The research objective of this thesis is to develop a redundancy-resolution (RR) algorithm to optimize the joint space trajectory of six-revolute industrial robot as performing manufacturing tasks.

Most of machining operations, such as welding, deburring or milling, have a symmetry axis. Clearly, the rotation of the tool around the symmetry axis is irrelevant to the view of the task to be accomplished. If the task is performed with a six-rotationaxis industrial robot, there is one degrees of freedom (DOF) of kinematic redundancy, which provides the potential of optimization. This kind of redundancy is called as functional redundancy, with contrast to intrinsic redundancy well known by most researchers. Functionally-redundant tasks have very common existence in the industrial robotic field, but still are ignored by most researchers.

Concerning the requirement for applying industrial robot in manufacturing, this thesis proposes a new redundant-resolution approach to solve functionally-redundant robotic tasks. This approach is called Twist Decomposition Approach (TWA). Instead of projecting an optimization criterion onto the null space of the Jacobian matrix as most of the redundancy-resolution schemes do, TWA firstly decomposes the Cartesian twist of the end-effector into two suitable subspaces;​ one being the subspace where the main task undergoes, while the other one being the redundant subspace. Then, the task can be optimized on the redundant subspace of the twist. In this thesis, joint-limits and singularity avoidance are considered as the two main optimization objectives.

TWA has been demonstrated to be able to optimize effectively the joint space trajectory for various tasks and various types of industrial robots. The possible application of TWA include welding, milling, deburing, painting, laser cutting and many other tasks requiring less than six-DOF in tool frame.

In order to take the full advantage of TWA's potential, there is a critical issue which need to be addressed. It is the weights that play the role of balancing among the subtasks and contribution of each joint in the optimization. Since the weights have such a great influence on the optimization, and even the task success or failure, the weights adaptation issue deserves more study. In this thesis, two weights adaptation methods are proposed, namely the self-adaptation and dynamic-adaptation methods. Both methods identify sensitivity of weights component firstly. Self-adaptation method proposes the use of a linear space searching method to adapt weights, while dynamic-adaptation method develops some empirical functions to dynamically adapt weights at each instant of the trajectory. Both methods succeed in various tasks. However, dynamic-adaptation method has greater application range and reaches better optimization results, since weights are adapted according to the need of each instant (dynamic-adaptation method), instead of keeping them fixed at certain value (self-adaptation method).

This thesis is composed of seven chapters. Chapter 1 introduces the concept of functionally-redundant tasks, and presents the common existence of the functionally-redundant tasks in the industrial robotic field.

Chapter 2 reviews the research works on kinematic redundancy resolution, including the local and global optimization approaches, and the application of intelligent control techniques. Some other developed functional redundancy resolutions are also introduced.

In Chapter 3, TWA is presented and applied on avoiding joint limits problem, while in Chapter 4, the singularity avoidance is added into the optimization objective of the robot joint space trajectory besides the joint limit avoidance.

Chapters 5 and 6 propose two different methods on adapting weights, self-adaptation method in Chapter 5, and dynamic-adaptation method in Chapter 6.

Finally, the conclusions and future works are presented in Chapter 7.

L'objectif de recherche de cette these est de developper un algorithme de resolution de la redondance (RR) arm d'optimiser la trajectoire dans l'espace articulaire d'un robot industriel devant effectuer des taches manufacturieres.

La plupart des operations d'usinage tel que le soudage, l'ebavurage ou le fraisage ont un axe de symetrie. II est clair que la rotation de l'outil autour de l'axe de symetrie n'a pas d'effet sur la tache a accomplir. Si la tache est effectuee avec un robot industriel possedant six axes de rotation, il y a un degre de liberte (DDL) redondant qui permet potentiellement d'optimiser. Cette sorte de redondance est appelee une redondance fonctionnelle, ce qui contraste avec la redondance intrinseque bien connue par la plupart des chercheurs. Les taches qui sont fonctionnellement redondantes sont tres communes dans le domaine de la robotique industrielle mais demeurent ignorees par la plupart des chercheurs.

Concernant les exigences pour l'utilisation de robots industriels dans les operations manufacturieres, cette these propose une nouvelle approche dans la resolution de la redondance pour les taches robotiques fonctionnellement redondantes. Cette approche est appelee methode de decomposition du torseur de vitesse (Twist Decomposition Approach) (TWA). Au lieu de projeter un critere d'optimisation sur l'espace nul de la matrice Jacobienne tel que le font la majorite des schemas de resolution de la redondance, la methode TWA decompose premierement le torseur de vitesse cartesien de l'effecteur en deux sous-espaces;​ l'un etant le sous-espace dans lequel la tache principale s'effectue, tandis que l'autre est l'espace redondant. La tache peut alors etre optimisee dans le sous-espace redondant. Dans cette these, les limites des joints ainsi que l'evitement des singularites sont considered comme etant les deux principaux objectifs d'optimisation.

Il a ete demontre que le TWA est capable d'optimiser de maniere efficace la trajectoire dans l'espace articulaire pour diverses taches et divers robots industriels. Les applications possibles de TWA inclus le soudage, le fraisage, l'ebavurage, la peinture, la coupe au laser et bien d'autres taches qui requierent moins de six degres de liberte au repere de l'outil.

Afin de prendre pleinement avantage du potentiel de TWA, il y a une question cruciale qui doit etre abordee. Ce sont les ponderations qui ont un role d'equilibre entre les sous-taches et la contribution de chaque articulation dans l'optimisation. Etant donne que les ponderations ont une grande influence sur l'optimisation, et aussi sur le succes ou l'echec d'une tache, la question de l'adaptation des ponderations merite une etude plus approfondie. Dans cette these, deux methodes d'adaptation des ponderations sont proposees, la methode d'auto-adaptation et la methode d'adaptation dynamique. Les deux methodes identifient premierement la sensibilite des ponderations. La methode d'auto-adaptation utilise une methode de recherche lineaire pour adapter les ponderations, tandis que la methode d'adaptation dynamique developpe quelques fonctions empiriques pour adapter dynamiquement les ponderations a chaque instant sur la trajectoire. Les deux methodes fonctionnent dans des taches variees. Par contre, la methode d'adaptation dynamique a un eventail d'applications plus large et atteint de meilleurs resultats d'optimisation etant donne que les ponderations sont adaptees selon les besoins a chaque instant au lieu de les conserver fixes a certaines valeurs tel que dans la methode d'auto-adaptation.

Cette these est composee de sept chapitres. Le chapitre 1 introduit le concept de taches fonctionnellement redondantes et presente les taches fonctionnellement redondantes comme etant commune dans le monde de la robotique industrielle. Le chapitre 2 fait une revue des travaux de recherche sur la resolution de la redondance cinematique, incluant les approches d'optimisation locale et globale, et l'application de techniques de controle intelligentes. D'autres resolutions de la redondance fonctionnelle developpee sont presentees.

Le chapitre 3 presente et applique le TWA aux problemes d'evitement des limites articulaires, alors qu'au chapitre 4, l'evitement des singularites est ajoute en parallele a l'evitement des limites des articulaires aux objectifs d'optimisation de la trajectoire du robot dans l'espace articulaire.

Les chapitres 5 et 6 proposent deux methodes differentes pour l'adaptation des ponderations, l'auto-adaptation au chapitre 5 et l'adaptation dynamique au chapitre 6.

Finalement, la conclusion est presentee au chapitre 7.