Parallel-kinematics machines (PKMs) have been studied extensively because of their significantly higher performance in terms of accuracy, rigidity and load-carrying capacity over serial robots. However, they suffer from limited workspace, multiple singularities and coupled motion, which makes their design and analysis especially challenging. These issues have motivated extensive research on PKMs. In this dissertation, two novel classes of six-degree-of-freedom (dof) PKMs are proposed, namely, the 3-CPS and 3-CCC topologies. Their kinematics, singularity and workspace analyses, together with their optimum design, were conducted. Both classes of PKMs bear some common features. In particular, they both have three limbs, which yields less interference and larger workspace, when compared with the six-limb Stewart-Gough class. Moreover, all motors are mounted on the base, greatly reducing the inertia load of the system, while providing higher load-carrying capacity and better dynamics performance, which makes them quite suitable for high-speed operations. Furthermore, the two classes bear their own features, as discussed in detail herein.

The dissertation spans three topics. The first pertains to the kinematics, singularity and workspace analyses plus optimum design of the 3-CPS PKM, dubbed the SDelta—for six-dof Delta robot. It is shown that the given robot offers a large workspace with a proper choice of design variables. Moreover, we developed a novel method for its singularity analysis, which is applicable to a large number of parallel robots. Next, the SDelta optimum design for maximum dexterity is conducted. The axes of its six actuated wrenches intersecting pairwise, an expression for the inverse of the 6 × 6 robot forward Jacobian matrix (FJM) is found symbolically. Based on this expression, we formulate an optimization problem of the robot geometry for maximum dexterity. It is shown that the SDelta can achieve a local minimum condition number close to unity.

The second topic is the design for isotropy of a large class of six-dof PKMs whose six actuated wrenches intersect pairwise, thus covering numerous instances such as three-limb six-dof PKMs with one passive spherical joint in each limb, including the SDelta. The inverse of the FJM of the SDelta, derived here in symbolic form, turns out to be applicable to this class of PKMs. This result has a significant theoretical value, quite useful in singularity analysis, design for isotropy and optimization. In this dissertation, we elaborate on the application of the expression for the above-mentioned inverse to the optimum design of this class of PKMs. With this approach, we not only provide closed-form expressions for the optimum parameters for isotropy within this class, but also propose the concept of quasi isotropy, under which the robot, with a suitable design, can attain postures “close” to isotropy. This greatly increases the range of choice of the shape of the moving platform (MP) and the location of the operation point, while maintaining high dexterity. The latter is required, e.g., when a gripper or another tool is attached to the MP triangle.

The last topic is the analysis and optimum design of the 3-CCC PKM class. Firstly, its design for isotropy is investigated, based on which we find the conditions yielding the existence of a continuous set of isotropic postures. This feature is quite advantageous and probably unique for six-dof PKMs. Moreover, the forward-displacement of the same class, singularity and workspace analyses are conducted, which reveal many interesting features. For example, the associated forward-displacement solution allows for a simple formulation, which can be cast in closed-form;​ the rotation and translation motions of the MP are decoupled, the PKM singularity condition being determined solely by the MP orientation, and occurring only under large-amplitude rotations. Besides, this class bears a large workspace volume.

Due to the low inertia load of the proposed designs, they are capable of providing large accelerations, making them quite suitable for high-speed operations. This feature also makes them suitable for generating shaking operations (i.e., small-amplitude, high-frequency motions)—a major application we target, where large accelerations are needed. This operation can be used, for example, for inertia-parameter identification. Besides, the special features of the proposed architectures, especially the second, make them suitable for many other applications such as motion simulators, parallel manipulators, micro-manipulators, machine-tools, and medical devices. i

Les robots parallèles ont fait l’objet de nombreuses études en raison de leurs excellentes performances en matière de précision, de rigidité et de capacité de charge, qui sont supérieures à celles des robots sériels. Toutefois, la conception et l’analyse de ces robots sont compliquées par leur espace de travail limité, leurs singularités multiples et leur couplage rotation-translation, justifiant par là-même les recherches dans ce domaine. Cette thèse présente deux robots parallèles novateurs à six degrés de liberté, de topologie 3-CPS et 3- CCC. Leur cinématique, leur singularité, leur espace de travail et leur conception optimale sont étudiés. Les deux topologies partagent un certain nombre de caractéristiques :​ chacune a trois membres, ce qui réduit les interférences et élargit l’espace de travail, contrairement à la topologie Stewart-Gough à six membres. En outre, tous les moteurs sont montés à la base du robot, ce qui réduit l’inertie, augmente la capacité de charge et améliore les performances dynamiques du système, le rendant particulièrement bien adapté aux opérations à haute vitesse. Les deux topologies ont aussi leurs propres caractéristiques, exposées en détail dans cette thèse.

La thèse comporte trois volets. Le premier porte sur la cinématique, la singularité, l’espace de travail, et la conception optimale des robots parallèles à topologie 3-CPS, surnommés le SDelta—robot Delta à six degrés de liberté. Nous démontrons que ce robot a un vaste espace de travail lorsque ses variables sont adéquatement choisies lors de sa conception. Nous proposons également une nouvelle méthode d’analyse de singularité applicable à un grand nombre de robots parallèles. Nous présentons ensuite la configuration optimale du SDelta en vue d’une dextérité maximale. Les axes des six torseurs statiques motorisés se coupant deux à deux, nous obtenons une expression symbolique pour l’inverse de la matrice jacobienne 6 × 6 dite directe. Cette expression permet de formuler un problème d’optimisation de la géométrie du robot afin d’obtenir la dextérité maximale. On constate que le minimum local du conditionnement numérique du SDelta est voisin de l’unité.

Le deuxième volet est la conception axée sur l’isotropie d’un grand nombre de robots parallèles à six degrés de liberté dont les couples mobiles se coupent deux à deux, ce qui est le cas de nombreux robots parallèles à trois membres et six degrés de liberté qui ont un joint sphérique passif dans chaque membre, comme le SDelta. L’inverse de la matrice jacobienne du SDelta montre qu’elle est applicable à ce type de robot parallèle. La valeur théorique de ce résultat est très utile pour l’analyse des singularités, pour la conception axée sur l’isotropie et pour l’optimisation. Nous appliquons l’expression de l’inverse dont il est question plus haut à la conception optimale de ce type de robots parallèles. Cette approche nous permet d’obtenir non seulement des expressions symboliques des paramètres d’isotropie pour ce type de robots, mais aussi de proposer le concept de quasi isotropie dans lequel le robot sous conception peut atteindre des positions «voisines »de l’isotropie. Elle élargit aussi considérablement la gamme des configurations de la plate-forme mobile et l’emplacement du point d’opération tout en conservant une excellente dextérité. La dextérité est effectivement nécessaire lorsqu’une pince ou un autre outil est fixé au triangle de la plate-forme mobile.

Le dernier volet porte sur l’analyse et la conception optimale des robots parallèles de type 3-CCC. Nous débutons par la conception axée sur l’isotropie d’où nous tirons les conditions qui mènent à un ensemble continu de positions isotropiques, ce qui est avantageux et probablement unique dans les robots parallèles à six degrés de liberté. En outre, nous analysons le problème dit direct du déplacement de ces robots, leurs singularités et leur espace de travail, ce qui donne des résultats intéressants. Ainsi, la solution relative au déplacement direct fait appel à une formulation simple qui peut être exprimée sous forme symbolique ;​ les mouvements de rotation et de translation de la plate-forme sont découplés, la condition de singularité des robots parallèles étant alors seulement déterminée par l’orientation de la plate-forme et ne se produisant que dans des rotations de grande amplitude. De plus, ce type de robot a un grand espace de travail.

En raison de la faible inertie découlant de la conception proposée, ces robots peuvent fournir de fortes accélérations, ce qui les rend utiles dans les opérations à haute vitesse. Ils sont également intéressants pour générer des secousses (mouvements de faible amplitude à haute fréquence)—une application que nous visons, dans laquelle des fortes accélérations sont nécessaires. Cette opération peut servir, par exemple, à identifier les paramètres d’inertie des corps solides. En outre, les architectures proposées, notamment la seconde, permettent d’utiliser ces robots dans des appareils aussi divers que les simulateurs de mouvements, les manipulateurs parallèles, les micro-manipulateurs, les machines outil et les appareils médicaux.