Conception mécanique et mécatronique

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Contact : O. Piccin et P. Renaud

Vue d'ensemble

Le développement de systèmes robotiques efficaces pour des contextes comme l'assistance aux gestes médicaux et chirurgicaux nécessite aujourd'hui un travail i) sur l'architecture du système, ce qui comprend sa caractérisation et sa synthèse, et ii) sur sa conception, en abordant les problématiques d'intégration des fonctions de perception et d'actionnement. Dans ce thème, nous mettons l'accent sur trois aspects pour aller dans ce sens : a) modélisation et synthèse de mécanismes, b) conception de systèmes en matériaux polymères, c) conception mécatronique de systèmes robotiques.

Modélisation et synthèse de mécanismes

Les architectures conventionnelles de robot ne permettent pas de répondre aux besoins rencontrés dans le domaine médical en terme de compacité et d'espace de travail. Nous développons donc à la fois des méthodes de caractérisation et de synthèse de dispositifs robotiques. Pour faciliter l'extraction systématique des caractéristiques principales que sont espace de travail et lieux de singularités, nous développons en collaboration avec I. Charpentier (ICube, Mécaflu) d'exploiter les travaux récents en continuation numérique de haut degré et différentiation automatique pour fournir un outil à la fois simple et précis de caractérisation de mécanismes. Nous travaillons par ailleurs à faciliter la synthèse de mécanismes, i.e. à déterminer la topologie et les dimensions des mécanismes les plus adaptés à une tâche robotique. La théorie des torseurs est notamment exploitée pour y parvenir, en montrant qu'une décomposition cinématique de la tâche permet d'élaborer des solutions pertinentes sur le plan cinématique pour un besoin donné. En collaboration avec S. Caro (IRCCyN, Nantes) elle a aussi été exploitée pour identifier les singularités de mécanismes parallèles, et en tirer partie pour concevoir des mécanismes compliants. Les mécanismes à corps rigides et compliants souffrent de limites en terme d'espace de travail qui peuvent être levées avec les mécanismes à câbles. Nous avons proposé une méthode de synthèse de robots à câbles pour leur synthèse dimensionnelle. L'emploi de mécanismes de tenségrité, des mécanismes très spécifiques et aujourd'hui encore peu considérés dans la littérature, fait également l'objet de travaux en se focalisant en premier lieu sur la caractérisation de leur espace de travail, une notion non triviale pour cette classe de mécanismes, et qui fait l’objet d’une collaboration avec le LIRMM, Montpellier dans le cadre du Labex CAMI.


Conception de systèmes en matériaux polymères

Concevoir des systèmes en matériaux polymères est souvent une nécessité du fait des contraintes de compatibilité avec les imageurs dans le champ applicatif qu’est la radiologie interventionnelle, objet de plusieurs projets de recherche de l'équipe. C'est aussi une opportunité car les procédés d'obtention de matériaux polymères offrent une grande liberté de forme, propice à l'optimisation de compacité et légèreté des systèmes robotiques. Nous sommes en particulier concentrés sur l'exploitation de la fabrication additive (impression 3D) multimatériaux, qui permet de produire des pièces au sein desquelles les propriétés physiques et mécaniques sont variables. Ces travaux sont possibles depuis le démarrage de l'Equipex ROBOTEX en 2012.

Grâce à la liberté de forme, nous avons proposé des géométries de liaisons compliantes, donc déformables, originales et performantes. La liaison pivot HSC introduite offre un compromis inédit entre raideur autour de l'axe de rotation et raideurs dans les autres directions. Cette liaison permet la conception de mécanismes de manière quasi-monobloc, ce qui a été démontré pour une tâche d'insertion d'aiguille. La fabrication additive possède cependant des limites comme tout procédé. Nous nous attachons donc à les caractériser et à proposer une méthode de conception pour les pallier.

La fabrication additive est connue pour sa rapidité d’obtention. Nous avons montré qu'il est aussi possible de l’employer pour des systèmes fonctionnels, en exploitant de manière quantitative les matériaux et pièces produits. Un capteur d'effort à technologie optique a été conçu en collaboration avec l’équipe IPP d’ICube. Un autre capteur d'effort a été développé, pour lequel la viscoélasticité du matériau polymère a fait l'objet d'une caractérisation fine pour être capable de compenser les effets et rendre exploitable le composant pour la télé-opération sous rayons X. Enfin, l'usage de la fabrication additive est aussi exploré pour la réalisation d'actionneurs. Des dispositifs à cinématique de type inchworm sont actuellement développés qui font l'objet d'un dépôt de brevet.

Conception mécatronique de systèmes robotiques

Le troisième volet est celui de la conception mécatronique de systèmes robotiques. Ces travaux sont fortement influencés par la nature applicative des projets de recherche dans le domaine, avec trois aspects principaux. Les systèmes robotiques développés pour la santé sont en interaction à la fois avec un praticien et un patient. La sécurité est donc un impératif évident. Il a été est proposé d'améliorer la sécurité intrinsèque en minimisant les puissances mises en jeu. Ceci est rendu possible en travaillant à la conception de systèmes équilibrés. La conception de dispositifs à raideur variable est un autre aspect abordé permettant d'améliorer la sécurité des interactions.

L'imagerie interventionnelle est l'un des volets applicatifs principaux de l'équipe. Le dispositif MRGuide a été développé pour les gestes sur la prostate sous IRM. Grâce à une structure instrumentée, le système basé sur un robot à câbles peut être piloté finement malgré les frottements inhérents aux transmissions par câbles. Pour le guidage sous scanner X de gestes sur l'abdomen, le projet IHU ProteCT, en continuation du projet CT-Bot, a permis le développement d'un nouveau système pour lequel des solutions innovantes de préhension d’aiguille ont été développées et intégrant une fonctionnalité de mesure d'effort d'insertion. Enfin, la conception mécatronique de dispositifs pour la chirurgie robotisée a été poursuivie. Une utilisation originale d'effet gyroscopique a été proposée dans le projet GyroLock. Une démonstration de l'efficacité du dispositif de compensation active pour la chirurgie du pontage coronarien a été démontrée.

En endoscopie, le projet STRAS-Ease, faisant suite à Anubis et Isis, a conduit à la conception d'un système robotisé à 10 degrés de liberté, intégralement commandé par un seul opérateur. L'ensemble, couvert par plusieurs brevets, a fait l'objet d'évaluations pré-cliniques probantes qui ont conduit au lancement de la conception d'une nouvelle version compatible avec des essais cliniques en cours d'intégration

Projets

Projets directement liés au thème :


Projets en partie liés au thème :


Projets antérieurs