Cable-driven parallel mechanisms have the advantages of large workspace and high speed since the displacement range of cables is much larger than that of links and such mechanisms have higher payload to weight ratio. However, in the conventional cable-driven parallel mechanisms, cables are wound on actuated spools. This approach leads to inaccuracies because the ratio between the rotation of the spool and the extension of the cable is generally not constant. Also, cable-driven parallel mechanisms are usually redundantly actuated due to the unilaterality of the cable force. This leads to infinitely many solutions to the inverse statics or dynamics problem and makes the control of the mechanism more complicated. The objective of this dissertation is to explore new architectures of cable-driven parallel mechanisms using cable loops in order to improve accuracy or/and avoid redundancy.

Firstly, redundantly actuated cable-loop-driven planar mechanism is proposed. The cables form closed loops attached to the end-effector and whose motion is driven by slider actuators. A planar 2-DOF mechanism is proposed. By replacing the cable-spool arrangement with closed cable loops, the difficulties of measuring the extension of the cables are alleviated. The inverse kinematics, the Jacobian matrices and the static equilibrium equations for the mechanism are presented. Using the Jacobian matrices, the singularities of the mechanisms are also analyzed. Based on the static equations, the available wrench set is determined. It is pointed out that the trajectory of the end-point of a given cable loop is a portion of ellipse. The intersection of the ellipses provides the assembly modes. There can be more than one intersection point of the ellipses at a given position of the sliders. Such geometric characteristics are also analyzed.

In order to eliminate the actuation redundancy, springs are introduced in the cable-loop mechanisms. By attaching springs in the cable loops properly, the mechanism only needs n actuators to control n DOFs and the actuation redundancy can be eliminated. The mechanisms can be actuated using either linear sliders or rotary actuators driving the motion of a cable or belt loop. The conceptual development of the spring-loaded cable-loop architectures is presented. One architecture has a non-symmetric compliance since only one side of the cable loop is attached on the spring. Another architecture has a symmetric compliance since both sides of the cable loop from the actuator are attached on the spring. The architectures are compared by applying them to the planar mechanisms. Then, the symmetric spring-loaded cable-loop architecture is applied to a spatial displacement mechanism. Kinematic and static analyses are presented for the mechanisms.

Based on the static equations, the force capabilities of planar and spatial symmetric compliance spring-loaded cable-loop-driven parallel mechanisms are analyzed using the available force set and the force-closure workspace. The force capabilities of the conventional planar and spatial cabledriven parallel mechanisms which have the same geometry as the spring-loaded cable-loop-driven mechanisms are also derived for comparison purposes. Due to the cable loops in the mechanisms, the cable might become slack when the end-effector moves with a high acceleration. Therefore, it should be verified that the cable forces can be maintained in tension for certain trajectory frequencies. Based on the static force and the Newton-Euler formulation, the natural frequency and the corresponding ratio of the amplitudes for these two types of mechanisms are also found.

Spring-loaded cable-loop-driven parallel mechanisms avoid the actuation redundancy using passive springs. The parameters of the springs must be adjusted properly in order to obtain good characteristics of the mechanisms. The usage of the springs increases the cost and complexity of the mechanisms. Therefore, it is intended to realize the force-closure condition without springs. A 2-DOF decoupled non-redundant cable-loop slider-driven parallel mechanism is proposed in the end. Sliders located on the edges of the workspace are used and actuation redundancy is eliminated while providing force closure everywhere in the workspace. Due to the simple geometric design, the kinematic and static equations of the mechanism are very compact. The stiffness of the mechanism is also analyzed. The dynamics equations including the compliance and the damping of the cables are obtained. It is shown that the proposed mechanism's workspace is essentially equal to its footprint and that there are no singularities.

Les mécanismes parallèles entraînés par câbles permettent d'obtenir de grands espaces de travail puisque les plages de mouvement des câbles enroulés sur des treuils sont beaucoup plus grandes que celles des mécanismes à barres. De plus, les mécanismes entraînés par câbles possèdent un rapport charge utile sur poids propre avantageux et ils sont capables de produire de grandes vitesses. Toutefois, dans les mécanismes parallèles entraînés par câbles d'architecture classique, les câbles sont enroulés sur des treuils actionnés. Cette approche conduit à des imprécisions puisque le rapport entre la rotation du treuil et l'extension du câble n'est généralement pas constant. Par ailleurs, les mécanismes parallèles entraînés par des câbles sont habituellement actionnés de façon redondante en raison de l'unilatéralité de la force transmise par un câble. Cela conduit à une infinité de solutions au problème statique (ou dynamique) inverse et rend la commande du mécanisme plus compliquée. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles architectures de mécanismes parallèles entraînés par câbles construites à l'aide de boucles de câbles afin d'obtenir une meilleure précision et/ou éviter la redondance.

Tout d'abord, des mécanismes plans à actionnement redondant utilisant des boucles de câbles sont proposés. Dans ces architectures, les câbles forment des boucles fermées fixées à l'effecteur, et dont le mouvement est produit par des actionneurs prismatiques. Un mécanisme plan à deux degrés de liberté est proposé. En remplaçant le système câble-treuil par des boucles de câbles fermées, les difficultés de mesure de l'extension des câbles sont atténuées. Le problème géométrique inverse, les matrices jacobiennes et les équations d'équilibre statique de ces mécanismes sont présentés. En utilisant les matrices jacobiennes, les singularités des mécanismes sont aussi analysées. À partir de l'équation d'équilibre statique, l'ensemble des torseurs applicables à l'effecteur est déterminé. Il est montré que la trajectoire d'un point d'attache d'une boucle de câble sur l'effecteur est une portion d'ellipse. L'intersection des ellipses fournit les modes d'assemblage. Il peut y avoir plus d'un point d'intersection des ellipses pour une position donnée des actionneurs. Cette caractéristique géométrique est aussi analysée.

Afin d'éliminer la redondance d'actionnement, des ressorts sont introduits dans les mécanismes entraînés par boucles de câbles. Grâce à un arrangement géométrique approprié des ressorts dans les boucles, le mécanisme ne requiert que n actionneurs pour le guidage de n degrés de liberté, éliminant ainsi la redondance d'actionnement. Les mécanismes proposés peuvent être actionnés soit à l'aide d'actionneurs prismatiques ou à l'aide d'actionneurs rotoïdes entraînant une courroie. Le design conceptuel de quelques architectures de mécanismes de ce type est proposé. Une architecture non-symétrique, dans laquelle le ressort est attaché à un seul des côtés des boucles de câbles, est d'abord analysée. Ensuite, une architecture symétrique dans laquelle les deux côtés des boucles de câbles sont atttachés au ressort, est proposée. Une comparaison des architectures est établie pour des mécanismes plans. Puis, l'architecture symétrique est appliquée aux mécanismes spatiaux. Les analyses cinématiques et statiques sont présentées pour ces mécanismes.

À l'aide des équations statiques, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur des mécanismes parallèles entraînés par boucles de câbles incluant des ressorts est déterminé. Pour fins de comparaison, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur de mécanismes plans et spatiaux entraînés par des câbles et des treuils classiques est également déterminé. Une étude dynamique est aussi réalisée afin de déterminer les limites de performance des mécanismes. La méthode de Newton-Euler est utilisée pour l'analyse dynamique et la détermination de la fréquence naturelle de même que des rapports d'amplitude entrée-sortie.

Les mécanismes à boucles de câbles avec ressorts permettent d'éviter la redondance d'actionnement. Les paramètres des ressorts doivent être ajustés correctement afin d'obtenir de bonnes caractéristiques pour ces mécanismes. Toutefois, l'utilisation de ressorts augmente le coût et la complexité des mécanismes. Par conséquent, il est proposé de réaliser la condition d'équilibre des forces sans ressorts. À cet effet, un mécanisme à deux degrés de liberté découplé non redondant à boucles de câbles entraînées par actionneurs prismatiques est proposé. Les actionneurs sont situés sur les arêtes de l'espace de travail. La redondance d'actionnement est éliminée tout en fournissant la condition de fermeture de force (force closure) partout dans l'espace de travail. De plus, l'encombrement du mécanisme est essentiellement égal à son espace atteignable et le mécanisme ne souffre d'aucune singularité. Deux boucles de câble sont utilisées pour chacune des directions de mouvement. Une première boucle agit comme boucle d'actionnement alors que la seconde, qui est passive, est la boucle de contrainte. Grâce à une conception géométrique simple, les équations cinématiques et statiques du mécanisme sont très compactes. Une étude de la raideur effective du mécanisme montre que celle-ci est excellente. Finalement, une analyse dynamique est proposée en considérant l'élasticité et l'amortissement des câbles.