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Publié par | Thesee |
Nombre de lectures | 124 |
Langue | Français |
Poids de l'ouvrage | 2 Mo |
Extrait
Thèse de Doctorat de l’Université Paris Est Créteil Val de
Marne
présentée par :
LaurentFRYZIEL
pour l’obtention du grade de :
Docteur d’Université en Sciences de l’Ingénieur - Spécialité Robotique
Laboratoire d’accueil :
Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents - EA 3956
Modélisation et calibrage pour la commande d’un
micro-robot continuum dédié à la chirurgie mini-invasive
soutenue le A préciser
Jury :
F. BEN OUEZDOU Professeur à l’Université Versailles Saint Quentin, LISV Rapporteur
J. LOTTIN Professeur à l’Université de Savoie, LSYMME Rapporteur
W. KAHLIL Professeur à l’Ecole Centrale de Nantes, IRCCyN Examinateur
K. DJOUANI Professeur à l’Université Paris Est Créteil, LISSI Directeur de Thèse
G. FRIED Maître de Conférences à l’Université Paris Est Créteil, LISSI Co-encadrant
tel-00597719, version 1 - 1 Jun 2011tel-00597719, version 1 - 1 Jun 2011Table des matières
Introduction générale 5
A. De l’anévrisme de l’aorte abdominale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
B. Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
C. Organisation du document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1 Les robots continuum 13
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Les structures continues dans le monde animal et végétal . . . . . . . . . 16
1.2.1 La fonction d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.2 La fonction d’exploration et de détection . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.3 La fonction de manipulation et de préhension . . . . . . . . . . . 20
1.3 Implications sur les robots continuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1 Réduction de la complexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Implications sur la conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Modélisation des robots continuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Application des robots continuum en chirurgie et thérapie mini-invasive 43
1.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2 Description du dispositif expérimental 47
1
tel-00597719, version 1 - 1 Jun 20112 Table des matières
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2 Description du cathéter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 Paramètres intrinsèques d’un module élémentaire . . . . . . . . . . . . . 50
3 Etude de la commande hybride force/position 53
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Les robots parallèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Paramètres géométriques utilisés en robotique parallèle . . . . . . . . . . 62
3.4 Modèle géométrique inverse du M-E j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.1 Calcul de la fonction f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
3.4.2 Calcul de la fonction f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
3.4.3 Calcul de la fonction f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663
3.4.4 Simulations du modèle géométrique inverse . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Modèle cinématique inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.1 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
3.5.2 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
3.5.3 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703
3.5.4 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714
3.5.5 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
3.5.6 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736
3.5.7 Calcul de la fonction g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737
3.6 Modèle géométrique direct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Discussion sur les résultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 Modèle en effort statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.9 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 Calibrage du micro-robot en mode statique 81
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 La résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
tel-00597719, version 1 - 1 Jun 2011Table des matières 3
4.2.2 La fidélité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.3 L’exactitude et la justesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3 Erreurs en mode statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 Caractérisation des erreurs géométriques et des erreurs aléatoires . . . . 86
4.5 Modèle d’identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.1 Identification des paramètres géométriques . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.1.1 Algorithme d’identification . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.1.2 Applicationàl’identificationdesparamètresgéométriques
d’un module élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5.2 Compensation des erreurs aléatoires . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5 Développement et mise en œuvre d’un simulateur 3D du micro-robot 95
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 Objectifs de la réalité virtuelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.1 Rendu visuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.2 Rendu sonore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.3 Rendu haptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.3.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.3.2 Retour haptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.4 Rendu olfactif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Traitement des interactions dans les simulations haptiques . . . . . . . . 101
5.3.1 Détection des collisions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.2 Détermination des efforts d’interaction . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4 Les simulateurs chirurgicaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4.1 Classification des simulateurs chirurgicaux . . . . . . . . . . . . . 105
5.4.2 Simulateurs chirugicaux existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5 Développementd’unsimulateurcontrôléparunsyntaxeuràretourhaptique109
5.5.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.5.2 Présentation de l’environnement de travail . . . . . . . . . . . . . 111
tel-00597719, version 1 - 1 Jun 20114 Table des matières
5.5.2.1 Le syntaxeur Phantom Omni . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5.2.2 OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5.2.3 GLU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.5.2.4 GLUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.5.2.5 OpenHaptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.5.3 Structure du programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.3.1 La section système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.3.2 La section graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.3.3 La section mathématique . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.3.4 La section simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.3.5 La section entrées/sorties . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.3.6 La section informations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.4 Implémentation du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.4.1 Modèle virtuel du micro-robot . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.4.2 Modèle virtuel de l’artère et calcul de la trajectoire op-
timale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.4.3 Implantation du micro-robot dans l’artère et mise en
place d’un guide virtuel haptique . . . . . . . . . . . . . 118
5.5.4.4 Fonctionnalités du simulateur développé . . . . . . . . . 121
5.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Conclusion générale 125
Bibliographie 145
Table des figures 146
Liste des tableaux 151
Annexe A : Formalisme de Denavit Hartenberg 153
j∂ P(t,P)
Annexe B : Calcul du gradient 157∂P
tel-00597719, version 1 - 1 Jun 2011Introduction générale
Sommaire
A. De l’anévrisme de l’aorte abdominale. . . . . . . . . . . . . . . 6
B. Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
C. Organisation du document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
urant les deux der