Contribution to the kinematic and dynamic modelling of parallel kinematic machines
Contribution à l'étude cinématique et dynamique des machines parallèles
Résumé
This thesis deals with the kinematic and dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel robots. These robots with less than six degrees of freedom are able to carry out several industrial tasks. The main reason of using such robots is to reduce the production costs by using less legs and motors. However, in some cases, these structures can produce a complex motion defined as a simultaneous combination of translation and rotation of the moving platform, which is the case of the Verne parallel module having three translation degrees of freedom. The modelling of this type of robots can prove to be complicated. This report includes five chapters. In the first chapter, a classification of parallel architectures is presented and a state of the art on important notions on kinematics and design of manipulators is exposed. The second and the third chapters are devoted to the kinematic modelling, serial singularity analysis and workspace calculation of the Verne machine. The fourth chapter deals with parallel singularity analysis of limited degrees of freedom robots using Grassmann-Cayley algebra. The geometrical conditions of existence of parallel singularities of three classes of parallel manipulators are found. Finally, the fifth chapter covers the dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel manipulators. A general method based on the Newton-Euler algorithm is developed. The proposed method takes in consideration all the dynamics of these robots including the legs dynamics as well as the mobile platform dynamics.
Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude cinématique et dynamique des robots parallèles à mobilités restreintes. Ces robots à moins de 6 degrés de liberté permettent d’effectuer de multiples tâches demandées par l’industrie. La raison principale de l’utilisation de ces robots est la volonté de réduire le coût en utilisant moins de jambes et moins de moteurs. Cependant, ces structures peuvent dans certains cas produire un mouvement de la plate-forme contraint par un couplage entre la position et l’orientation comme pour le module parallèle de la machine Verne ayant trois degrés de liberté de translation. Dans ce cas, la modélisation peut s’avérer compliquée. Ce mémoire comporte cinq chapitres. Dans le premier chapitre, une classification des architectures parallèles est présentée et des notions importantes liées à la cinématique et à la conception des manipulateurs sont exposées. Les deuxième et troisième chapitres sont consacrés à la modélisation géométrique, à l’étude des singularités sérielles et au calcul de l’espace de travail de la machine Verne. Le quatrième chapitre traite les singularités parallèles des manipulateurs à mobilités restreintes en utilisant l’algèbre de Grassmann-Cayley. Les conditions géométriques d’existence des singularités pour trois classes de manipulateurs sont trouvées. Les chaînes de ces manipulateurs transmettent des forces et/ou couples à la plate-forme mobile. Finalement, le cinquième chapitre concerne la modélisation dynamique des manipulateurs à mobilités restreintes. Une méthode générale basée sur les algorithmes de type Newton-Euler est développée. La méthode proposée prend en compte la dynamique des jambes et de la plate-forme. Nous obtenons ainsi des modèles dynamiques complets de ces robots.
Domaines
Robotique [cs.RO]
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