Analyse cinématique des manipulateurs sériels 3R orthogonaux et des manipulateurs parallèles plans

Kinematics analysis of the 3R orthogonal manipulators and the planar parallel manipulators

• Auteur / Autrice : Mazen Zein
• Direction : Philippe Wenger, Damien Chablat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en communications et cybernétique (Nantes) (1958-2017)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - Centrale Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Topologie

Manipulateurs (mécanismes)

Cinématique

Résumé

La diversité des tâches dans l’industrie entraîne un besoin de mise en place de nouveaux manipulateurs. Une analyse de comportement de ces manipulateurs est nécessaire afin de comparer leurs performances. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude cinématique et la comparaison de performances de deux types de manipulateurs : les manipulateurs 3R sériels à axes orthogonaux et les manipulateurs 3-RPR parallèles plans. Tout d’abord des notions importantes liées à la cinématique et à la conception de manipulateurs sont présentées. Dans la 2ème partie de cette thèse, une classification exhaustive des manipulateurs 3R sériels orthogonaux particuliers est établie. Le critère de classification est la topologie des singularités dans l’espace de travail (E. T). Vingt deux types différents de manipulateurs sont trouvés. Dans la 3ème partie, les vingt deux types sont comparés tout d’abord suivant la topologie de leur E. T, ensuite suivant un nouvel indice de performance. Les manipulateurs les plus performants sont mis en évidence. Dans la 4ème partie, les singularités dans l’espace articulaire des manipulateurs 3-RPR parallèles plans sont déterminées et analysées. Un algorithme pour le calcul des points cusp est établi. Dans la 5ème partie, deux nouvelles conditions de dégénérescence du modèle géométrique direct (MGD) des ces mêmes manipulateurs sont établies. Une nouvelle classe de ces manipulateurs a été découverte : les manipulateurs dégénérés. Ces manipulateurs ont leur MGD toujours dégénéré et des propriétés cinématiques intéressantes. Enfin, deux méthodes pour éviter les singularités de ces manipulateurs sont proposées : la planification de trajectoires non singulières de changement de mode d’assemblage, la recherche de zones non singulières dans les espaces de travail et articulaire. Les résultats présentés dans ce travail constituent un outil intéressant d’aide à la conception de nouveaux manipulateurs.

The variety of tasks in industry necessitates implementation of new manipulators. A behaviour analysis of these manipulators is necessary to compare their performances. The work presented in this thesis deals with the study of kinematical properties and of the performances comparison of two types of manipulators: 3-revolute (3R) serial orthogonal manipulators and 3-RPR planar parallel manipulators. First, a state of the art on important notions on kinematics and design of manipulators is presented. Then, in the 2nd section of this thesis, an exhaustive classification of 3R serial orthogonal manipulators with geometric simplifications is established. The classification criterion is the singularities topology in the workspace. Twenty-two different manipulators types are found. In the 3rd section, the twenty-two types are compared first according to the topology of their workspace, then according to a new performance index that we have introduced. In the 4th section, the singularities in the joint space of 3-RPR planar parallel manipulators are determined and analysed. An algorithm for the detection of cusp points is established. In the 5th section, two new forward kinematics degeneracy conditions for these manipulators are found. A new class of these manipulators is discovered: the degenerate manipulators. These degenerate manipulators have always a degenerate forward kinematic model and interesting kinematic properties. Finally, two methods for avoiding the singularities of the 3-RPR parallel manipulators are proposed: the planning of non singular assembly mode changing trajectories and the determination of maximal singularity free regions in the workspace and in the joint space of these manipulators. Results presented in this thesis can serve as an efficient help tool for the design of new manipulators.