Dans l’industrie de fabrication de turbine hydraulique, toutes les surfaces de turbines qui sont en contact avec de l’eau devraient être polies afin d’obtenir la qualité et l’efficacité maximales. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser une méthode de polissage qui peut avoir accès à toutes les surfaces des turbines incluant leurs bords, leurs zones restreintes et leurs courbures serrées. En raison des propriétés particulières qu’offre la technique de polissage par jet d’eau abrasif, celle-ci peut être utilisée pour accomplir cette tâche. Par conséquent, dans cette recherche, les propriétés de cette méthode non-conventionnelle sont examinées dans un premier temps et les principaux paramètres affectant ses performances sont alors déterminés. Ensuite, les conditions nécessaires de manipulations de la buse de pulvérisation vis-à-vis des surfaces courbes sont étudiées et les propriétés d’un bras robotisé pour manipuler celle-ci sont obtenues afin de réaliser cette tâche d’une manière appropriée. Par après, plusieurs mécanismes robotiques tels que des mécanismes sériels, parallèles à membrures, parallèles à câbles, et des robots hybrides sont considérés et leurs capacités à être utilisé dans ce processus sont analysées. Il est alors démontré qu’une l’architecture hybride est le meilleur candidat à retenir pour le design d’un robot de polissage par jet d’eau abrasif.

Ensuite, l’architecture conceptuelle d’un robot hybride à 5 DDL est proposée. La structure du robot est constituée d’un mécanisme parallèle à câbles à 3 DDL et d’un poignet sériel à 2 DDL. Afin d’améliorer les propriétés cinématiques du mécanisme à câbles tout en minimisant le nombre d’actionneurs nécessaires, il est proposé d’utiliser des différentiels pour guider ce robot manipulateur. Aussi, la rigidité et la compacité du mécanisme sont améliorées en utilisant une liaison prismatique.

Par la suite, les systèmes à câbles différentiels sont examinés et les différences entre leurs propriétés cinématiques et celles de systèmes actionnés indépendamment pour chaque câble sont décrites. Il est démontré que la force résultante de tous les câbles d’un différentiel à câbles doit être prise en compte dans son analyse cinématique. En effet, dans un système différentiel planaire, la direction de la force résultante n’est pas fixée vers un point particulier. Mais plutôt, elle se déplace dans le plan de ce système différentiel. Cette propriété peut être bénéfique pour les propriétés cinématiques des robots à câbles. En comparant deux types d’espace de travail de plusieurs robots planaires actionnés par des mécanismes différentiels par rapport à leurs équivalents pleinement actionnés, il est alors montré qu’en utilisant ces mécanismes, les espaces de travail des robots planaires à câbles peuvent être améliorés. Cependant, cette même propriété qui augmente la plage de variation de la direction de la force résultante dans un câble différentiel, diminue aussi son amplitude. Ainsi, le design optimal d’un différentiel à câble résulte d’un compromis entre ces deux propriétés.

Ensuite, une méthode de synthèse est présentée afin de déterminer tous les combinaisons possibles de différentiels à câbles pour généraliser l’idée d’utiliser de tels mécanismes dans le design de robots planaires. De plus, l’application de mécanismes différentiels dans des robots spatiaux est aussi envisagée et il est montré qu’ils ont des propriétés similaires aux types planaires.

Le robot manipulateur proposé est commandé par trois systèmes différentiels planaires de telle sorte que trois actionneurs agissent sur six câbles et que le quatrième actionneur agisse sur la liaison prismatique. Pour cela, l’analyse cinématique du robot est développée et à travers la définition de deux indices de performance, à savoir I_WCW et I_WFW, les espaces de travail “wrench-closure” et “wrench-feasible” du robot sont évalués. En utilisant ces indices, la structure du robot proposée est optimisé. Alors, en comparant les espaces de travail du robot optimisé avec ceux des autres robots pleinement actionnés, il est montré qu’en utilisant des systèmes différentiels, les performances des mécanismes spatiaux à câbles sont améliorées. Ces résultats peuvent aussi être considérés dans le design d’autres robots actionnés par des câbles pour améliorer leurs propriétés cinématiques à faible coût.

Dans la partie suivante de cette étude, un banc d’essai est mis en place pour réaliser des expériences préliminaires sur le procédé de polissage par jet d’eau abrasif et évaluer l’effet des paramètres de polissage sur la qualité de la surface finie. Les résultats de ces tests initiaux sont utilisés pour rendre compte de l’importance relative de ces paramètres. En utilisant ces tests, la forme du profil de retrait de matière est aussi estimée au point de polissage. Pour ce faire, deux indices de performance, à savoir I_curv et I_path, sont présentés afin d’évaluer l’adaptabilité aussi bien de la surface à polir que de la trajectoire générée au procédé de polissage par jet d’eau abrasif. Dans la dernière partie de cette thèse, une méthode est développée pour générer des chemins de balayage spécifique à la technique de polissage par jet d’eau abrasif sur des surfaces courbes modélisées par des facettes triangulaires. Dans cette méthode, différentes options sont utilisées pour obtenir une courbe de référence. Cette dernière a un impact significatif sur la forme finale de la trajectoire. Pour trouver les points des courbes décalées, des distances géodésiques sont calculées dans des directions particulières. Une fois que le chemin initial de balayage est généré sur la surface, la possibilité d’existence de discontinuités est vérifiée. Alors, de nouvelles trajectoires continues sont générées en divisant la trajectoire initiale dans ces zones si elles existent. Finalement, en utilisant l’indice I_path, la performance du chemin généré obtenu en utilisant chacune des options est évaluée et le meilleur chemin est retenu pour être utilisé dans ce procédé. Cette méthode est développée afin de générer des chemins spécifiques à la méthode de polissage par jet d’eau abrasif. Cependant, elle peut être utilisée pour générer des trajectoires dans d’autres applications où une distance constante de décalage est requise.

In hydraulic turbine manufacturing, all surfaces of the turbines which are in contact with the water flow should be polished to obtain the desired quality and maximal efficiency. For this, it is needed to use an effective polishing method which can have access to all surfaces of the turbines including edges, narrow areas and tight bends. Because of the particular properties of the abrasive waterjet polishing technique, it can be used to accomplish this task. Therefore, in this research, the properties of this non-conventional method are first investigated and the main parameters affecting its performance are then determined. Next, the manipulation requirements of the jet nozzle over free-form surfaces are studied and the properties of a robotic arm to appropriately perform this task are obtained. Afterwards, several robotic mechanisms, e.g., serial, linkage-driven parallel, cabledriven parallel, and hybrid robots are considered and their abilities to be used in this process are investigated. It is then shown that a hybrid architecture is the best candidate for the design of an abrasive waterjet polishing robot.

Next, the conceptual design of a 5-DOF hybrid robot is proposed. The structure of this robot is made of a 3-DOF cable-driven parallel mechanism and a 2-DOF serial wrist. To improve the kinematic properties of the cable-driven mechanism while the number of required actuators is kept at a minimum, it is proposed to use cable differentials to drive this manipulator. Also, the rigidity and compactness of the mechanism is improved through the use of a prismatic joint in its structure.

Afterwards, differentially driven cable systems are investigated and the differences between their kinematic properties and these of independently actuated cables are described. It is shown that the resultant force of all cables of a cable differential should be taken into account in its kinematic analysis. Indeed, in a planar differential, the direction of the resultant force is not fixed toward a particular point. Instead, it moves within the plane of that differential. This property can be beneficial in the kinematic properties of differentially driven cable robots. By comparing two types of workspaces of several planar robots actuated by differentials with their fully actuated counterparts, it is then shown that using these mechanisms, these workspaces of planar cable robots can be improved. However, the same property that increases the range of variation of the resultant force direction in a cable differential, decreases its magnitude. Thus, the optimal design of a cable differential is a trade-off between these two properties.

Next, a synthesis method is presented to find all possible arrangements of the cable differentials to generalize the idea of using such mechanisms in the design of planar cable robots. Additionally, the application of differentials in spatial robots is also investigated and it is shown that they have properties similar to the planar types.

The proposed robotic manipulator is driven by three planar differentials so that three actuators drive six cables and the fourth one drives the prismatic joint. For this, the kinematic analysis of the robot is provided and through the definition of two performance indices, namely I_WCW and I_WFW, the wrench-closure and wrench-feasible workspaces of the robot are evaluated. Using these indices, the structure of the proposed robot is optimized. Then, by comparing the workspaces of the optimized robot with those of two other fully driven ones, it is shown that, using differentials, the performance of spatial cable mechanisms are improved. These results can also be considered in the design of other cable-driven robots to improve their kinematic properties at low cost.

In the next part of this study, a test rig is built to do preliminary experiments with the abrasive waterjet polishing process and evaluate the effect of the polishing parameters on the quality of the finished surface. The results of these initial tests are used to establish the relative importance of these parameters. Using these tests, the shape of the material removal profile is also estimated at the polishing spot. This profile is then used to define limits to be respected in the polishing path generation. For this, two performance indices, namely I_curv and I_path are presented to evaluate the adaptability of both the desired free-form surface and the generated trajectory to the abrasive waterjet polishing process.

In the last part of this research, a method is developed to generate scanning paths for the abrasive waterjet polishing technique on the free-form surfaces modeled by triangular faces. In this method, different options are used to obtain a reference curve. This curve has a significant impact on the final shape of the trajectory. To find the points of the offset curves, geodesic distances are calculated in particular directions. When the initial scanning path is generated on a free-form surface, the possibility of existence of discontinuities is checked. Then, new continuous trajectories are generated by dividing the initial trajectory in these areas if they exist. Finally, using the index I_path, the performance of the generated path obtained using each option is evaluated and the best path is chosen to be used in the process. This method is particularly developed to generate paths for abrasive waterjet polishing method. However, it can be used to generate trajectories for other applications where a constant offset distance is needed.