Robotique médicale guidée par l'image Equipe Lagadic

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1! Robotique médicale guidée par l'image Alexandre Krupa CR INRIA Equipe Lagadic INRIA Rennes Bretagne Atlantique - IRISA 2!Equipe Lagadic •  Localisation : IRISA, campus universitaire de Beaulieu •  Thématique de recherche de l'équipe : •  Asservissement visuel en robotique, vision et animation •  Dont : Application à la robotique médicale •  Actuellement 18 membres : •  2 chercheurs INRIA (F. Chaumette, A. Krupa) •  1 professeur universitaire (E.
  • configuration articulaire
  • compensation temps réel du mouvement physiologique
  • loi de composition des vitesses linéaires sur le chaînage des corps
  • professeurs universitaires
  • professeur universitaire
  • robotique
  • robot
  • robots
Source : irisa.fr
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1!
Robotique médicale guidée par l’image
Alexandre Krupa
CR INRIA
Equipe Lagadic
INRIA Rennes Bretagne Atlantique - IRISA
2!
Equipe Lagadic
•  Localisation : IRISA, campus universitaire de Beaulieu
http://www.irisa.fr/lagadic
•  Thématique de recherche de l’équipe :
•  Asservissement visuel en robotique, vision et animation
•  Dont : Application à la robotique médicale
•  Actuellement 18 membres :
•  2 chercheurs INRIA (F. Chaumette, A. Krupa)
•  1 professeur universitaire (E. Marchand)
•  1 ingénieur INRIA (F. Spindler)
•  8 doctorants
•  2 post-doctorants
•  2 ingénieurs temporaires (CDD) 3!
Qu’est ce que l’asservissement visuel ?
Commande à partir de la vision d’un système dynamique :
s S*
•  Modélisation d’indices visuels à partir des mesures disponibles
•  Développement de schéma de commande
•  Prise en compte du système et des contraintes de l’environnement
pour un comportement adéquat du système (stabilité, robustesse, …)
3
4!
Objectifs de l’équipe Lagadic
Développer des méthodes
génériques que nous souhaitons
appliquer pour :
•  manipulation basée vision
•  navigation basée vision
•  robotique médicale
Autres applications :
•  réalité augmentée 5!
Alexandre Krupa
•  1995 – 1996 : DUT GEII, Mulhouse
•  1997 – 1998 : Licence et maîtrise EEA, Strasbourg
•  1999 : DEA en Automatique et Traitement Numérique du Signal à l’Institut
National Polytechnique de Lorraine, Nancy
•  1999 – 2003 : Doctorat au LSIIT (UMR CNRS/ULP 7005), Strasbourg
Equipe Automatique, Vision et Robotique (eAVR)
« Commande par vision d’un robot de chirurgie laparoscopique »
Collaboration avec l’IRCAD de Strasbourg
•  2003 – 2004 : ATER à l’Université Louis Pasteur, eAVR
•  2004 – aujourd’hui : Chargé de recherche INRIA dans l’EPI Lagadic de l’IRISA
•  2006 – 2007 : Mise à disposition à The Johns Hopkins University, Baltimore, USA
•  2008 – 2011 : Responsable du projet national ANR Contint USComp
« Compensation temps réel du mouvement physiologique sous imagerie
ultrasonore »
6!
Plan de l’exposé
1.  Robotique - Notions de base
•  Modèles géométriques et cinématiques
•  Schéma de commande pour le suivi d’une trajectoire
2.  Robotique médicale guidée par l’image pré-opératoire
•  Recalage robot/patient
•  Systèmes de localisation pour le recalage
•  Exemples d’applications médicales
3.  Robotique médicale guidée par asservissement visuel intra-opératoire
•  Principe de l’asservissement visuel
•  Exemples de travaux réalisés dans la communauté française 7!
Robotique – Notions de base
8!
Robotique - Vocabulaire
•  Actionneur = moteur
•  Axe = articulation
•  Corps = segment
•  Effecteur = outil
•  Base 9!
Robotique – Positionnement d’un repère
•  Coordonnées d’un point P exprimées dans un repère i :
10!
Robotique – Positionnement d’un repère
•  Position et orientation d’un repère i
par rapport à un repère j :
vecteur de translation =
origine du repère i exprimée dans repère j
Pose =
définit 6 DLL angles de rotation
matrice de rotation 3x3 11!
Robotique - Transformations de coordonnées
•  Coordonnées d’un point par rapport au repère j :
•  Coordonnées d’un vecteur par rapport au repère j :
•  Transformation homogène du repère i au repère j :
!
•  Transformation entre repères successifs :
12!
Robotique - Vitesse d’un objet rigide
•  Torseur cinématique du repère i par rapport au repère j exprimé dans j :
vitesse de translation =
vitesse de rotation = 13!
Robotique - Modèle géométrique direct d’un robot
manipulateur série
Avec le vecteur des
variables articulaires :
14!
Robotique - Modèle géométrique inverse d’un robot
manipulateur série
•  Il existe souvent plusieurs configurations articulaires q qui donnent la pose
unique
•  Pour un même robot, il y a plusieurs modèles géométriques inverses alors
qu’il n’y a qu’un seul modèle géométrique direct.
•  Pour toute pose p , il n’est pas toujours possible d’associer une
configuration articulaire q du robot. Cela dépend de l’espace de travail du
robot et du nombre de degrés de liberté (DDL) 15!
Robotique - Modèle cinématique
•  Jacobien :
Soit n fonction f de m variables x Sous forme matricielle :i:n 1:m
Différentielles des y : i
16!
Robotique - Modèle cinématique
•  Jacobien :
Sous forme matricielle :
La matrice est appelé Jacobien de F
En robotique, le Jacobien est souvent noté J
Il dépend de X car F est non-linéaire : 17!
Robotique - Modèle cinématique
•  Jacobien :
Comme on a :
En divisant tout par dt, on obtient :
Le Jacobien donne donc la vitesse de Y en fonction de la vitesse de X pour
une position X. Si X change, il faut recalculer J(X).
La vitesse de X en fonction de la vitesse Y s’obtient à l’aide de la relation :
`
-1 où J est le Jacobien inverse de F en X
18!
Robotique - Modèle cinématique
•  Jacobien direct d’un robot série :
•  Permet d’exprimer le torseur cinématique du repère de l’effecteur par
rapport au repère de base en fonction des vitesses articulaires du robot
(n axes)
avec
•  J est déterminé analytiquement en appliquant la loi de composition des
vitesses linéaires sur le chaînage des corps articulés
•  Jacobien inverse d’un robot série
•  Permet d’obtenir les vitesses articulaires en fonction de la vitesse de
l’effecteur du robot (si elles existent)
+avec J la pseudo-inverse de J : 19!
Robotique - Positionnement sur une cible définie
dans l’espace cartésien
•  Schéma de commande d’un robot en vitesses articulaires
intégrateur
Jacobien inverse Variateurs +
Correcteur + Amplificateurs
- puissance
Modèle géométrique directe
pose courante
pose désirée
20!
Robotique médicale guidée par l’image
pré-opératoire

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