Development of a Versatile Exploration and Optimization Tool for the Conceptual Design of Serial Robot Manipulators

Les manipulateurs robotiques sont au coeur d’un large éventail d’applications, allant des tâches de soudage industriel aux interventions chirurgicales de précision. Face à la demande croissante d’applications innovantes, les entreprises de robotique doivent adapter leur processus de conception afin d’évaluer efficacement les nouveaux concepts et les compromis en matière de performances. Constatant le manque d’efficacité des premières étapes de la conception, cette thèse présente le développement d’un outil polyvalent conçu pour optimiser et explorer la conception préliminaire des manipulateurs robotiques à chaîne cinématique ouverte. Une analyse approfondie de la littérature a révélé les principales limites des méthodologies existantes, notamment en ce qui concerne la généralisabilité des modèles, la polyvalence des applications possibles et la flexibilité algorithmique. Cette étude vise donc à relever ces défis en introduisant un outil complet intégrant à la fois des approches de conception directe et inverse, permettant une évaluation efficace de concepts de manipulateurs robotiques. La méthodologie développée dans ce mémoire de maîtrise utilise un modèle de manipulateur intégrant des composants cinématiques, dynamiques, structurels et d’actionnement. Le modèle cinématique utilise la convention des séquences de transformation élémentaires pour l’interprétabilité, tandis que les modèles dynamiques et structurels proposent des représentations simplifiées des propriétés des membrures. Les actionneurs, représentés par un moteur et un réducteur, sont utilisés pour dériver trois modèles de limites de performance à des fins d’évaluation différentes. Un module de cinématique inverse optimisé est également inclus, guidant la sélection de la configuration des joints avec l’optimisation d’un objectif secondaire. L’outil comprend un ensemble de fonctions d’évaluation de critères de performances développées suite à une études des indicateurs fréquemment mentionnés dans la littérature et les fiches techniques commerciales. Ces fonctions englobent des critères d’évaluation globaux, ainsi que des indicateurs spécifiques à des cas d’utilisation, définis par des positions dans l’espace ou des chemins ou trajectoires à suivre. Une nouvelle application des méthodes d’optimisation est proposée pour dériver des indices de performance locaux globalisés en identifiant les configurations articulaires critiques. L’efficacité des fonctions d’évaluation est démontrée à travers l’analyse d’un modèle du robot collaboratif Kinova GEN3, les évaluations nécessitant généralement moins de deux minutes. Le module de conception inverse intègre un ensemble de variables de conception, notamment des paramètres cinématiques et des configurations d’actionneurs, ce qui lui permet de s’adapter à diverses applications robotiques.