Modélisation et calibrage pour la commande d un micro-robot continuum dédié à la chirurgie mini-invasive, Modeling and calibration for the control of a micro-robot continuum dedicated to minimally invasive surgery
162 pages
Français

Découvre YouScribe en t'inscrivant gratuitement

Je m'inscris

Modélisation et calibrage pour la commande d'un micro-robot continuum dédié à la chirurgie mini-invasive, Modeling and calibration for the control of a micro-robot continuum dedicated to minimally invasive surgery

-

Découvre YouScribe en t'inscrivant gratuitement

Je m'inscris
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus
162 pages
Français
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus

Description

Sous la direction de Karim Djouani
Thèse soutenue le 17 décembre 2010: Paris Est
Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l 'étude d'un micro-robot destiné à la mise en oeuvre d'une technique de chirurgie mini-invasive pour le traitement des anévrismes de l'artère aorte abdominale. Ce micro-robot placé à l'extrémité d'un cathéter, rendant ce dernier actif, permettra la navigation à l'intérieur de l'artère en évitant les contacts avec les parois de celle-ci. Le système sera destiné à l'apprentissage du geste chirurgical et à l'assistance du chirurgienpendant l'opération. De par sa structure et ses propriétés physiques, le micro-robot, pouvantêtre composé de plusieurs modules élémentaires, entre dans la catégorie des robots continuum. Dans notre étude, un module élémentaire est considéré comme étant un robot parallèle. Lesmodèles géométriques et cinématiques inverses ont alors été établis en utilisant les techniques dela robotique parallèle. L'approche de modélisation proposée permet de faire ressortir explicitement du modèle les paramètres géométriques du micro-robot. Une étude sur l'identificationde ces paramètres a été effectuée par le calibrage du modèle géométrique inverse. Des résultatsde simulation sont présentés validant d'une part les modèles développés et d'autre part la méthode de calibrage proposée. Afin de mettre nos modèles en situation, nous avons développé unsimulateur tridimensionnel intégrant le modèle d'un segment de l'artère, le modèle du micro-robotet un syntaxeur à retour de force. La mise en place d'une navigation active, planifiée etguidée dans ce simulateur permet de contraindre les gestes du chirurgien lors de la navigation du micro-robot à l'intérieur de l'artère
-Robot continuum
-Robot parallèle
-Modèle géométrique et cinématique inverse
-Calibrage mode statique
-Simulation en réalité virtuelle
-Système à retour haptique
In this thesis, we are interested in a micro-robot study for the implementation of a mini-invasivesurgery technique. The medical application concerns the treatment of the artery abdominal aorta aneurysms. This micro-robot located at the extremity of the catheter permits thecatheter movements into the artery avoiding minimizing contacts with the artery walls. The system can be used for the surgical gesture learning and for the surgeon assistance during the medical operation. Because of its structure and its physical properties the micro-robot is considered as a continuum robot. It is composed of one or several elementary modules. In our study we consider each elementary module as a parallel robot. Then the inverse kinematics model has been established by using techniques of parallel robotics. The proposed modelling approach allows the expression of the model according to the micro-robot geometric parameters. A study on the identification of these parameters has been developed by an inverse geometric modelcalibration. The given simulation results validate the developed models on the one hand, the proposed calibration method on the other hand. We have developed a three-dimensional simulator integrating the model of an artery segment, the micro-robot model, and a joystick with force feedback. The implementation of active, planned and guided navigation on this simulator allows to constrain the surgeon gestures during the movements of the micro-robot inside the artery
-Continuum robot
-Parallel robot
-Inverse kinematics modeling
-Calibration static mode
-Virtual reality simulation
-Haptic feedback system
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1024/document

Sujets

Informations

Publié par
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

  • Univers Univers
  • Ebooks Ebooks
  • Livres audio Livres audio
  • Presse Presse
  • Podcasts Podcasts
  • BD BD
  • Documents Documents