Contribution à la conception, l'optimisation et à la mise en oeuvre d'interfaces haptiques à structures parallèles sphériques : application à la télémanipulation de robots médicaux

Contribution to the design, optimization and implementation of haptic interfaces with spherical parallel structures : application to the remote manipulation with medical robots

• Auteur / Autrice : Houssem Saafi
• Direction : Saïd Zeghloul, Mohamed Amine Laribi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique de solide, robotique médicale et système haptique
• Date : Soutenance le 01/12/2015
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Gérard Poisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Saïd Zeghloul, Mohamed Amine Laribi, Marc Arsicault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Chablat, Grigore Gogu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Robots -- Systèmes de commande

Robots -- Cinématique

Robotique en médecine

Mots clés libres

Robot parallèle sphérique

Robotique médicale

Singularité

Redondance

Optimisation

Spherical parallel robot

Medical robot

Singularity

Redundancy

Optimization

Résumé

Le travail mené dans cette thèse est une contribution au développement mécatronique d'interfaces haptiques pour un système de télé-opération dédié aux applications médicales du type chirurgie mini-invasive. Dans un premier temps, nous avons mené une évaluation d'une interface « maître » existante, ayant une architecture parallèle sphérique et développée au sein de l'équipe robotique de l'Institut PPRIME. Cette évaluation a montré la présence de singularités, en particulier des singularités parallèles, à l'intérieur de l'espace du travail de l'interface. La présence de singularités altère le comportement cinématique en amplifiant les erreurs de résolution du modèle géométrique direct d'une part et les couples actionneurs lors du retour d'effort d'autre part. Dans un deuxième temps, différentes approches ont été proposées pour résoudre les problèmes liés à la présence des singularités. La première approche a consisté à utiliser la redondance de capteurs et la redondance d'actionneurs pour palier à ces effets dans la structure existante. Dans la seconde approche, nous avons proposé une nouvelle architecture mécanique optimale qui élimine les singularités présentent dans l'espace de travail. Les résultats obtenus, avec cette nouvelle structure à travers les essais expérimentaux réalisés sur le prototype, sont conformes aux objectifs fixés. Les deux interfaces haptiques ont été utilisées pour contrôler avec succès un robot dédié à la chirurgie mini-invasive. Le comportement du système global « robot esclave interface haptique » ouvre des perspectives prometteuses aussi bien pour de futures études scientifiques que pour un transfert industriel.

A contribution for a development of haptic devices for tele-operation system is presented in this thesis. This device is dedicated for medical applications such as minimally invasive surgery tasks. In one first step, an evaluation of the existing master device is carried out. This device has a spherical parallel architecture and has been developed within the robotics team of PPRIME Institute. The evaluation of this device has shown the presence of parallel singularities located in its workspace. This singularity alters the kinematic behavior of the structure by amplifying the errors in solving the forward kinematics and amplifying the actuator torques for the haptic feedback. In a second step, different approaches have been proposed to solve the problems related to the presence of the singularities. The first approach consists in using redundancy of sensors and actuators for the existing structure in order to overcome the effects of singularities. In the second approach, we have proposed a new optimal mechanical architecture that eliminates the singularity. The results obtained with this new structure through the experimental testing of the prototype, are in accordance with the expected ones. The two haptic devices have been used to successfully control a robot dedicated to minimally invasive surgery. The behavior of the overall system "robot and haptic device" opens up promising prospects for future studies as well as for industrial transfer.