AGATHE
AXE 3 – Commande pour l’assistance aux gestes par comanipulation
La synthèse de lois de commande pour les dispositifs comanipulés d’assistance au geste renferme une difficulté propre liée au contrôle moteur humain : pour une interaction intuitive, il est nécessaire que le système puisse comprendre les intentions motrices du sujet et s’y adapter en temps réel. Les fonctions que peuvent offrir les systèmes de comanipulation sont très nombreuses et leur utilité pour l’assistance au geste thérapeutique prend des formes très variées.
A. Extension de mouvement
Dans les interventions de chirurgie mini-invasive, les instruments passent à travers une canule qui limite à 4 le nombre de degrés de liberté de l’effecteur. La dextérité du praticien peut être augmentée grâce à des instruments avec mobilités distales et intracorporelles. Le comanipulateur prend alors la forme d’un instrument articulé actif tenu dans la main. Le dispositif permet une extension de mouvement : les mouvements intra-corporels sont commandés par l’utilisateur via la poignée de l’instrument et s’ajoutent aux mouvements extra-corporels de l’instrument.
L’activité de recherche dans la mise en œuvre de ces dispositifs porte principalement sur les aspects de conception (miniaturisation, couplage des chaines cinématiques...). Cependant, ces dispositifs exploitent souvent des actionneurs spécifiques dont la commande bas-niveau n’est pas triviale. Ainsi, il a fallu développer des lois de commande pour des actionneurs à alliage à mémoire de forme de façon à piloter des cathéters actifs pour de la neuroradiologie ( 2011ACLI1987 ) ou des asservissements visuels pour le balayage d’une sonde optique en contact avec des tissus mous ( 2011ACTI2148 ).
Au-delà des commandes bas niveau, il faut définir le partage des commandes entre l’opérateur et l’instrument robotisé. En général, la comanipulation est mise en œuvre par simple partage des degrés de liberté. Cependant d’autres modes peuvent être implémentés comme par exemple des partages de fréquences pour compenser les mouvements physiologiques, ( 2012ACTI2339 ).
Fig. 1. Système portatif de compensation des mouvements physiologiques par la mesure d’effort.
B. Transparence
Un point crucial dans les dispositifs manipulés, à la fois par l’opérateur et par le robot, est la transparence du dispositif. On entend par là sa capacité à agir de sorte que l’utilisateur ne ressente pas sa présence. Dans ces systèmes, les efforts appliqués sur l’effecteur résultent de la somme des efforts appliqués par le robot et de ceux appliqués par l’opérateur. Cette fonction est indispensable pour déplacer librement un robot par exemple vers sa position initiale ou dans une zone donnée. Des solutions en termes de conception peuvent aider à obtenir cette transparence, c’est le cas pour les dispositifs haptiques. Un compromis doit alors être fait entre la transparence et la rigidité du dispositif.
Nous avons développé plusieurs lois de commande visant à augmenter la transparence des systèmes.
Le principe est d’exploiter des capteurs d’efforts aux points de connexion entre l’opérateur et le robot. Le robot est alors asservi à effort nul afin de ne pas s’opposer aux mouvements de l’opérateur, (2009ACTI1357 , 2009ACLI1327 ).
C. Respect de contraintes géométriques.
Il est possible de créer une zone géométrique à l’intérieur de laquelle l’opérateur peut contrôler les déplacements (le robot est alors transparent) et des zones dans lesquelles le robot va s’opposer aux déplacements de l’opérateur. Afin d’empêcher le sujet d’atteindre des zones anatomiques à préserver.
L’action du robot est généralement calculée directement à partir des coordonnées du robot après recalage. Sur les organes mobiles, il est indispensable de mettre en œuvre un recalage temps réel et de définir les guides localement, directement par rapport à l’organe (exploitation de lumière structurée supplémentaire, 2011ACTI2136 ; analyse d’images médicales, 2011ACTI1834 ).
Fig. 2. Robot Surgicobot : les guides sont exprimés localement grâce à la projection d’un maillage laser sur l’os et la pointe de l’outil.
D. Guides.
Une dernière modalité de commande des systèmes comanipulés est le guidage. Il ne s’agit pas ici de respecter des contraintes géométriques à recaler mais de définir l’action du robot pour améliorer un comportement cinématique ou dynamique. Par exemple, dans le cas d’intervention sur organes déformables, l’action du guide est définie à partir de la déformation des tissus. Cette déformation, mesurée grâce à un imageur et à des algorithmes de traitement d’image associés, permet une estimation temps réel de l’effort d’interaction entre l’outil et l’organe. Cet effort peut donc être contrôlé afin de modifier, selon le besoin, l’impédance apparente de l’organe, ( 2011ACTI2137 ).
Fig. 3. Robot d’assistance à la biopsie de prostate commandé à partir de l’image échographique.
La mise en oeuvre de ces guides n’a pas pour objectif de contraindre le mouvement mais plutôt de donner des indications à l’opérateur de sorte que l’association robot/opérateur améliore la réalisation du geste. Ainsi on peut s’interroger sur l’aide minimale à apporter et donc à étudier les dispositifs sous-actionnés par rapport à la tâche ( 2011ACTI1916 ).