Les robots parallèles à câbles

Les robots parallèles à câbles 

Les travaux de recherche de Stewart (Stewart, 1965) ont fait un bond en avant dans le domaine de la robotique. Depuis lors, les mécanismes parallèles sont devenus une bonne alternative aux robots sériels classiques.

Contrairement aux robots sériels, les manipulateurs parallèles distribuent la charge sur toutes les liaisons formant des chaînes cinématiques fermées. En conséquence, les robots parallèles bénéficient d’une rigidité globale accrue. Le rapport charge utile/poids est plus élevé car chaque actionneur ne supporte qu’une fraction de la charge de l’effecteur. De plus, la précision de la position de l’effecteur est plus élevée car les erreurs dans les liens du manipulateur ne s’accumulent pas. Ces caractéristiques les rendent très pratiques pour de nombreuses tâches différentes telles que le positionnement précis, la manipulation de charges lourdes et les applications à haute vitesse.

Au cours des dernières décennies, une nouvelle classe de robots parallèles a émergé, où les liens rigides sont remplacés par des câbles. Cette classe de manipulateurs a été communément appelée manipulateurs parallèles actionnés par câbles.

Les robots parallèles à câbles sont une classe spéciale de manipulateurs parallèles dans lesquels l’effecteur est directement actionné par des câbles. Ces robots combinent les principes des robots parallèles aux propriétés des câbles, ce qui conduit à des mécanismes potentiellement très efficaces.

Ces manipulateurs parallèles ont de nombreux avantages par rapport aux robots parallèles traditionnels. Ils sont caractérisés par des structures légères avec une faible inertie de mouvement et un grand espace de travail, en raison de l’emplacement des actionneurs à la base fixe de la structure, réduisant ainsi la masse et l’inertie de la plate-forme mobile, ce qui les rend très appropriés pour les applications hautes vitesses et hautes performances (Kawamura, 1995), (Rosati, Zanotto, & Agrawal, 2011).

D’autres caractéristiques sont le rapport charge utile/poids élevé, la rapidité, la transportabilité. Le système mécanique a une structure simple et est facile à construire à faible coût (Barrette & Gosselin, 2005). Un autre avantage majeur est qu’ils sont reconfigurables, ce qui permet de les utiliser pour différentes tâches en déplaçant les points d’attache des câbles (Merlet, 2006).

Les principaux inconvénients des manipulateurs parallèles à câble sont dus à la nature physique des câbles. Les câbles ne peuvent que tirer mais pas pousser, et par conséquent ils doivent être maintenus en tension pendant que le manipulateur fonctionne, ce qui rend leur commande plus difficile. Un autre inconvénient est la possibilité de collision de câbles entre eux, mais ceci est limité uniquement aux systèmes redondants spatiaux (Merlet, 2006).

Applications de robots parallèles à câbles 

L’idée de robots à câbles est apparue à la fin des années 1980 et au début des années 1990 à partir des travaux de Landsberger (Landsberger, 1985), de Higuchi (Higuchi, 1988) et de Bostelman (Bostelman, Albus, Dagalakis, Jacoff, & Gross, 1994). Landsberger a proposé en 1985 un mécanisme parallèle où sa géométrie était basée sur celle d’une plate-forme Stewart, où les liens rigides ont été remplacés par des câbles (Landsberger, 1985). Les motivations et les avantages de l’utilisation des câbles comprenaient leur poids léger, la taille compacte du manipulateur tout en permettant un grand espace de travail, ainsi que la reconfigurabilité du système qui permet d’accomplir différentes tâches.

En 1988, Higuchi (Higuchi, 1988) a proposé le concept d’une grue métallique pour la construction de bâtiments. Dans ce travail, on présente les prototypes et la cinématique d’un manipulateur planaire à 3 degrés de liberté ainsi que d’un manipulateur spatial à 3 degrés de liberté. Comparé à une grue traditionnelle, la grue à câbles permet de contrôler la position de l’effecteur à grande vitesse et précision.

Au cours des premières études sur les robots à câbles parallèles, le robot à câble le plus cité est le NIST-RoboCrane (National Institute of Standards and Technology) développé par Albus et son équipe à l’Institut National des Standards et de la Technologie NIST (Albus et al., 1993). Ce robot se compose de 6 câbles qui s’enroulent et se déroulent pour actionner l’effecteur. L’idée derrière le développement de ce mécanisme était de surmonter les inconvénients des mouvements sous-tendus des grues conventionnelles. Il permet la manipulation des mouvements de translation et de rotation de la grue. Les utilisations proposées du manipulateur comprenaient des tâches telles que la coupe, le levage et le positionnement de la charge. Le principal avantage de RoboCrane est son rapport poids/charge utile élevé, puisqu’il peut soulever au moins cinq fois son propre poids (Albus et al., 1993).

Compte tenu des avantages et des caractéristiques uniques des robots parallèles à câbles, leur utilisation s’est étendue sur plusieurs types d’applications. En raison de leur grand espace de travail et de leur grande vitesse, ils ont été utilisés dans l’enregistrement sportif, comme dans le cas de Skycam (Tanaka, Seguchi, & Shimada, 1988) qui a été développée en tant que système à câble parallèle déplaçant une caméra dans trois degrés de liberté de translation.

Une autre application pour ce type de manipulateurs est les dispositifs haptiques. Ces dispositifs sont souvent commandés en utilisant un schéma de contrôle d’impédance, dans lequel l’utilisateur peut ressentir l’inertie et la friction induites par le dispositif lui-même. Les propriétés des mécanismes parallèles entraînés par câbles les rendent très attractifs pour de telles applications, car ils peuvent fournir une grande rigidité et une très faible inertie sur un grand espace de travail. L’un des premiers exemples d’un dispositif haptique basé sur un mécanisme parallèle à câbles est le contrôleur de main rapporté dans (Sato, 2002).

Un autre domaine d’intérêt est le suivi de mouvement, qui est important pour la réalité virtuelle et les applications biomédicales. Dans (Ottaviano, Ceccarelli, Sbardella, & Thomas, 2002), des chercheurs ont développé le système CaTraSys (Cassino Tracking System) pour une identification expérimentale des paramètres cinématiques et de la mobilité articulaire des bras et des jambes humains. Il a été utilisé pour déterminer la position de l’extrémité du membre pendant son mouvement, et en outre, il est capable de mesurer les forces et les couples qui sont exercés par le membre.