Lundi 31 mars à 10h, amphi S, Institut de Recherche en Communications et Cybernétique de Nantes.
Dans ce mémoire, je présente les recherches que j'ai
effectuées à l’IRCCyN et à l’Université
McGill sur l'analyse et la conception de mécanismes.
Concernant l’analyse de mécanisme, j’ai suivi le
même plan de recherche entre les mécanismes sériels
et les mécanismes parallèles. La classification des mécanismes
3R orthogonaux en fonction de la typologie de leur espace de travail
ainsi que la définition d'une condition nécessaire et
suffisante pour avoir des mécanismes binaires ou quaternaires
sont les résultats importants obtenus pour les mécanismes
sériels. La notion d’isotropie et la longueur caractéristique
sont deux notions que j’ai abordées pour les mécanismes
sériels et parallèles. Dans les deux cas, j’ai apporté
une contribution en travaillant sur la longueur caractéristique
optimisée pour les mécanismes sériels et en définissant
la longueur caractéristique pour plusieurs mécanismes
parallèles. J’ai transposé la notion d’aspect
et de domaines d’unicité pendant ma thèse pour les
mécanismes parallèles. Ces définitions reposent
sur la notion de modes de fonctionnement que j’ai défini
en 1997. Nous avons ensuite travaillé sur la définition
de points cusp en utilisant les travaux de McAree et en introduisant
un algorithme pour les caractériser. En étudiant les trajectoires
de changement de mode d’assemblage non singulier, nous avons mis
en évidence, dans l’espace des configurations, le contournement
d'un ou plusieurs points cusp.
Concernant la conception de mécanisme, nous avons utilisé
les résultats obtenus lors de l’analyse des mécanismes
sériels et parallèles pour calculer des indices de performance
(longueur caractéristique) ou pour trouver de nouvelles classes
de mécanismes (classification de mécanismes sériels,
notion d’isotropie). La classification des mécanismes sériels
nous a permis d’obtenir plusieurs classes des mécanismes
dont les propriétés restent stables en fonction de leurs
paramètres de conception. Parmi les mécanismes 3R orthogonaux,
nous avons classifié deux types qui semblent intéressants
pour le concepteur. Pour les mécanismes planaires à trois
degrés de liberté, nous avons étudié principalement
le 3-PRR en utilisant la surface de l’espace de travail ainsi
que le conditionnement inverse moyen. Cette formulation, de type multi-objectifs,
était nouvelle pour moi lorsque je l’ai formulée.
Nous avons conduit plusieurs études sur l’optimisation
et la comparaison de mécanismes parallèles planaires et
spatiaux pour des mouvements de translation pure. Ces résultats
ont permis de justifier, selon plusieurs indices de performances, la
pertinence de l’utilisation de l’isotropie.
Nous avons réalisé la conception des vertèbres
d'un robot anguille dans le projet ROBEA Anguille en utilisant nos connaissances
sur les mécanismes parallèles. Ce mécanisme d'architecture
parallèle permet de minimiser la puissance des moteurs. Pour
la nage, deux moteurs travaillent ensemble dans le même sens et
pour plonger ces deux même moteurs travaillent aussi ensemble
mais en opposition. Le placement de ces moteurs a été
optimisé afin de s'insérer dans la section elliptique
de l'anguille. Un prototype a été construit et assemblé
à l'IRCCyN.
Dans le cadre du projet européen NEXT, nous avons étudié
la cinématique de la machine Verne. Nous avons étudié
les modes d'assemblage et de fonctionnement puis modélisé
l'espace de travail en tenant compte des limites des articulations motorisées
et passives. Nous avons aussi montré que l'espace de travail
libre de singularité et de collision était plus grand
que celui actuellement utilisé. Pour palier le problème
de couplage entre la taille de l'espace de travail et la longueur de
l'outil, nous pouvons générer un espace de travail adapté
à chaque situation qui peut être exporté sous forme
de fichier CAO dans CATIA par exemple.
Nous avons réalisé l’optimisation du mécanisme
Slide-o-Cam comme mécanisme de transformation de mouvement de
rotation en translation en utilisant simultanément plusieurs
fonctions objectives (l’angle de pression, la pression de hertz,
l’encombrement et l’inertie des pièces en mouvement).
La résolution de ce problème m’a permis d’aborder
la problématique de l’optimisation multi-objectifs qui
est l’un des thèmes fédérateurs de notre
équipe.
J’ai présenté les deux versions de l’Orthoglide,
3 axes et 5 axes. De nombreux résultats ont été
obtenus et présentés dans ce mémoire. La démarche
de conception nous a permis de définir les dimensions du prototype
en fonction d’un cahier des charges orienté machines d’usinage
à grandes vitesses. Nous avons défini la notion d’espace
de travail dextre régulier pour l’Orthoglide et utilisé
cette notion pour comparer plusieurs mécanismes parallèles.
Nous avons réalisé l’analyse de la rigidité
en utilisant un modèle utilisant des flexibilités localisées.
In that thesis, I present the research that I conducted at IRCCyN and
McGill University on the analysis and design of mechanisms.
Concerning the analysis of the mechanism, I followed the same research
plan for serial and parallel mechanisms. The classification of mechanisms
3R orthogonal according to the typology of their workspace and the definition
of a necessary and sufficient condition for having binary or quaternary
mechanisms are significant achievements for mechanisms serial. The concept
of isotropy and characteristic length are two concepts that I discussed
for serial and parallel mechanisms. In both cases, I have made a contribution
by working on the characteristic length optimised for serial mechanisms
and defining characteristic length for a number of parallel mechanisms.
I transposed the notion of aspect and of uniqueness domains during my
thesis for parallel mechanisms. These definitions are based on the concept
of working modes that I outlined in 1997. We then worked on defining
cusp points using the work of McAree and introducing an algorithm to
characterize. By studying the non-singular changing assembly mode trajectory,
we have highlighted, in the joint space, the encircle of one or more
points cusp.
Regarding the mechanism design, we used the results of the analysis
of serial and parallel mechanisms for calculating performance indices
(characteristic length) or to find new classes of mechanisms (classification
of serial mechanisms, concept of isotropy ). The classification of serial
mechanisms enabled us to achieve several classes of mechanisms whose
properties remain stable on the basis of their design parameters. Among
the 3R orthogonal mechanisms, we classified two types that seem attractive
to the engineer. For planar mechanisms with three degrees of freedom,
we looked mainly 3-PRR using the surface of the workspace and average
of the inverse conditioning. This multi-objective optimisation was new
to me when I made. We conducted several studies on optimising and comparison
of parallel mechanisms for planar and spatial movements of pure translation.
These results were used to justify, according to several indices of
performance, the relevance of the use of isotropy.
We realized the design of the vertebrae of an eel like robot in the
project "ROBEA anguille" using our knowledge of the parallel
mechanisms. The mechanism of parallel architecture allows for lower
power of motor. For swimming, two engines work together in the same
direction and to plunge these two engines work well together but also
in opposition. The placement of these motors has been optimised to fit
into the elliptical cross-section of the eel. A prototype has been built
and assembled at IRCCyN.
Within the European project NEXT, we studied the kinematics of the machine
Verne. We studied the assembly modes and the working modes then modelled
the workspace within the limitations of the actuated and passive joints.
We have also shown that the workspace is free of singularity and collision
was larger than that currently used. To solve the problem of coupling
between the size of the workspace and the length of the tool, we can
generate a workspace tailored to each situation that can be exported
in the form of CAD file in CATIA for example.
We realized optimisation of the Slide-o-Cam as a mechanism for transforming
rotary motion in translation using multiple objective functions (the
angle of pressure, the hertz pressure, the size and the inertia of moving
parts). The resolution of this problem has allowed me to address the
problem of multi-objective optimisation, which is one of the themes
of our team.
I presented the two versions of Orthoglide, 3-axis and 5-axis. Many
results have been obtained and presented in this thesis. The design
approach has allowed us to define the size of the prototype in terms
of specifications oriented machines at high speeds. We have defined
the concept of regular dexterous workspace for the Orthoglide and used
this notion to compare several parallel mechanisms. We conducted an
analysis of the rigidity using a model using localized flexibilities.