Contribution à la miniaturisation des robots continus par l'utilisation du verre

Contribution to the Miniaturization of Continuum Robots by Using Glass

• Auteur / Autrice : Chibundo Nwafor
• Direction : Guillaume Laurent, Kanty Rabenorosoa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 15/11/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Christine Prelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christos Bergeles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florent Nageotte, Pierre Lambert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Mots clés libres

Robots Continus

Miniaturisation

Continuum Robots

Miniaturization

Résumé

Les robots continus suscitent un intérêt croissant dans les applications médicales, en raison de leur forme élancée et de leur souplesse, qui les rendent plus sûrs pour l'interaction homme-robot. En outre, ils sont capables de suivre une trajectoire complexe en 3D, grâce à leurs degrés de liberté infinis. L'objectif de cette thèse est de tirer parti de la flexibilité du verre à l'échelle microscopique pour réaliser de nouveaux robots de continuum plus miniatures par rapport à ceux de la littérature. La première contribution est une étude conceptuelle, portant sur la conception et la fabrication de différents prototypes de CTR et dérivant une approche de classification générale tout en proposant à la communauté des chercheurs une méthodologie concise pour l'évaluation des CTR à l'avenir. Deuxièmement, nous avons proposé une nouvelle génération de CTR submillimétrique miniaturisé en verre, dont le tube a un diamètre externe de 90μm et un rayon de courbure de 5 mm. En outre, nous avons présenté une approche nouvelle, facile et rapide, spécifique au patient et personnalisable, pour obtenir un tube pré-courbé en utilisant du verre, qui a été caractérisé, suivi par la validation du modèle de robot (cinématique avant, cinématique inverse et analyse de la stabilité). Diverses démonstrations de preuves de concept pour les différentes capacités d'application, par exemple le déploiement vitréo-rétinien dans un œil de poisson, le déploiement de contraintes par le biais d'aiguilles à trois stations (orifice de ∼1mm), le déploiement d'un CTR hélicoïdal pré-courbé et à fibre optique avec capacité de transmission laser, et enfin l'aspiration et l'administration de fluides. La troisième contribution a été l'étude et la démonstration d'une PCR miniaturisée 3-DoF utilisant une fibre optique en verre. Le robot a des dimensions de 2,5 × 2,5 × 6 mm et peut atteindre un angle de pointe et d'inclinaison de +90 à -80 degrés. Les performances du robot, telles que l'espace de travail, la manipulabilité et la rigidité, ont été évaluées en fonction des variations des différents paramètres géométriques du robot. Pour la validation du modèle, différents mouvements de trajectoire ont été présentés, tels que la circonférence du plan vertical et l'espace de travail, suivis par des formes circulaires et carrées dans le plan horizontal, ce qui montre les grandes perspectives du robot pour augmenter la dextérité dans un espace confiné. Enfin, dans les deux cas, l'analyse de la conception du robot était très importante pour étudier la stabilité du robot, pour la CTR en raison de la torsion, et pour la PCR, en raison de la longueur d'actionnement.

Continuum robots are gaining increasing interest in medical applications, due to their slender shape and compliant nature which makes them safer for human-to-robot interaction. In addition, they are able to follow a 3D complex path, thanks to their infinite degrees of freedom. The goal of this thesis is to take advantage of glass flexibility at the microscale to actualize novel and more miniature continuum robots when compared to those in the literature. The first contribution is a conceptual study, addressing the design and fabrication of different CTR prototypes and deriving a general classification approach while proposing to the research community a concise methodology for the evaluation of CTR in the future. Secondly, we proposed a new generation of a miniaturized sub-millimeter CTR that is made of glass, which has a tube with an external diameter down to 90μm and a 5mm radius of curvature. Furthermore, we presented a novel, easy, and rapid patient- specific/customizable approach to obtaining a pre-curved tube using glass, which was characterized, followed by the robot model validation (forward kinematic, inverse kinematics, and stability analysis). Various demonstrations of proofs-of-concept for the different application capabilities e.g. vitreoretinal deployment in a fish eye, constraint deployment through 3-stationed needles (∼1mm orifice), pre- curved helical and fiber optics CTR deployment with laser transmission capability, and then, fluid suction and delivery. The third contribution was the investigation and demonstration of a miniaturized 3-DoF PCR using glass optical fiber. The robot design has a dimension of 2.5 × 2.5 × 6mm and can reach +90 to −80 degrees in the tip and tilt angle. The robot's performance such as the workspace, manipulability, and stiffness was evaluated as a function of variations of different geometrical parameters of the robot. For the model validation, different path movements were presented such as vertical plane circumradius and workspace followed by the circular and square shapes in the horizontal plane, which shows the great prospect of the robot for increasing dexterity in confined space. Finally, for both cases, the robot design analysis was very important for investigating the robot stability, for CTR due to torsion, and for PCR, due to the actuation length.