgré tout, ceux-ci demeurent tout de même peu utilisés et les rares prototypes qui existent sont la plupart du temps trouvés en milieu académique. Plusieurs problèmes qui empêchent l’implantation des robots parallèles à câbles en milieu industriel nécessitent encore un peu de travail. Le but principal de ce manuscrit est d’étudier et de proposer des solutions à quelques problèmes qui pourraient survenir lors de la mise en service de tels robots. Premièrement, une méthode d’identification du couple d’encochage aux moteurs est utilisée afin d’uniformiser le mouvement à basse vitesse des moteurs. Les courbes de couple d’encochage résultantes sont par la suite incorporées à un schéma de commande qui est utilisé de manière subséquente. Deuxièmement, des essais de téléopération sont effectués avec un robot plan afin de simuler une tâche d’assemblage à moyenne échelle. Ces tests permettent de déterminer qu’une précision de ±5.3 mm est atteignable lorsqu’un humain commande l’effecteur en étant basé sur une rétroaction visuelle seulement. Troisièmement, on remarque généralement que les robots parallèles entraînés par câbles ont une précision absolue moindre que les autres robots parallèles. Afin de tenter de résoudre ce problème, une méthode d’étalonnage automatique à l’aide d’une caméra embarquée est proposée. Celle-ci inclut une méthode de génération d’une liste de poses d’étalonnage. Un modèle d’erreur est également proposé et comparé aux résultats obtenus en simulation. En dernier lieu, une validation expérimentale est réalisée, puis une vérification permet de conclure que l’application de la méthode se traduit par une erreur moyenne de 31 mm en position et 1.6° en orientation.
Les robots parallèles entraînés par câbles sont un type de manipulateur bénéficiant d'un grand espace de travail en translation tout en offrant des performances dynamiques supérieures à celles des architectures de robots traditionnelles. Malgré tout, ceux-ci demeurent tout de même peu utilisés et les rares prototypes qui existent sont la plupart du temps trouvés en milieu académique. Plusieurs problèmes qui empêchent l'implantation des robots parallèles à câbles en milieu industriel nécessitent encore un peu de travail. Le but principal de ce manuscrit est d'étudier et de proposer des solutions à quelques problèmes qui pourraient survenir lors de la mise en service de tels robots. Premièrement, une méthode d'identification du couple d'encochage aux moteurs est utilisée afin d'uniformiser le mouvement à basse vitesse des moteurs. Les courbes de couple d'encochage résultantes sont par la suite incorporées à un schéma de commande qui est utilisé de manière subséquente. Deuxièmement, des essais de téléopération sont effectués avec un robot plan afin de simuler une tâche d'assemblage à moyenne échelle. Ces tests permettent de déterminer qu'une précision de ±5.3 mm est atteignable lorsqu'un humain commande l'effecteur en étant basé sur une rétroaction visuelle seulement. Troisièmement, on remarque généralement que les robots parallèles entraînés par câbles ont une précision absolue moindre que les autres robots parallèles. Afin de tenter de résoudre ce problème, une méthode d'étalonnage automatique à l'aide d'une caméra embarquée est proposée. Celle-ci inclut une méthode de génération d'une liste de poses d'étalonnage. Un modèle d'erreur est également proposé et comparé aux résultats obtenus en simulation. En dernier lieu, une validation expérimentale est réalisée, puis une vérification permet de conclure que l'application de la méthode se traduit par une erreur moyenne de 31 mm en position et 1.6° en orientation.
In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can transmit forces only when they are taut. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis-based procedure for the solution of the direct geometric problem (DGP) of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with its design and simulation phases.
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.
Due to the fast growth in industry and in order to reduce manufacturing budget, increase the quality of products and increase the accuracy of manufactured products in addition to assure the safety of workers, people relied on mechanisms for such purposes. Recently, cable driven parallel mechanisms (CDPMs) have attracted much attention due to their many advantages over conventional parallel mechanisms, such as the significantly large workspace and the dynamics capacity. In addition, it has lower mass compared to other parallel mechanisms because of its negligible mass cables compared to the rigid links. In many applications it is required that human interact with machines and robots to achieve tasks precisely and accurately. Therefore, a new domain of scientific research has been introduced, that is human robot interaction, where operators can share the same workspace with robots and machines such as cable driven mechanisms. One of the main requirements due to this interaction that robots should respond to human actions in accurate, harmless way. In addition, the trajectory of the end effector is coming now from the operator and it is very essential that the initial trajectory is kept unchanged to perform tasks such assembly, operating or pick and place while avoiding the cables to interfere with each other or collide with the operator. Accordingly, many issues have been raised such as control, vibrations and stability due the contact between human and robot. Also, one of the most important issues is to guarantee collision free space (to avoid collision between cables and operator and to avoid collisions between cables itself). The aim of this research project is to model, design, analysis and implement reconfigurable six degrees of freedom parallel mechanism driven by eight cables. The main contribution of this work will be as follow. First, develop a nonlinear model and solve the forward and inverse kinematics issue of a fully constrained CDPM given that the attachment points on the rails are moving vertically (conventional cable driven mechanisms have fixed attachment points on the rails) while controlling the cable lengths. Second, the new idea of reconfiguration is then used to avoid interference between cables and between cables and operator limbs in real time by moving one cable's attachment point on the frame to increase the shortest distance between them while keeping the trajectory of the end effector unchanged. Third, the new proposed approach was tested by creating a simulated intended cable-cable and cable-human interference trajectory, hence detecting and avoiding cable-cable and cable-human collision using the proposed real time reconfiguration while maintaining the initial end effector trajectory. Fourth, study the effect of relocating the attachment points on the constant-orientation wrench feasible workspace of the CDPM. En raison de la croissance de la demande de produits personnalisés et de la nécessité de réduire les coûts de fabrication tout en augmentant la qualité des produits et en augmentant la personnalisation des produits fabriqués en plus d'assurer la sécurité des travailleurs, les concepteurs se sont appuyés sur des mécanismes robotiques afin d'atteindre ces objectifs. Récemment, les mécanismes parallèles entraînés par câble (MPEC) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs nombreux avantages par rapport aux mécanismes parallèles conventionnels, tels que l'espace de travail considérablement grand et la capacité dynamique. De plus, ce mécanisme a une masse plus faible par rapport à d'autres mécanismes parallèles en raison de ses câbles de masse négligeable comparativement aux liens rigides. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire que l'humain interagisse avec les machines et les robots pour réaliser des tâches avec précision et rapidité. Par conséquent, un nouveau domaine de recherche scientifique a été introduit, à savoir l'interaction humain-robot, où les opérateurs peuvent partager le même espace de travail avec des robots et des machines telles que les mécanismes entraînés par des câbles. L'une des principales exigences en raison de cette interaction que les robots doivent répondre aux actions humaines d'une manière sécuritaire et collaboratif. En conséquence, de nombreux problèmes ont été soulevés tels que la commande et la stabilité dues au contact physique entre l'humain et le robot. Aussi, l'un des enjeux les plus importants est de garantir un espace sans collision (pour éviter les collisions entre des câbles et un opérateur et éviter les collisions entre les câbles entre eux). Le but de ce projet de recherche est de modéliser, concevoir, analyser et mettre en œuvre un mécanisme parallèle reconfigurable à six degrés de liberté entraîné par huit câbles. La principale contribution de ces travaux de recherche est de développer un modèle non linéaire et résolvez le problème de cinématique direct et inverse d'un CDPM entièrement contraint étant donné que les points d'attache sur les rails se déplacent verticalement (les mécanismes entraînés par des câbles conventionnels ont des points d'attache fixes sur les rails) tout en contrôlant les longueurs des câbles. Dans une deuxième étape, l'idée de la reconfiguration est ensuite utilisée pour éviter les interférences entre les câbles et entre les câbles et les membres d'un opérateur en temps réel en déplaçant un point de fixation du câble sur le cadre pour augmenter la distance la plus courte entre eux tout en gardant la trajectoire de l'effecteur terminal inchangée. Troisièmement, la nouvelle approche proposée a été évaluée et testée en créant une trajectoire d'interférence câble-câble et câble-humain simulée, détectant et évitant ainsi les collisions câble-câble et câble-humain en utilisant la reconfiguration en temps réel proposée tout en conservant la trajectoire effectrice finale. Enfin la dernière étape des travaux de recherche consiste à étudiez l'effet du déplacement des points d'attache sur l'espace de travail réalisable du CDPM.