Conceptual design, static and dynamic analysis of novel cable-loop-driven parallel mechanisms

Authors: Liu, Hanwei
Advisor: Gosselin, Clément
Abstract: Les mécanismes parallèles entraînés par câbles permettent d'obtenir de grands espaces de travail puisque les plages de mouvement des câbles enroulés sur des treuils sont beaucoup plus grandes que celles des mécanismes à barres. De plus, les mécanismes entraînés par câbles possèdent un rapport charge utile sur poids propre avantageux et ils sont capables de produire de grandes vitesses. Toutefois, dans les mécanismes parallèles entraînés par câbles d'architecture classique, les câbles sont enroulés sur des treuils actionnés. Cette approche conduit à des imprécisions puisque le rapport entre la rotation du treuil et l'extension du câble n'est généralement pas constant. Par ailleurs, les mécanismes parallèles entraînés par des câbles sont habituellement actionnés de façon redondante en raison de l'unilatéralité de la force transmise par un câble. Cela conduit à une infinité de solutions au problème statique (ou dynamique) inverse et rend la commande du mécanisme plus compliquée. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles architectures de mécanismes parallèles entraînés par câbles construites à l'aide de boucles de câbles afin d'obtenir une meilleure précision et/ou éviter la redondance. Tout d'abord, des mécanismes plans à actionnement redondant utilisant des boucles de câbles sont proposés. Dans ces architectures, les câbles forment des boucles fermées fixées à l'effecteur, et dont le mouvement est produit par des actionneurs prismatiques. Un mécanisme plan à deux degrés de liberté est proposé. En remplaçant le système câble-treuil par des boucles de câbles fermées, les difficultés de mesure de l'extension des câbles sont atténuées. Le problème géométrique inverse, les matrices jacobiennes et les équations d'équilibre statique de ces mécanismes sont présentés. En utilisant les matrices jacobiennes, les singularités des mécanismes sont aussi analysées. À partir de l'équation d'équilibre statique, l'ensemble des torseurs applicables à l'effecteur est déterminé. Il est montré que la trajectoire d'un point d'attache d'une boucle de câble sur l'effecteur est une portion d'ellipse. L'intersection des ellipses fournit les modes d'assemblage. Il peut y avoir plus d'un point d'intersection des ellipses pour une position donnée des actionneurs. Cette caractéristique géométrique est aussi analysée. Afin d'éliminer la redondance d'actionnement, des ressorts sont introduits dans les mécanismes entraînés par boucles de câbles. Grâce à un arrangement géométrique approprié des ressorts dans les boucles, le mécanisme ne requiert que n actionneurs pour le guidage de n degrés de liberté, éliminant ainsi la redondance d'actionnement. Les mécanismes proposés peuvent être actionnés soit à l'aide d'actionneurs prismatiques ou à l'aide d'actionneurs rotoïdes entraînant une courroie. Le design conceptuel de quelques architectures de mécanismes de ce type est proposé. Une architecture non-symétrique, dans laquelle le ressort est attaché à un seul des côtés des boucles de câbles, est d'abord analysée. Ensuite, une architecture symétrique dans laquelle les deux côtés des boucles de câbles sont atttachés au ressort, est proposée. Une comparaison des architectures est établie pour des mécanismes plans. Puis, l'architecture symétrique est appliquée aux mécanismes spatiaux. Les analyses cinématiques et statiques sont présentées pour ces mécanismes. À l'aide des équations statiques, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur des mécanismes parallèles entraînés par boucles de câbles incluant des ressorts est déterminé. Pour fins de comparaison, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur de mécanismes plans et spatiaux entraînés par des câbles et des treuils classiques est également déterminé. Une étude dynamique est aussi réalisée afin de déterminer les limites de performance des mécanismes. La méthode de Newton-Euler est utilisée pour l'analyse dynamique et la détermination de la fréquence naturelle de même que des rapports d'amplitude entrée-sortie. Les mécanismes à boucles de câbles avec ressorts permettent d'éviter la redondance d'actionnement. Les paramètres des ressorts doivent être ajustés correctement afin d'obtenir de bonnes caractéristiques pour ces mécanismes. Toutefois, l'utilisation de ressorts augmente le coût et la complexité des mécanismes. Par conséquent, il est proposé de réaliser la condition d'équilibre des forces sans ressorts. À cet effet, un mécanisme à deux degrés de liberté découplé non redondant à boucles de câbles entraînées par actionneurs prismatiques est proposé. Les actionneurs sont situés sur les arêtes de l'espace de travail. La redondance d'actionnement est éliminée tout en fournissant la condition de fermeture de force (force closure) partout dans l'espace de travail. De plus, l'encombrement du mécanisme est essentiellement égal à son espace atteignable et le mécanisme ne souffre d'aucune singularité. Deux boucles de câble sont utilisées pour chacune des directions de mouvement. Une première boucle agit comme boucle d'actionnement alors que la seconde, qui est passive, est la boucle de contrainte. Grâce à une conception géométrique simple, les équations cinématiques et statiques du mécanisme sont très compactes. Une étude de la raideur effective du mécanisme montre que celle-ci est excellente. Finalement, une analyse dynamique est proposée en considérant l'élasticité et l'amortissement des câbles.
Document Type: Thèse de doctorat
Issue Date: 2012
Open Access Date: 19 April 2018
Permalink: http://hdl.handle.net/20.500.11794/23851
Grantor: Université Laval
Collection:Thèses et mémoires

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