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

• Auteur / Autrice : Laurent Fryziel
• Direction : Karim Djouani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, automatique et traitement du signal
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (Créteil)
• Jury : Président / Présidente : Wisama Khalil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Djouani, Georges Fried
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fathi Ben Ouezdou, Jacques Lottin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Robotique en médecine

Réalité virtuelle

Géométrie cinématique

Microrobots

Mots clés libres

Robot continuum

Robot parallèle

Modèle géométrique et cinématique inverse

Calibrage mode statique

Simulation en réalité virtuelle

Système à retour haptique

Continuum robot

Parallel robot

Inverse kinematics modeling

Calibration static mode

Virtual reality simulation

Haptic feedback system

Résumé

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

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