Cette thèse traite de la mise à profit de la redondance cinématique dans les robots parallèles pour l’augmentation de leur espace de travail en orientation. Plusieurs nouvelles architectures y sont présentées et analysées. L’accent est mis sur les agencements purement parallèles des actionneurs étant donné que les agencements hybrides et sériels sont déjà bien plus connus.

En premier lieu, un article de revue de littérature positionne le projet dans le contexte actuel. Cet article permet de voir comment la redondance cinématique se compare à la redondance d’actionnement et aux autres architectures hybrides. Les avantages et inconvénients de chacune y sont mis en évidence. Cet article met aussi la lumière sur le type d’agencement (sériel ou parallèle) des actionneurs pour les différents types de redondance. Les bases mathématiques pour la modélisation cinématique de plusieurs architectures y sont aussi données.

Dans le second article, deux mécanismes plans sont présentés et analysés (problème géométrique inverse et direct, analyse des singularités, espace de travail). Les architectures planes sont utilisées pour introduire la gestion de la redondance avec un cas simple (un seul degré de liberté redondant). L’algorithme de gestion de la redondance doit définir la meilleure configuration du degré de liberté redondant tout en respectant les limites physiques du mécanisme (vitesses, interférences).

Une architecture à quatre degrés de liberté (mouvement de type SCARA) et un degré de liberté redondant est ensuite introduite dans le troisième article. Cette architecture a la particularité de ne pas être limitée (ni par les interférences mécaniques ni par les singularités) au niveau de la rotation. L’analyse cinématique ainsi que l’espace de travail sont présentés et un prototype démontre des résultats expérimentaux convaincants.

Ensuite, le quatrième article introduit une architecture à six degrés de liberté avec trois degrés de liberté redondants. Cette architecture occupe une grande partie des travaux présentés dans cette thèse. Elle est dérivée directement de la plateforme de Gough-Stewart. Le modèle cinématique ainsi qu’une analyse des singularités du mécanisme y sont présentés. Une analyse géométrique démontre les capacités d’évitement des singularités et une analyse de l’espace de travail montre de très grandes capacités d’inclinaison et de rotation de la plateforme.

Le cinquième article présente deux articulations sphériques qui ont été développées spécifique ment pour l’architecture à six degrés de liberté. Le principe de fonctionnement de ces deux articulations sphériques est expliqué et les performances en débattement sont démontrées. Deux prototypes sont présentés.

Le sixième article introduit différentes méthodes pour exploiter la redondance du manipulateur à 6+3 degrés de liberté tout en respectant les limites physiques du mécanisme (interférences mécaniques ainsi que les limites en vitesse des actionneurs). Une première méthode tente d’utiliser une expression analytique du déterminant de la matrice Jacobienne. La deuxième est purement géométrique et s’inspire de la géométrie de Grassmann. La troisième utilise une discrétisation complète des trajectoires cartésiennes et de l’espace des degrés de liberté redondants. Finalement, la quatrième méthode utilise une optimisation locale. Les résultats des différentes méthodes sont ensuite comparés.

This thesis deals with the use of kinematic redundancy in parallel robots to increase their orientational workspace. Multiple new architectures are introduced and analysed. The emphasis is on purely parallel architectures since serial and hybrid arrangements are already much better known.

First, a literature review article positions the project in the current context. This article shows how kinematic redundancy compares to actuation redundancy and other hybrid architectures. The advantages and disadvantages of each are highlighted. This article also sheds light on the type of layout (serial or parallel) of the actuators for the different types of redundancy. The mathematical bases for kinematic modeling of several architectures are also given.

In the second article, two architectures of planar mechanisms are presented and analyzed (inverse and forward kinematic problem, singularity analysis, workspace). Planar architectures are used to introduce redundancy management with a simple case (a single redundant degree of freedom). The redundancy management algorithm must define the best configuration of the redundant degree of freedom while respecting the physical limits of the mechanism (speeds, interferences).

A four-degree-of-freedom architecture (SCARA movement) with one redundant degree of freedom is then introduced in the third article. This architecture has the particularity of not being limited (neither by mechanical interferences nor by singularities) in terms of rotation. Kinematic and workspace analyses are presented and a prototype demonstrates convincing experimental results.

Then, the fourth article introduces a six-degree-of-freedom architecture with three redundant degrees of freedom. This architecture occupies a large part of the work presented in this thesis. It is derived directly from the Gough-Stewart platform. The kinematic model and an analysis of the singularities of the mechanism are presented. A geometric analysis shows the singularity avoidance capabilities and a workspace analysis shows very high platform tilting and twisting capabilities.

The fifth article presents two spherical joints that have been developed specifically for the six-degree-of-freedom architecture. The operating principle of these two spherical joints is explained and the large range of motion (tilting angle) is demonstrated. Two prototypes are presented.

The sixth article introduces different methods to exploit the redundancy of the six-degreeof-freedom manipulator while respecting the physical limits of the mechanism (mechanical interference as well as the speed limits of the actuators). A first method attempts to use an analytical expression of the determinant of the Jacobian matrix. The second is purely geometric and is inspired from Grassmann geometry. The third uses a complete discretization of the Cartesian trajectories and the space of the redundant degrees of freedom. Finally, the fourth method uses local optimization. The results of the different methods are then compared