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GMCAO
Commande en effort, comanipulation et telemanipulation
B. Bayle, ULP–ENSPS– Master ISTI, specialite PARI, parcours IRMC –
2008–2009E-mail : [email protected]
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Configuration et situation d’un bras manipulateur
Configuration d’un systeme mecanique
Vecteur permettant de commaitre la position de tous les points du systeme
Cas d’un bras manipulateur :
vecteur q de n coordonnees independantes appelees coordonneesgeneralisees, appartenant a l’espace des configurations N
Coordonnees generalisees : angles de rotation pour les liaisons rotoıdes, valeurs destranslations pour les liaisons prismatiques
Situation d’un solide
Position et orientation de ce solide dans un repere donne
Cas d’un bras manipulateur :
situation de l’OT d’un bras manipulateur : vecteur x de m
coordonnees operationnelles independantes appartenant a l’espaceoperationnelM, de dimension m 6 6
Definition de la situation selon le probleme (plan, positionnement seul . . .) et leparametrage choisi (orientation notamment)
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Modeles geometriques
Modele geometrique direct
MGD d’un bras manipulateur : situation de son OT en fonction de sa configuration :
f : N −→ Mq 7−→ x = f (q)
Cas general : x = (x1 x2 x3 x4 x5 x6)T , avec (x1 x2 x3)
T coordonnees de position dansR0 et (x4 x5 x6)
T coordonnees d’orientation, en fonction de q
Modele geometrique inverse
MGI : la ou les configurations correspondant a une situation de l’OT donnee :
f−1 : M −→ Nx 7−→ q = f−1(x)
Resolubilite : existence d’un nombre fini de solutions
Si n < m : pas de solution
Si n = m : nombre fini de solutions (en general)
Si n > m : infinite de solutions
Modeles cinematiques
Modele cinematique direct
MCD : relation entre les vitesses operationnelles x et les vitesses generalisees q :
x = Jq
ou J = J(q) est la matrice jacobienne de la fonction f , de dimension m × n :
J : TqN −→ TxM
q 7−→ x = Jq, ou J =∂f∂q
Modele cinematique inverse
MCI donne par J−1
Modele dynamique direct
Modele dynamique direct
MDD : relation entre les couples articulaires et les accelerations, vitesses etcoordonnees generalisees :
Dq + Cq + g + JT f = τ
avec D = D(q) matrice d’inertie du robot, C = C(q, q) matrice des forces Coriofugeset g = g(q) terme lie a la gravite
Relation couples articulaires/efforts operationnels
A vitesse constante, en compensant la pesanteur, la relation entre les couplesarticulaires τ et les efforts f appliques par l’OT du bras manipulateur est :
τ = JT f
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Problematique
Principe
Quelle que soit la nature des informations concernant le robot (situation dans unrepere cartesien, position d’indices visuels dans l’image, etc.) : asservissement realised’apres l’erreur entre consigne et mesure
Exemple :
J−1 robotLCP
-
+
MGD
x?
x
q
Etude de cas : Neuromate, TIMC et ISS, Grenoble (1)
Neurochirurgie
Extreme precision (dangerosite)
Chirurgie stereotaxique et planification
Nombreuses applications : biopsie, radiotherapie, pose de micro-electrodes
Biopsie du cerveau (1)
Biopsie du cerveau (2)
Etude de cas : Neuromate, TIMC et ISS, Grenoble (2)
Avantages
Systeme d’une grande precision mecanique
Recalage : imagerie, angiographie
Cas cliniques des 1989
Inconvenients
Bras robotique type industriel
Fixation contraignante
Question
Caracteristiques de ces taches medicales ? Limitations ?
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Commande au contact : solutions passives (1)
Compliance passive
Ajout au bout de l’OT du robot d’une structure deformable.
Limitation de la rigidite de l’ensemble du systeme robot/environnement
Avantages
Simplicite de mise en oeuvre
Fiable
Peu cher
Inconvenients
Pas generique (dedie a la tache)
Pas de controle des efforts
Commande au contact : solutions passives (2)
Contraintes passives
Utilisation d’une cinematique adaptee : limitation des efforts applicables seloncertaines directions
Avantage
Securite passive
Inconvenient
Pas de controle de l’effort
Etude de cas : Aesop, Computer Motion (1)
Laparoscopie
Chirurgie minimallement invasive
Nombreuses applications (chirugie digestive, gynecologie)
Succes commercial relatif (5000 exemplaires)
Etude de cas : Aesop, Computer Motion (2)
Laparoscopie robotisee
Succes commercial relatif (5000 exemplaires)
Etude de cas : Aesop, Computer Motion (3)
Laparoscopie robotisee
Succes commercial relatif (5000 exemplaires)
Avantages
Personnel moins nombreux
Securite intrinseque
Inconvenients
Encombrement
Prix ?
Commande au contact : solutions actives (1)
Commande en impedance
Objectif : imposer la relation dynamique entre position de l’OT et effort applique, i.e.l’impedance=F(s)/X(s), generalement choisie du second ordre
Utilisation de donnees capteurs, position et/ou effort
Commande au contact : solutions actives (2)
Commande par raideur active
Cas particulier du precedent : commande du robot afin que celui-ci se comporte,vis-a-vis de l’environnement, comme un ressort de raideur programmable :
grand gain pour les directions commandees en position
petit gain pour les directions commandees en effort
Avantage
Simplicite relative de mise en oeuvre
Inconvenient
Reglage des gains : connaissance parfaite de l’environnement
Commande au contact : solutions actives (3)
Commande hybride position/force
Commande du robot en position selon certaines directions et en force selon les autres,grace a une matrice de selection S = diag(s1, . . . , snb ), avec si = 1 : pos et 0 : force
Commande au contact : solutions actives (4)
Commande hybride position/force
Commande du robot en position selon certaines directions de l’espace operationnel eten force selon les autres
Video Leuven
Commande au contact : solutions actives (5)
Commande hybride position/force
Commande du robot en position selon certaines directions de l’espace operationnel eten force selon les autres
Avantage
Action simultannee sur les deux grandeurs de sortie : position et force, grace adeux lois de commande
Inconvenients
Perturbation en position dans une direction commandee en force, aucunecompensation (idem cas dual)
Contact imperatif dans les directions commandees en force et sans contact dansles directions commandees en position : connaissance parfaite del’environnement
Commande au contact : solutions actives (6)
Commande hybride position/force externe
Meme principe que precedemment, mais la boucle de position est imbriquee dans laboucle de commande en force
Commande au contact : solutions actives (7)
Commande hybride position/force externe
Meme principe que precedemment, mais la boucle de position est imbriquee dans laboucle de commande en force
Avantages
Privilege donne aux consignes en force par rapport aux consignes en position
Pas de connaissance de l’environnement necessaire
Inconvenient
Instabilite potentielle, meme dans des configurations non singulieres
Etude de cas : Scalpp, LIRMM, Montpellier (1)
Chirurgie des brules
Systeme de coupe automatise pour le prelevement de peau :
Prelevement de peau sur zones saines : quelques diziemes de mm d’epaisseur,5 a 10 cm de largeur
Contact regulier et effort important (environ 100 N)
Etude de cas : Scalpp, LIRMM, Montpellier (2)
Chirurgie des brules
Systeme de coupe automatise pour le prelevement de peau
Etude de cas : Scalpp, LIRMM, Montpellier (4)
Avantages
Precision
Repetabilite
Simplicite d’utilisation
Inconvenient
Utilisation clinique
Videos Scalpp
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Comanipulation : principe et vocabulaire
Definition
Comanipulation : utilisation par un operateur humain d’un ou plusieurs robots qu’ilmanipule directement
Robot tenu par l’operateur, guide par lui, et reagissant a ses consignes en retour
Avantages
Contraintes guidant la tache : zones interdites, filtrage des tremblements,maintien de l’outil (fatigue)
Securite intrinseque
Historique de la comanipulation
Origine
Differentes origines revendiquees : Cobots, Hands-on robot, robot d’empechement. . .
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Manipulation cooperative de robots industriels
Proprietes
Systemes non reversibles
Capteur d’effort
Video Universite Austin
Inconvenient
Pas de securite intrinseque
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Etude de cas : Acrobot, Imperial College, Londres (1)
Motivation
Orthopedie :
Decoupes osseuses pour la chirurgie du genou
Pose de protheses de genou
Principe
Comanipulation :
Guidage par retour d’effort et systeme de navigation
Contraintes sur les zones a proteger
Etude de cas : Acrobot, Imperial College, Londres (2)
Systeme de comanipulation Acrobot
Systeme a 4 DDL (1 commande en position, 3 en force)
Etude de cas : Acrobot, Imperial College, Londres (3)
Etude de cas : Acrobot, Imperial College, Londres (4)
Systeme de comanipulation Acrobot
Systeme a 4 DDL (1 commande en position, 3 en force)
Etude de cas : Acrobot, Imperial College, Londres (5)
Avantages
Actionneurs reversibles
Chirurgien acteur de l’operation
Inconvenient
Defaut logiciel ?
Etude de cas : Steady-Hand, JHU, Baltimore (1)
Motivation
Problemes en microchirurgie de l’oeil (retine) :
Precision du positionnement (tremblement et derive)
Manque de sensation tactile instrument/tissu
Vision a travers la pupille (resolution 20 a 30 µm)
Principe
Comanipulation :
Manipulation sous microscope binocculaire
Vue augmentee de la retine (flux sanguin, differenciation des tissus)
Planification, puis comanipulation lors de l’execution
Etude de cas : Steady-Hand, JHU, Baltimore (2)
Principe de comanipulation
Etude de cas : Steady Hand, JHU, Baltimore (3)
Systeme de comanipulation Steadyhand
Systeme a 6 DDL, utilisant un logiciel de planification
Etude de cas : Steady Hand, JHU, Baltimore (4)
Structure de commande
Etude de cas : Steady Hand, JHU, Baltimore (5)
Avantages
Augmentation de la precision
Traitement de patients qui ne pourraient l’etre autrement
Augmentation du taux de succes dans les operations
Reduction des couts sociaux associes a ces categories de malades
Inconvenients
Capteurs : mesure d’efforts tres faibles (mN), asepsie
Validation clinique
Etude de cas : PADyC, TIMC, Grenoble (1)
Objectif
Realiser un systeme dont l’actionneur est l’operateur, dont seul le controle desmobilites et programme, selon certaines contraintes
Contraintes
Mode position : placer un outil a une position, selon une orientation donnee
Mode trajectoire : deplacer l’outil selon la trajectoire predefinie
Mode region : garantir que l’outil reste dans ou hors d’une region predefinie
Etude de cas : PADyC, TIMC, Grenoble (2)
Principe
Articulations a deux roues libres, en opposition :
2 roues libres activees : aucun mouvement de l’articulation n’est possible
2 roues libres inactivees : tout mouvement possible
1 roue active : mouvement permis dans une seule direction
Activation des roues libres grace aux moteurs associes : (vitesse= controle de larotation)
Etude de cas : PADyC, TIMC, Grenoble (3)
Principe
Articulations a deux roues libres
Video Surgetics.org
Etude de cas : PADyC, TIMC, Grenoble (4)
Avantages
Redondance des securites : operateur + contrainte
Par defaut, systeme bloque
Inconvenient
Complexite ?
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Telemanipulation : principe et vocabulaire
Definition
Telemanipulation : utilisation par un operateur humain d’un robot qu’il manipule adistance
Systeme de telemanipulation elementaire
Robot maıtre manipule par l’operateur, robot esclave qui effectue la tache distance
Historique de la telemanipulation
Origine
Besoin de manipuler des produits dangeureux
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (1)
Contexte
Laparoscopie : nombreux outils, gestes complexes, fatigue
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (2)
Produits commerciaux
Porte endoscope Aesop teleguide par la voix
Systeme de telemanipulation da Vinci
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (3)
Principe
Contrainte du trocar realisee de manere passive
Large gamme d’outils a attache rapide
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (4)
Principe
Contrainte du trocar realisee de manere passive
Large gamme d’outils a attache rapide
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (5)
Chirurgie de la valve mitrale
Insuffisance mitrale (fuite au niveau de la valve)
Retrecissement mitral (pb ecoulement oreillette-ventricule)
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (5)
Chirurgie de la valve mitrale
Insuffisance mitrale (fuite au niveau de la valve)
Retrecissement mitral (pb ecoulement oreillette-ventricule)
Video da Vinci
Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (6)
Avantages
Confort
Realite augmentee
Outils avec degres de liberte supplementaires
Nombreux cas cliniques
Inconvenients
Investissement (daVinci 1,3 M$ + maintenance)
Pas de retour d’effort
Retour suffisant sur pratique clinique ?
Plan
1 Modelisation des bras manipulateursConfiguration et situation d’un bras manipulateurModeles
2 Commande des bras manipulateurs en mode autonomeCommande en position, sans contactCommande au contact
3 ComanipulationGeneralitesManipulation cooperativeComanipulation en medecine
4 TelemanipulationGeneralitesTeleoperation simpleTeleoperation avec retour d’effort
Telemanipulation a retour d’effort
Historique
Premier systeme haptique en 1967 Premier systeme commercial : Phantom
Etude de cas : TER, TIMC, Grenoble (1)
Motivation
Telediagnostic echographique : operateur distant=expert
Existant
Porte endoscope leger (LER=Light Robotic Endoscope)
Etude de cas : TER, TIMC, Grenoble (2)
Systeme de teleoperation
Maıtre : Phantom Desktop (retour d’effort a 3 composantes)
Esclave : LER, sangle sur le ventre du patient (sangles motorisees)
Etude de cas : TER, TIMC, Grenoble (3)
Systeme de teleoperation
Maıtre : Phantom Desktop (retour d’effort a 3 composantes)
Esclave : LER, sangle sur le ventre du patient (sangles motorisees)
Videos LER et TER
P. Cinquin, E. Bainville, C. Barbe, E. Bittar, V. Bouchard, L. Bricault, G. Champleboux, M. Chenin,L. Chevalier, Y. Delnondedieu, L. Desbat, V. Dessenne, A. Hamadeh, D. Henry, N. Laieb, S. Lavallee, J.M.Lefebvre, F. Leitner, Y. Menguy, F. Padieu, O. Peria, A. Poyet, M. Promayon, S. Rouault, P. Sautot, J. Troccazet P. Vassal.Computer Assisted Medical Interventions.IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 14, no. 3, pages 254–263, mai/juin 1995.
P. Dario, E. Guglielmelli, B. Allotta et M.C. Carrozza.Robotics for Medical Applications.IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 3, no. 3, pages 44–56, septembre 1996.
P.S. Green, J.W. Hill, J.F. Jensen et A. Shah.Telepresence Surgery.IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 14, no. 3, pages 324–329, mai/juin 1995.
R.D. Howe, W.J. Peine, D.A. Kantarinis et J.S. Son.Remote Palpation Technology.IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 14, no. 3, pages 318–323, mai/juin 1995.
W.S. Ng, B.L. Davies, R.D. Hibberd et A.G. Timoney.Robotic Surgery.IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 12, no. 1, pages 120–125, mars 1993.
R.H. Taylor, J. Funda, B. Eldridge, S. Gomory, K. Gruben, D. LaRose, M. Talamini, L. Kavoussi etJ. Anderson.A Telerobotic Assistant for Laparoscopic Surgery.IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 14, no. 3, pages 279–288, mai/juin 1995.