A general c1ass of manipulators with hybrid kinematic chains is introduced. These manipulators are modular and can readily lead to kinematically redundant structures. Moreover, they may contain serial subchains as weil as subchains of parallcl modules, acting in parallel and connecting a base to a cornmon end-effector.

At the outset, a novel formalism is introduced to study modular kinematic structures. This includes sorne new concepts and definitions. The proposed formalism provides a systematic way to represent a complex hybrid manipulator through a hierarchy of its constituting modules. Next, a formulation is devised to study the instantaneous kinematio;​ of these manipulators. The proposed formulation is general and can be applied to most of the existing parallel and hybrid manipulators. To realize the concept of general hybrid manipulator in practice, a few prototype designs are also introduced. The proposed prototypes are superior to their conventional counterparts in terms of de.'(terity and the volume of their workspace.

The study is then extended to the theory of hyper-redundant manipulators that comprise, as a subclass, the variable-geometry trusses. Aspline-based solution method is proposed for the inverse kinematics of hyper-redundant manipulators. The method is applicable to both extensible and nonextensible cases and includes planar as weil as spatial manipulators. Also, a new variable-geometry truss is introduced whose modules themselves are kinematically redundant.

Another practical aspect of redundancy is the use of redundant-sensor data to simplify inherent nonlinear direct kinematics of parallcl manipulators. For a SIXdegrec-of-freedom general parallcl manipulator. wc introducc a formulation of the direct kinernatics whereby the positioning and orientation problems arc decoupled by introdllcing two auxiliary parameters in the forms of either two angles or two lengths. This is in accordancc witl the type of redundant sensors. i.e., rotary or translational, to be used. Morcover. a real-time implementation of extra-sensor data, with a unique direct kinematics solution, is pr"posed by resorting to an eigenvalue problem. The parallclism in the proposed formulation enables the user to benefit from a parallel-computing environment. Hence. we introduce a paralle1-computing algorithm that highly increases the robustness of the computational algorithm.

The concept of kinematic isotropy has becn used as a criterion in the design of seriaI and paraiIci robotic manipulators. However, ail notions adoptect to express isotropy in paraileI manipulators have becn based on the structure of the Jacobian matrices of seriaI manipulators. Here, we introduce a definition of kinematic isotropy that is well-suited to parallel manipulators. This is done by identifying the special structure of the Jacobian matrices involved in the differential kinematics of such manipulators. This leads to a partitioning of the Jacobian matrices into submatrices with dimensionally homogeneous entries. Moreover, based on the proposed definitions of isotropy and kinematic optimality, a set of conditions is derived that provides a systematic way for the optimum kinematic design of parallel manipulators, with or without structural constraints.

L'auteur présente une classe générale de manipulateurs de chaînes cinématiques hybrides. Ces dernières sont modulaires et permettent d'obtenir facilement des structures cinématiques de type redondant. De plus, ils peuvent avoir plusieurs maillons en série aussi bien que des sous-chaines de modules parallèles, agissant en parallèle et reliant la base à un organe terminal.

En premier, un nouveau formalisme est présenté afin d'étudier la cinématique de structures modulaires. Ceci comprend quelques nouveaux concepts et des définitions pertinentes. La formulation proposée permet de représenter systématiquement un manipulateur hybride complexe à traversla hiérarchie de ces modules constitutifs. Par la suite, une nouvelle formulation est apportée afin d'étudier la cinématique en vitesse de ces manipulateurs. Cette formulation est d'ordre général et peut être appliquée à la majorité des manipulateurs parallèles et hybrides. De plus, quelques prototypes sont également présentés afin de réaliser pratiquement, le concept de manipulateur hybride général. Ces derniers sont comparativement supérieurs à leurs équivalents conventionnels en terme de dextérité et du volume de leur espace de travail.

L'étude est ensuite etendue à la théorie des manipulateurs hyper-redondants, qui comprend comme sous-classe les treillis à géométrie variable. Une méthode à base de fonctions splines est proposée comme solution de la cinématique inverse des manipulateurs hyper-redondants. Celle-ci est applicable à la fois aux cas extensibles et nonextensibles et comprend les manipulateurs planaires aussi bien que les spatiaux. Par ailleurs, de nouveaux treillis à géométrie variable sont présentes dont leur module sont cinématiquement redondant.

Un autre aspect pratique de la redondance est l'utilisation des données provenant de capteurs redondants dans le but de simplifier la cinématique directe des manipulateurs parallèles qui cst de type nonlinéaire. Pour un manipulateur parallèle de type général à six degrés de liberté, l'auteur présente une formulation de cinématique directe par laquelle les problèmes de position et d'orientation sont découplés grâce à deux paramètres auxiliaires dans les formes soit de deux angles ou de deux longueurs. Ceci est en accord avec le type de capteurs redondants, i.e., rotoïdes ou glissants. De plus, une réalisation en temp-réel des données redondantes, avec une solution unique de cinématique directe, est proposée par l'utilisation d'un problème de valeurs propres. Le parallélisme dans la formulation proposée permet à l'utilisateur de bénéficier d'un environnement de calculs-parallèles. Un algorithme à calcul parallèle qui augmente de manière considérable la robustesse de celui-ci est donc introduit.

Le concept cinématique d'isotropie a été utilisé comme critère dans la conception des manipulateurs en séries et en parallèles. Toutefois, toute notion adoptée pour exprimer l'isotropie au niveau des manipulateurs parallèles a été basée sur des structures de matrices jacobiennes de manipulateurs en série. Aussi, on présente une définition d'isotropie cinématique qui est bien adaptée aux manipulateurs parallèles. Ceci est applicable en identifiant la structure spéciale des matrices jacobiennes impliquée dans la cinématique de tels manipulateurs. Ccci mène à une partition des matrices jacobiennes en sous-matrices dont les éléments sont dimensionnellement homl.lgènes. De plus, basé sur les définitions proposées d'isotropie et d'optimisation cinématique sous-jacente, un ensemble de conditions en découle qui procure de manière systématique la conception cinématique optimale des manipulateurs parallèles avec ou sans l'introdution de contraintes structurelles.