Abstract : High performance pick-and-place applications having large performance levels require high dynamic characteristics that can only be achieved by parallel robots. Mechanisms having four degrees of freedom give the best flexibility, but the range of the angular motion is often the weak point of these architectures. However, introducing articulated traveling plates overcomes this drawback. As such, three new architectures of four degree of freedom pick-and-place robots are presented in this document: Par4, Heli4 and Dual4. A complete study of these mechanisms is proposed, and their prototypes are presented in order to validate the architectures and to estimate their performances. Then, a simplified dynamic model applied to robots having articulated traveling plates is presented. This method is applied to the Par4 to identify an imbalance of its motor torques. Then, a minor modification on the platform kinematics is shown to create a 30% reduction of these torques. Therefore, a new "balanced" version of the robot based on the dynamic study is proposed. Finally, two optimizations are applied to pick-and-place robots. First, the geometric parameters of the Par4 are optimized for pick-and-place operations. Second, path planning which uses clothoids and an adaptive time law is presented in order to optimize the movements of the robot during a pick-and-place motion with high accelerations.
Résumé : Les applications de pick-and-place à hautes cadences requièrent des caractéristiques très élevées en terme de performances dynamiques, que seuls les robots parallèles sont capables d'atteindre. Les robots à quatre degrés de liberté proposent le plus de flexibilité, mais l'amplitude de la rotation permettant l'orientation de l'objet est souvent le point faible de ces architectures. Cependant, le concept de nacelle articulée permet de dépasser cet inconvénient. Ainsi, trois nouvelles architectures de robots de pick-and-place à quatre degrés de liberté sont présentées dans ce manuscrit : les architectures Par4, Héli4 et Dual4. Pour chacun des robots présentés, une étude complète est effectuée et un démonstrateur est réalisé afin de valider les concepts et de les évaluer. Une méthode de modélisation dynamique simplifiée appliquée aux robots à nacelle articulée est ensuite présentée. Cette méthode est appliquée au robot Par4 et permet de mettre en avant un déséquilibre des couples moteurs sur ce mécanisme. Il est alors démontré qu'un changement mineur dans la cinématique de la nacelle permet de réduire de 30% les couples mis en jeux lors de trajectoires de prises-déposes. Une nouvelle version "équilibrée" du robot est donc proposée en se fondant sur l'étude dynamique présentée précédemment. Enfin, deux types d'optimisations appliquées aux robots de pick-and-place sont présentés. Tout d'abord, une méthode de recherche des paramètres géométriques dédiée aux robots de pick-and-place est présentée et appliquée au robot Par4. De plus, une génération de trajectoire utilisant les clothoïdes et une loi horaire adaptative est proposée afin d'optimiser les déplacements du robot lors de mouvements de pick-and-place à très hautes accélérations