Industry calls upon fast pick-and-place robots with high precision and maneuverability. A parallel architecture was recently proposed to generate Schönflies motions, with a CRRHHRRC closed kinematic chain, that offers a functionally symmetric, single-loop, architecture, with an isostatic kinematic chain, and virtually unlimited rotatability of its gripper. This robot calls for a cylindrical drive, i.e., a two-degreeof-freedom cylindrical actuator. The thesis reports the comprehensive mechanical design, besides the kinematics and dynamics analyses of the above-mentioned mechanical system, a Schönflies-motion generator (SMG), developed at McGill University’s Centre for Intelligent Machines. The analysis is intended to optimize the robot design, and examine the new ideas for speeding up its operation. Validation of the mathematical model was conducted experimentally. The results reveal the pertinence of the model.

The author introduces a novel drive, dubbed the translating Π-joint, to be used as a cylindrical drive targeting the pick-and-place operations of the SMG. It is first recalled that a Π-joint is a parallelogram four-bar linkage whose coupler link undergoes pure translation w.r.t. its fixed link;​ moreover, all the points of the coupler link describe circles with identical radii, the common length of the two other links. The translating Π-joint is the series array of a prismatic and a Π-joint, the plane of latter being normal to the direction of the former. A realization of the translating Π-joint is the RHRRHR kinematic chain. Furthermore, four implementations are disclosed, each with unique features. In addition, the applications of this joint are studied, including two novel architectures for SMGs. The detailed design and fabrication of two prototypes based on the above-mentioned implementations is reported.

In addition, the concept of virtual screw is introduced in this thesis. The virtual screw is constructed by means of cable mechanisms. The virtual screw is to be used whenever a screw joint with very large pitch is needed, in light of the limitations in the pitch sizes (a few mm/turn) available in off-the-shelf screw mechanisms. This concept arose as an alternative to the usual screw joint when designing a cylindrical differential mechanism made of lead or ball screws, with zero backlash and adjustable speed ratio. First, the virtual screw was introduced to turn the gripper of the above-mentioned SMG, originally driven by means of two coaxial right- and left-hand screws. Later, the application of the virtual screw was extended to the cylindrical drive. The conceptual and detailed designs are disclosed here.

L’industrie réclame des robots de type « pick-and-place » rapides et capables d’une grande précision et d’une grande maniabilité. Dans cette optique, une architecture parallèle a récemment été proposée pour accomplir cette tˆache, nommément des mouvements de Schönflies, avec une chaîne cinématique fermée CRRHHRRC2 , offrant une architecture avec une boucle unique, fonctionnellement symétrique, isostatique, ainsi qu’une rotation virtuellement illimitée de son préhenseur. Ce robot utilise un actionneur cylindrique innovant à deux degrés de liberté. L’auteur présente ainsi la conception mécanique complète, en plus des analyses cinématiques et dynamiques du système mécanique susmentionné, communément appelé un générateur de mouvement de Schönflies (GMS), développé au Centre de recherche sur les machines intelligentes de l’Université McGill. Cette analyse a pour objectif d’optimiser le design du robot et d’étudier de nouvelles idées dans le but d’augmenter sa vitesse d’opération. La validation du modèle mathématique a été réalisée expérimentalement. Les résultats valident le modèle théorique.

L’auteur propose également un nouvel actionneur, baptisé la liaison translative Π, qui doit servir en tant qu’actionneur cylindrique pour les opérations de transfert —« pick-and-place » —des GMS. On rappelle d’abord que la liaison Π est, en somme, un mécanisme à quatre barres ayant la forme d’un parallélogramme dont le coupleur subit une translation pure par rapport à la base;​ de plus, tous les points du coupleur décrivent des cercles de rayon identique, ce dernier correspondant à la longueur des deux autres membrures. La liaison translative Π est donc l’assemblage en série d’une liaison prismatique et d’une liaison Π, le plan de cette dernière étant normal à la direction de la première. La chaîne cinématique RHRRHR est une mise en œuvre de la liaison translative Π. En outre, quatre concrétisations sont décrites, chacune ayant des caractéristiques uniques. De plus, les possibles utilisations de cette liaison sont étudiées, y compris deux nouvelles architectures pour les GMS. La conception détaillée et la fabrication de deux prototypes basés sur les concepts mentionnés cidessus sont décrites.

Par la suite, le concept de vis virtuelle est proposé. Cette dernière est conçue à partir de mécanismes à cˆables. Ce mécanisme est destiné à ˆetre utilisé lorsqu’une liaison hélicoïdale ayant un très grand pas est nécessaire, compte tenu des limitations de cette dernière relativement aux pas (quelques mm/tour) disponibles sur le marché. Il s’agit d’une solution de rechange aux liaisons hélicoïdales habituellement utilisées dans les mécanismes différentiels cylindriques, ceux-ci incorporant des vis à rouleaux planétaires ou des vis à billes, le tout sans jeu et avec un ratio de réduction réglable. Initialement, la vis virtuelle est proposée pour générer la rotation du préhenseur attaché au GMS mentionnée précédemment, entraînée à l’origine au moyen de deux vis coaxiales, une à pas à droite, l’autre à gauche. Par la suite, l’utilisation de la vis virtuelle est étendue à l’actionnement cylindrique. Les concepts et les designs détaillés sont décrits dans cette thèse.