Techniques de conception assistée par ordinateur (CAO) pour la caractérisation de l'espace de travail de robots manipulateurs parallèles

Computer Aided Design (CAD) technics for characterizing the workspace of parallel manipulators

• Auteur / Autrice : Khaled Arrouk
• Direction : Grigore Gogu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 12/07/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Saïd Zeghloul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Chablat, Fethi Ben Ouezdou, Belhassen Chedi Bouzgarrou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Chablat, Fethi Ben Ouezdou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Manipulateurs (mécanismes)

Robots industriels

Mots clés libres

Conception-Assistée par Ordinateur (CAO)

Robots manipulateurs parallèles

Espace de travail

Configurations singulières

Modèle géométrique direct

Courbes & surfaces NURBS

Computer-Aided Design (CAD)

Parallel robotic manipulators

Workspace

Singular configurations

Direct geometric model

NURBS curves & surfaces

Résumé

Les environnements CAO fournissent des outils puissants pour la programmation graphique et la manipulation d’entités géométriques complexes. Dans cette thèse, nous proposons d’exploiter ce potentiel dans le domaine de la conception de robots parallèles. Ces robots sont considérés comme une alternative intéressante vis-à-vis de leurs homologues sériels dans différentes applications comme le « pick and place » et l’usinage. Cependant, leur utilisation industrielle est encore restreinte en raison d’un espace de travail limité, de modèles géométriques difficiles à résoudre et l’existence de configurations singulières délimitant leur domaine d’exploitation. L’analyse et la caractérisation de l’espace de travail jouent alors un rôle fondamental dans la phase de conception de robots manipulateurs parallèles. Dans ce travail de thèse, nous proposons des approches géométriques originales donnant lieu à un ensemble de méthodes et techniques basées CAO pour l’analyse et la caractérisation de l’espace de travail de robots parallèles plans et spatiaux. L’espace de travail est généré comme un solide dans l’environnement CAO à partir d’un paramétrage géométrique, d’esquisses et d’opérations élémentaires telles que le balayage hélicoïdal et l’intersection. Nous avons montré que ces méthodes constituent des outils pertinents et efficaces d’aide à la conception des mécanismes parallèles. Ils permettent également la résolution du problème géométrique direct et la génération de trajectoires libres de singularités. Plusieurs types de manipulateurs ont été considérés dans ce travail pour mettre en avant et illustrer les techniques CAO / Géométriques proposées : robots parallèles plans à 3 degrés de mobilité de type 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR et 3-PRR, robots parallèles spatiaux à 6 degrés de mobilité de type ou 3-CRS ou 3-PRRS.

CAD environments provide very powerful tools for graphical programming and manipulation of complex geometric entities. In this thesis, we propose to exploit such potential in the design of parallel robots. These robots are considered an attractive and important alternative towards their serials counterparts in various applications, like “pick and place” and machining. However, their industrial applications are restricted due to limited workspace, complexity related to resolution of the direct geometric model, and in addition the existence of the singular configurations which bound their application field. The analysis and the characterization of the workspace therefore play an essential role in the design phase of parallel robotic manipulators. In this thesis, we suggest original geometric approaches giving rise to a set of methodologies and techniques based on the use of CAD in order to analyze and characterize the workspace of planar and spatial parallel robotic manipulators. Workspace is generated as a solid in CAD environment by using a parametric geometric model, sketches, and elementary operations such as helical scanning and performing then Boolean intersection operation. We have shown in this thesis, that the proposed methodologies represent relevant and efficient tools which assist designers of parallel mechanisms. Moreover, they allow us to solve the direct geometric problem and to plan singularity-free trajectories. Several types of robotic manipulators have been considered in this work to highlight and illustrate the proposed CAD / Geometric techniques : planar parallel manipulators having three degree of freedom such as 3-RPR, 3-RRR, 3-PPR, and 3-PRR, and spatial parallel robotic manipulators having six degree of freedom 3-CRS-type.