Robots continus multi-actionnés pour la chirugie mini-invasive – MACROS

Un point clé pour la réalisation de méthodes de planification et de commande pour une navigation sûre de robots continus dans un envrionnement clinique contraint est la quantification précise de la compliance du robot. Celle-ci peut être exploitée afin de minimiser les forces d'interactions avec les tissus lors du déploiement du robot dans l'anatomie.

Dans le projet MACROS, nous avons proposé une généralisation du concept classique de compliance, adaptée à la description géométrique des robots continus. Cette nouvelle formulation est accompagnée d'une méthode de calcul efficace et géométriquement exacte. Conjointement, ces deux contributions permettent de calculer la rigidité du robot en tout point, relativement à une force arbitraire le long de celui-ci, à des fréquences de calcul très élevées (de l'ordre de la centaine de Hz ou plus). Nous avons également montré comment ces calculs peuvent être couplés à de l'imagerie médicale afin d'en déduire les forces d'interaction avec l'anatomie. Ces résultats clés permettent d'envisager de développer des algorithmes de commande et de planification efficaces, prenant en compte les interactions avec l'environnement.

Les développements réalisés se fondent sur la méthode des poutres de Cosserat. Ils ont fait l'objet de développements sur différents type de robots continus : robots à tubes concentriques, robots agonistes-antagonistes (en partenariat avec les laboratoires TIMC et LS2N), et endoscopes flexibles robotisés. Une validation en simulation, puis sur prototype expérimentaux (en combinant de l'impression 3D et un assemblage de pièces mécaniques) a été réalisée, et a montré une précision de nos modèles comparable avec l'état de l'art en robotique continue, mais soit sur des nouveaux types de robots, soit en intégrant les calculs de compliance et d'estimation rapide de forces d'interactions.

L'application des résultats dans un contexte de chirurgie cardiaque sont à l'étude.

B. Rosa, V. Bordoux, and F. Nageotte, «Combining differential
5/7kinematics and optical flow for automatic labelling of continuum
robots in minimally invasive surgery«, Frontiers in Robotics and
AI, Full text at: 10.3389/frobt.2019.00086

B. Rosa and M.T. Chikhaoui, Modeling and control strategies for
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C. da Costa Rocha, N. Padoy, and B. Rosa. (2019, May). Self-
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information. In 2019 International Conference on Robotics and
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Les structures flexibles tels que les cathéters et les endoscopes sont de plus en plus utilisées en chirurgie, notamment grâce à la possibilité qu'elles offrent d'atteindre des cibles anatomiques profondes avec un accès minimalement invasif. Ces dispositifs sont toutefois très complexes à manoeuvrer, and les procédures complexes sont en général seulement réalisées par un nombre très réduit de centres de par le monde, certaines restant irréalisables manuellement. Pour cette raison, des dispositifs robotisés ont été développés. Des méthodes de conception et de navigation spécifiques à ces dispositifs robotiques ont également été dévelopées. Cependant, elles sont limitées par un certain nombre de simplifications : ces méthodes sont souvent conçues pour une technologie d'actionnement particulière, et surtout considèrent l'anatomie patient comme étant parfaitement fixe et connue (grâce à l'imagerie préoprétoire). Le projet MACROS ambitionne d'aller un cran plus loin, en développant des méthodes généric de conception pour les robots continus, utilisant un ou plusieurs actionneurs répartis le long du robot.

Premièrement, des méthodes de planification et de commande pour la navigation des robots continus seront développées. Ces méthodes vont rendre la navigation plus sûre, dans le sens où l'incertitude sera prise en compte afin de minimiser les potentielles forces d'interaction avec les tissus. CEtte incertitude provient typiquement de mouvements de l'environnement (mouvements physiologiques principalement), ou d'erreurs de recalage entre les donées préopératoires (utilisées dans la planification) et la position du patient lors de l'opération.

Les algorithmes de planification développés sont une première étape en vue de développer des algorithmes génériques pour la conception de robots continus. Ceux-ci seront développés dans un second temps. Des indicateurs de performance, mettant en relation les capacités physiques des différents actuinneurs existant d'une part, et le problème clinique considéré (par exemple diamètre du point d'accès, dynamique des mouvements de la cible anaotmique) d'autre part, seront développés. L'algorithme finalement développé utilisera ces indicateurs et la méthode de planification préalablement développée, afin de proposer une structure d'actionnement (position, nombre, et nature des actionneurs) qui permettra de réaliser des gestes complexes, tout en minimisant les forces d'interaction non désirées avec l'anatomie.

La validation sera dans un premier temps réalisée en simulation. Ensuite, des prototypes exérimataux permettant une validation approfondie sera fabriqué au laboratoire ICube. Nous développerons un environnement en impression 3D, contenant un ensemble de chambres pneumatiques. Ceci fournira un environnement physique dans lequel des mouvements physiologiques pourront être simulés de manière contrôlée. Finalement, un prototype de robot continu multi-actionneurs optimisé sera réalisé et validé sur le modèle. Les résultats seront comparés à ceux de solutions existantes disponibles au laboratoire, tel qu'un robot à tubes concentriques ou un endoscope flexible robotisé.