Design and synthesis of mechanical systems with coupled units

par Yang Zhang

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Vigen Arakelyan.

Soutenue le 19-04-2019

à Rennes, INSA , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'ingénieur (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (Comue) , Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (laboratoire) , China scholarship council et de Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes / LS2N (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conception et synthèse des systèmes mécaniques aux unités couplées


  • Résumé

    Ce mémoire traite de nouveaux principes de conception qui sont inspirés par le couplage de deux unités représentant les différentes structures mécaniques. Les critères de conception optimale et les types d'unités combinées sont différents. Cependant, toutes les tâches sont considérées dans le couplage de ces unités. L'examen critique présenté dans le premier chapitre est divisé en trois sections en raison de la nature des problèmes traités: les robots marcheurs, les compensateurs de gravité et les robots collaboratifs. Le deuxième chapitre traite du développement de robots marcheurs à actionneur unique, conçus par couplage de deux mécanismes ayant les fonctionnants de jambe. Basée sur l'algorithme génétique, la synthèse proposée permet d'assurer la reproduction de la trajectoire obtenue à partir de la marche humaine. Par l'ajustement des paramètres géométriques des unités conçues, il devient possible non seulement d'assurer une marche du robot à des pas variables, mais également de monter les escaliers. Ensuite la conception et la synthèse des équilibreurs pour les robots sont considérés. Un costume robotisé type exosquelette permettant d'aider aux personnes transportant des charges lourdes est examiné dans le chapitre suivant La conception proposée présente une symbiose d'un support rigide et léger et d'un système de câbles monté sur ce support. L'étude et l'optimisation statique et dynamique ont conduit aux tests sur un mannequin. Le dernier chapitre propose l'étude et 'optimisation d'un système couplé, comprenant un manipulateur équilibré à commande manuelle et un robot collaboratif. Le but d'une telle coopération est de manipuler de lourdes charges avec un cobot.


  • Résumé

    This thesis deals with the design principles, which arc based on the coupling of two mechanical structures. The criteria for optimal design and the types of combined units are different. However, all the tasks are considered in coupling of given mechanical units. The critical review given in the first chapter is divided into three sections due to the nature of the examined problems: legged walking robots, gravity compensators used in robots and collaborative robots. Chapter two deals with the development of single actuator walking robots designed by coupling of two mechanisms. Based on the Genetic Algorithm, the synthesis allows one to ensure the reproduction of prescribed points of the given trajectory obtained from the walking gait. By adjusting the geometric parameters of the designed units, it becomes possible not only to operate the robot at variable steps, but also to climb the stairs. The next chapter deals with the design and synthesis of gravity balancers. A robotic exosuit that can help people carrying heavy load is the subject of chapter four. The proposed exosuit presents a symbiosis of two systems: rigid lightweight support and cable system. Static and dynamic studies and optimization are considered. Experiments are also carried out on a mannequin test bench. The last chapter presents a coupled system including a hand-operated balanced manipulator and a collaborative robot. The aim of such a cooperation is to manipulate heavy payloads with less powerful robots. Dynamic analysis of the coupled system is perfonned and methods for reducing the oscillation of the HOBM at the final phase of the prescribed trajectories are proposed.


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