Doctorant en robotique h/f

La conception, la planification de mouvement et le contrôle de robots nécessitent une bonne compréhension et une modélisation adéquate du comportement cinématique et statique de ces robots. Pour cela, on est amené à identifier l'ensemble des configurations singulières du robot étudié. Cet ensemble est généralement défini par des relations qui décrivent des surfaces dans l'espace des entrées (les coordonnées articulaires motorisées) et/ou des sorties (les coordonnées de pose de l'organe effecteur). Ces surfaces de singularités donnent de précieuses informations sur les performances globales du robot. Elles génèrent des frontières dans l'espace de travail que le robot ne peut pas toujours franchir, en particulier les frontières extérieures. Elles permettent aussi de vérifier si le robot est cuspidal, c'est-à-dire s'il peut changer de solution sans passer par une singularité (Wenger and Chablat [2022]). Or, il a été mis en évidence récemment qu'un robot cuspidal, si
celui-ci n'est pas identifié comme tel, peut montrer un comportement erratique lors de l'exécution de certaines trajectoires Salunkhe et al. [2024], pouvant même s'avérer dangereux lorsqu'il s'agit d'un robot collaboratif (cobot) (Verheye [2021]). Cette analyse est d'autant plus importante que beaucoup de cobots apparus sur le marché ces dernières années sont cuspidaux, alors même que ni le fabricant, ni l'utilisateur n'en est conscient. Si l'analyse de cuspidalité est à présent bien maitrisée sur des robots ayant jusqu'à 3 degrés de liberté (ddls) (Wenger and Chablat [2022]), elle reste difficile pour des robots à 6 ddls tels que les cobots du commerce (Salunkhe et al. [2024]). Cette difficulté est due à la dimension des espaces dans lesquels les surfaces de singularités sont définies, qui sont de dimension supérieure à 3.
Pour rendre les robots moins dangereux lors d'interactions avec l'humain, une solution très prometteuse est d'utiliser le paradigme de tenségrité (Quennouelle and Gosselin [2008]), (Furet and Wenger [2019], Fasquelle et al. [2020, 2021], Muralidharan et al. [2023], Chevallereau et al. [2023], John et al. [2024], Munoz et al. [2024a], Muralidharan et al. [2024], Wenger and Chevallereau [2024], Munoz et al. [2024b]). Un robot tensègre est composé d'éléments rigides en compression et d'éléments flexibles en tension comme des câbles et des ressorts. Moins complexe et plus facile à contrôler qu'un robot continûment déformable, un robot tensègre peut être actionné à l'aide de câbles et d'enrouleurs motorisés fixés sur sa base, diminuant ainsi les masses en mouvement. De plus, les éléments uniquement soumis à la compression peuvent être dimensionnés avec de faibles sections, contribuant à la légèreté du robot. Les robots tensègres soulèvent de nouveaux défis en ajoutant des contraintes liées à l'équilibre statique qui doit être vérifié dans tout son espace de travail. La stabilité des équilibres doit aussi être garantie. De plus, il est souvent utile de pouvoir moduler la raideur. Par exemple, on souhaitera une bonne raideur sur les points de précision. A l'inverse, il sera préférable que le robot soit plus souple lors de ses déplacements entre ces points de travail, pour faciliter les interactions avec son environnement. L'espace de travail d'un robot tensègre doit donc être calculé en intégrant toutes ces contraintes, qui génèrent alors de nouvelles surfaces qu'il faut caractériser et analyser.
1/Robots cuspidaux :
On étudiera en premier lieu une famille de robots sériels de type 6R présentant un offset au poignet. Cet offset est la seule différence par rapport aux robots industriels les plus courants qui, eux, ont un poignet de type rotule. La présence de cet offset modifie drastiquement les propriétés du robot : il possède 16 solutions inverses au lieu de 8 et les singularités ne sont plus découplées. Plusieurs de ces robots ont été identifiés comme cupsidaux mais aucun résultat général n'a pu être "tabli à ce jour. Il s'agira de déterminer et analyser les surfaces de singularité dans l'espace des articulations. Cette analyse permettra de déterminer le nombre de composantes sans singularité dans cet espace. Par suite, il sera possible de compter le nombre de solutions dans chacune des composantes et conclure sur la cuspidalité. Dans un second temps, il s'agira d'obtenir des règles sur la cuspidalité d'autres robots 6R présentant certaines simplifications comme des axes parallèles ou sécants.
2/Robots tensègres
En second lieu, le (la) candidat(e) analysera 2 architectures prometteuses pour un usage en cobotique de robots tensègres et étudiées au LS2N que sont : l'articulation de type prisme et l'articulation de type anti-gravity pour lesquelles les solutions aux modèles inverse et direct n'ont pas été dénombrées et dont les surfaces de singularités n'ont pas été étudiées.

Prérequis :
- Titulaire d'un master en robotique ou diplômé d'une école d'ingénieur avec une spécialité en robotique.
- Bonnes connaissances en modélisation géométrique et cinématique de robot
- Une aisance dans la résolution d'équations algébriques par calcul formel sera appréciée
- Capacité à communiquer et valoriser les travaux
- Autonomie, capacité organisationnelle et capacité à rendre compte

References
*Christine Chevallereau, Philippe Wenger, and Anick Abourachid. A new bio-inspired joint with variable stiffness. In International Workshop on Medical and Service Robots, pages 220-227. Springer, 2023.
*B. Fasquelle, M. Furet, P. Khanna, D. Chablat, C. Chevallereau, and P. Wenger. A bioinspired 3-DOF lightweight manipulator with tensegrity x-joints. In 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pages 5. IEEE, 2020.
*B. Fasquelle, P. Khanna, C. Chevallereau, D. Chablat, D. Creusot, S. Jolivet, P. Lemoine, and P. Wenger. Identification and control of a 3-x cable-driven manipulator inspired by the bird neck. Journal of Mechanisms and Robotics, 13(5) :1-25, 2021.
*M. Furet and P. Wenger. Kinetostatic analysis and actuation strategy of a planar tensegrity 2-x manipulator. ASME Journal of Mechanisms and Robotics, 11(6) :060904, 2019.
*I. John, S. Mohan, and P.Wenger. Kinetostatic analysis of a spatial cable-actuated variable stiffness joint. ASME. J. Mechanisms Robotics, 16(9) :091003, September 2024. doi : 10.1115/1.4064254. URL https://doi.org/10.1115/1.4064254.
*V. Muralidharan, P. Wenger, and C. Chevallereau. Design considerations and workspace computationof 2-x and 2-r planar cable-driven tensegrity-inspired manipulators. Mechanism and Machine Theory, 195 :104189, 2024.
*Vimalesh Muralidharan, Nicolas Testard, Christine Chevallereau, Anick Abourachid, and Philippe Wenger. Variable stiffness and antagonist actuation for cable-driven manipulators inspired by the bird neck. Journal of Mechanisms and Robotics, 15(3) :035002, 2023.
*K. Munoz, M. Porez, and P. Wenger. Kinematic and static analyses of a 3-DOF spatial tensegrity mechanism. In J. Lenarcic and M. Husty, editors, Advances in Robot Kinematics 2024, volume 31 of Springer Proceedings in Advanced Robotics, page 36. Springer, 2024a.
*K. Munoz, M. Porez, and P. Wenger. Modeling and analysis of a four-leg tensegrity mechanism. Mechanism and Machine Theory, 2025.
C. Quennouelle and C. Gosselin. Stiffness matrix of compliant parallel mechanisms. Advances in Robot Kinematics : Analysis and Design, pages 331-341, 2008.
*Durgesh Haribhau Salunkhe, Tobias Marauli, Andreas Muller, Damien Chablat, and Philippe Wenger. Kinematic issues in 6R cuspidal robots, guidelines for path planning and deciding cuspidality. The International Journal of Robotics Research, September 2024. doi : 10.1177/ ToBeAssigned. URL https://hal.science/hal-.
*Achille Verheye. Why hasn't anyone heard of cuspidal robots?, 2021. URL https://achille0.medium.com/why-has-no-one-heard-of-cuspidal-robots-fa2fa60ffe9b.
*Philippe Wenger and Damien Chablat. A review of cuspidal serial and parallel manipulators. Journal of Mechanisms and Robotics, pages 1-37, September 2022. doi : 10.1115/1.4055677. URL https://hal.science/hal-.
*Philippe Wenger and Christine Chevallereau. A simple revolute joint with coactivation principle. In European Conference on Mechanism Science, pages 174-182. Springer, 2024.

Contexte de travail
La thèse se déroulera au sein du Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N), pôle robotique, process et calcul.
Elle entre dans le cadre du projet collaboratif ANR StratMesh (ANR-24-CE48-1899). Ce projet, qui regroupe le LS2N et les centres INRIA de Nancy, Paris et Sophia-Antipolis, a pour but d'apporter des outils efficaces de calcul et de modélisation de surfaces dans des dimensions élevées par triangulation.
La thèse sera encadrée par Damien Chablat, Mathieu Porez et Philippe Wenger pour le LS2N, en collaboration avec Guillaume Moroz de l'INRIA Nancy-Lorraine, spécialiste en stratification de surfaces.
Contraintes et risques
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