Contributions à l'analyse et à l'optimisation de mécanismes poly-articulés
Résumé
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.
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.
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.
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.