Kinematic design and performance evaluation of serial-type robotic manipulators is the main focus of this thesis with due attention being paid to redundant ma- nipulators. The thesis provides a review of the existing contributions made to the subject, identifying those areas that can be advanced in depth or breadth and mak- ing theoretical contributions to some of these areas. The design, manufacturing and commissioning of a full-scale representative example of a redundant manipulator de- signed for kinematic isotropy is also discussed. Although various theoretical methods of analysis and characterization of the kinematic performance have been reported in the past two decades, the kinematic architecture of industrial manipulators has not changed very much. The design requirements for these manipulators, have been mostly driven by issues such as kinematic simplicity and mechanical constructibility. These criteria have thus led to the existence of a particular class of manipulators whose axes are either parallel or perpendicular, i.e., orthogonal manipulators.

It is believed that, in order to fully exploit the redundancy of the new generation of industrial manipulators, it is advantageous to consider general architectures. If improved kinematic performance can be achieved by examining novel manipulator ar- chitectures, then it becomes necessary to explore new design requirements. The aim of this thesis is to contribute to the above-mentioned exploration. In Chapter 2, the singularity and workspace of regional structures (i.e., three-axis manipulators) are discussed. Regional structures forming the positioning part of most industrial manip- ulators, they have been regarded as representatives of nonredundant manipulators. Chapter 3 contains a detailed review of the proposed measures of dexterity together with an extensive discussion on the invariance properties of these indices. Chapter 4 is devoted to the investigation of the condition numbers of matrices in general, and of the Jacobian matrix of the robotic manipulators in particular. In Chapter 5, the isotropic design of redundant manipulators is discussed in detail whereby several isotropic seven-axis designs are introduced. Anthropomorphic requirements are also included where, it is shown that seven- and eight-axis manipulators cannot possess isotropy and anthropomorphism simultaneously. Optimum postures of hyperredun- dant manipulators are then investigated and finally, singularity distributions in the workspace of isotropic manipulators are compared to those of their nonisotropic coun- terparts. In Chapter 6, kinematic performance of serial manipulators is discussed from a geometric point of view. A novel measure of conditioning based on an index of isotropy, defined elsewhere, is examined in detail, and several interesting features of this measure are provided. With the aid of this measure, explicit expressions for the determination of the characteristic length, and the characteristic point are de- rived. In Chapter 7, the kinematic and mechanical design of a full-scale seven-axis isotropic manipulator called REDIESTRO 1 are introduced. REDIESTRO 1 was designed, manufactured and commissioned during the course of this thesis at the McGill Centre for Intelligent Machines (CIM) of McGill University.

La conception et l'évaluation cinématiques de l'opération de manipulateurs à chaîne cinématique ouverte simple sont les principaux sujets abordés dans cette thèse, avec une attention particulière portée aux manipulateurs redondants. Cette thèse com- porte un aperçu des contributions déjà apportées à ce domaine, identifie les sujets où de nouvelles avancées peuvent être faites, et apporte des contributions sur le plan théorique à certains d'entre eux. Finalement, la conception, la fabrication et la mise en opération d'un exemple grandeur nature d'un manipulateur redondant conçu avec une cinématique isotrope sont décrites. Bien que plusieurs méthodes théoriques d'analyse et de caractérisation de la performance cinématique aient été proposées depuis deux décennies, l'architecture cinématique des manipulateurs in- dustriels disponibles n'a pas beaucoup changé. En effet, les contraintes de conception ont davantage été liées à la simplicité cinématique et à la réalisation mécanique de ces manipulateurs. Ces conditions ont donc mené à l'existence d'une classe particulière de manipulateurs dont les axes sont parallèles ou perpendiculaires, c.-à-d., des ma- nipulateurs orthogonaux. Il est affirmé que, pour exploiter pleinement la redondance de la nouvelle génération de manipulateurs industriels, il est avantageux de porter attention à l'architecture générale. Si une performance accrue peut-être obtenue en utilisant des architectures différentes, il devient alors nécessaire de considérer de nouveaux critères de conception.

Dans le Chapitre 2, les singularités et l'espace de travail des manipulateurs à trois axes sont examinés. Dans la plupart des cas, les trois premiers axes des manipula- teurs industriels à poignet découplé servent à résoudre le problème du positionnement de l'organe terminal. Ces trois premiers axes peuvent donc être considérés comme exemples représentatifs de la classe des manipulateurs non-redondants. Le Chapitre 3 contient une revue détaillée des mesures de dextérité proposées ainsi qu'une dis- cussion sur les propriétés invariantes de ces indices. Le Chapitre 4 fait l'étude du facteur de conditionnement des matrices en général, et de la matrice jacobienne des manipulateurs robotique en particulier. Dans le Chapitre 5, la conception de manipulateurs redondants isotropes est étudiée en détail et plusieurs exemples de robots isotropes à sept axes sont proposés. Des contraintes anthropomorphiques sont également incluses et il est montré que des manipulateurs à sept ou huit axes ne peuvent pas être isotropes et anthropomorphes simultanément. Ensuite, la pos- ture optimale des manipulateurs hyper-redondants est étudiée et finalement, la dis- tribution des singularités dans l'espace de travail des manipulateurs isotropes est comparée à celle de manipulateurs non-isotropes. Dans le Chapitre 6, la perfor- mance cinématique des manipulateurs à chaîne ouverte simple est étudiée d'un point de vue géométrique. Une nouvelle mesure du conditionnement basée sur un indice d'isotropie, défini ailleurs, est examinée en détail et plusieurs propriétés intéressantes de cette mesure sont présentées. Entre autre, cette mesure permet d'introduire les notions de longueur et de point caracteristiques. Dans le Chapitre 7, la conception cinématique et mécanique d'un manipulateur isotrope grandeur nature à sept axes nommé REDIESTRO 1 est présentée. REDIESTRO 1 a été conçu, construit et mis en opération dans le cadre de cette thèse au Centre McGill pour les Machines Intelligentes (CIM) à l'Université McGill.