Conception et commande de robots parallèles pour la stabilisation inertielle de dispositifs de visée

Design and control of parallel robots for the inertial stabilization of sighting devices

• Auteur / Autrice : Alexandre Lê
• Direction : Fabrice Rouillier, Damien Chablat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 15/10/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris) (2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Aude Vitrani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Merlet, Guillaume Rance, Maria Makarov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mioara Maria Joldes, Clément Gosselin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gyroscopes

Théorie de la commande

Équations polynomiales

Systèmes non linéaires

Simulation par ordinateur

Robots -- Mouvements

Robots parallèles

Mots clés libres

Robots parallèles

Stabilisation inertielle

Singularité

Systèmes non-linéaires

Viseurs

Systèmes polynomiaux

Parallel robots

Inertial stabilization

Singularity

Non-Linear systems

Sights

Polynomial systems

Résumé

Un viseur est un ensemble de caméras et/ou de dispositifs de pointage monté sur un porteur généralement en mouvement de rotation et de translation. Utilisés dans des environnements variés tels que le maritime, le terrestre ou l'aérien, ces viseurs doivent maintenir une ligne de visée stable malgré les perturbations extérieures (vagues, vibrations, etc.). Pour ce faire, les architectures de stabilisation actuellement utilisées dans l'industrie de la défense reposent principalement sur des systèmes à cardan offrant deux degrés de liberté en orientation : en gisement et en site. Dans le but d'améliorer mécaniquement la qualité de la stabilisation, la thèse explore l'utilisation de robots parallèles pour des applications essentiellement maritimes. Malgré leurs avantages en termes de degrés de liberté, rigidité, compacité et précision, leur complexité, notamment liée à la commande et à la gestion des singularités, pose des défis majeurs. La recherche s'articule ainsi autour de deux axes principaux : la conception certifiée de ces architectures parallèles pour les applications de stabilisation inertielle, et le développement de stratégies de commande adaptées à ces systèmes. Il s'agit d'une part de développer une méthodologie de conception certifiant la cinématique d'un robot parallèle, en fonction de son application et son espace de travail, tout en prenant en compte les incertitudes inhérentes à ce type d'architecture. Une telle méthodologie repose sur une combinaison pertinente des outils symboliques et semi-numériques, avec l'utilisation du calcul par intervalles. Elle est appliquée dans cette thèse à travers les cas du tripode 3-RPS et du robot sphérique 3-RRR. D'autre part, il s'agit de sécuriser le contrôle du robot étudié en garantissant qu'il ne quitte pas l'espace de travail précédemment certifié. Cela se fait en implantant un algorithme de gestion des butées articulaires, prenant à la fois en compte l'espace de travail et les propriétés des actionneurs du robot. Enfin, l'ensemble de la méthodologie liée à la conception et la commande est mise en œuvre pour le robot parallèle sphérique à actionneurs coaxiaux.

A sighting device is a set of cameras and/or pointing devices mounted on a carrier that is generally in motion with both rotational and translational movements. Used in various environments such as maritime, terrestrial, or aerial, these devices must maintain a stable line of sight despite external disturbances (waves, vibrations, etc.). The stabilization architectures currently used in the defense industry primarily rely on gimbal systems offering two degrees of freedom in orientation: bearing and elevation. To mechanically improve the quality of stabilization, this thesis explores the use of parallel robots for primarily maritime applications. Despite their advantages in terms of degrees of freedom, rigidity, compactness, and precision, their complexity, particularly related to control and singularity management, presents significant challenges. The research is thus focused on two main areas: the certified design of these parallel architectures for inertial stabilization applications and the development of control strategies adapted to these systems. On one hand, the aim is to develop a design-based methodology that certifies the kinematics of a parallel robot based on its application and workspace, while coping with uncertainties inherent in this type of architecture. Such a methodology relies on a relevant combination of symbolic and semi-numerical tools, with the use of interval arithmetic. This methodology is applied in this thesis through the cases of the 3-RPS tripod and the 3-RRR spherical robot. On the other hand, the goal is to secure the control of the robot by ensuring it remains within the previously certified workspace. This is achieved by implementing a joint limitation algorithm, taking into account both the workspace and the properties of the robot's actuators. Finally, the entire design and control methodology is implemented for the spherical parallel robot with coaxial actuators.