Download - Slides Gmcao

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

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





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





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





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)


Laparoscopie robotisee



Laparoscopie robotisee


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 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 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 du robot en position selon certaines directions de l’espace operationnel eten force selon les autres

Video Leuven



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 hybride position/force externe

Meme principe que precedemment, mais la boucle de position est imbriquee dans laboucle de commande en force


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)


Chirurgie des brules

Systeme de coupe automatise pour le prelevement de peau


Avantages

Precision

Repetabilite

Simplicite d’utilisation

Inconvenient

Utilisation clinique

Videos Scalpp

Plan





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





Manipulation cooperative de robots industriels

Proprietes

Systemes non reversibles

Capteur d’effort

Video Universite Austin

Inconvenient

Pas de securite intrinseque

Plan





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


Systeme de comanipulation Acrobot

Systeme a 4 DDL (1 commande en position, 3 en force)


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


Structure de commande


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


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)


Principe

Articulations a deux roues libres

Video Surgetics.org


Avantages

Redondance des securites : operateur + contrainte

Par defaut, systeme bloque

Inconvenient

Complexite ?

Plan





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





Etude de cas : da Vinci, Intuitive Surgical (1)

Contexte

Laparoscopie : nombreux outils, gestes complexes, fatigue


Produits commerciaux

Porte endoscope Aesop teleguide par la voix

Systeme de telemanipulation da Vinci


Principe

Contrainte du trocar realisee de manere passive

Large gamme d’outils a attache rapide


Chirurgie de la valve mitrale

Insuffisance mitrale (fuite au niveau de la valve)

Retrecissement mitral (pb ecoulement oreillette-ventricule)


Chirurgie de la valve mitrale

Insuffisance mitrale (fuite au niveau de la valve)

Retrecissement mitral (pb ecoulement oreillette-ventricule)

Video da Vinci


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





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)


Systeme de teleoperation

Maıtre : Phantom Desktop (retour d’effort a 3 composantes)

Esclave : LER, sangle sur le ventre du patient (sangles motorisees)


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.