Besoin en structure mécanique appropriée

1.2.2.1 Les structures actuelles

Nous avons évoqué précédemment le robot anthropomorphe en neurochirurgie, c’est à dire un robot dont l’architecture mécanique se rapproche de celle du bras humain, de type sériel.

Deux autres types d’architectures existent : parallèle et hybride. Une architecture sérielle est aussi appelée chaîne cinématique simple, c’est à dire une chaîne cinématique dont la base et l’effecteur possèdent un degré de connectivité de 1 et les autres corps un degré de connectivité de 2 [Gosselin, 1985, Chapitre 2]. Les architectures parallèles désignent une chaîne cinématique fermée dont les corps -mis à part la base et l’effecteur- possèdent un degré de connectivité supérieur à 3. Une architecture hybride est composée de ces deux types d’architecture (Fig.

1.15).

Figure 1.15 –Robot Hippocrate (sériel), Robot TER (parallèle), Robot Surgiscope (hybride). [Nouaille, 2009, Chapitre 2]

Nouaille dans [Nouaille, 2009, Chapitre 2] effectue un recensement des architectures mécaniques de 33 robots médicaux (Fig. 1.16). D’après ces statistiques, on constate que beaucoup de robots médicaux ont des architectures mécaniques de type sérielle.

Dans [Troccaz, 2012, Chapitre 5], l’auteur effectue un descriptif et une comparaison de ces trois types d’architectures : contrairement aux sérielles, les architectures parallèles ont un bon rapport (masse totale)/(masse utile), des capacités dynamiques élevées et de bonnes

Figure 1.16 – Répartition des structures globales sur 33 robots étudiés [Nouaille, 2009, Chapitre 2]

caractéristiques en raideur. Par contre, les modèles géométriques directs et dynamiques d’un robot parallèle sont souvent difficiles à écrire et ces robots ont un mauvais rapport empreinte au sol/volume de travail. Pour certaines applications médicales nécessitant une grande précision, le robot parallèle peut être préféré au robot sériel. Les architectures hybrides essaient de combi-ner les avantages des deux, comme le CT-BOT, robot de radiologie interventionnelle (Fig. 1.17).

Figure 1.17 – A gauche, photo du CT-BOT sous scanner à rayon X [Maurinet al., 2005]

On se rend compte que la majorité des structures existantes s’appuient sur des architec-tures anthropomorphes ; les architecarchitec-tures mécaniques des premiers robots médicaux étaient en fait issues d’une adaptation de ces robots [Troccaz, 2009], comme en neurochirurgie [Kwoh et al., 1988]. L’idée était de disposer de robots polyvalents [Renaud, 2011] pour effectuer plusieurs applications médicales.

Néanmoins, la communauté scientifique s’est rapidement tournée vers la conception de struc-tures dédiées [Taylor, 2006] pour répondre au mieux au cahier des charges de conception et ainsi, faciliter pleinement l’acceptation de l’assistance robotique auprès du corps médical. L’auteur de [Troccaz, 2012, Chapitre 5] appuie cette idée de non-polyvalence en concluant que le «robot médical doit être vu comme un instrument doté de mobilités pour participer à la réalisation d’un nombre restreint de fonctions particulières et à ce titre n’a pas de vocation à être universel».

L’évaluation de l’apport de la robotique médicale présenté auparavant a montré des cri-tiques assez sérieuses formulées contre l’intérêt du robot Da Vinci. Or le robot Da Vinci a été conçu dans l’optique d’une polyvalence et est sous-utilisé pour la gamme d’applications

possibles. Ceci est sûrement la raison pour laquelle ces rapports critiquent son intérêt, d’où l’orientation vers des structures dédiées, non-polyvalentes. On peut noter néanmoins un petit retour en arrière vers la polyvalence avec l’utilisation du MiroSurge [DLRMiroSurge] pour les opérations de chirurgie mini-invasive : plusieurs robots anthropomorphes sont utilisés [Beasley, 2012] autour de la table d’opération, dans le but de disposer d’une assistance robotique versatile.

1.2.2.2 Le problème de la compacité et de la masse

Comme le note Renaud dans [Renaud, 2011, Chapitre 1], on peut dire qu’un robot est compact et léger quand il a été conçu spécifiquement pour l’application : un robot anthropo-morphe est difficilement installable, alors qu’un robot dédié pour l’application sera facilement déployable [Fichtinger et al., 2008], puisqu’il s’agit d’une fonction prise en compte dans la conception du robot médical.

La diminution de la compacité et de la masse de la structure mécanique interviennent dans l’acceptabilité du robot médical car le praticien souhaite un outil peu encombrant, facilement déployable, transportable. Il se trouve que la réduction de la compacité est un défi dans la conception de robots médicaux [Fichtinger et al., 2008], [Beasley, 2012] : obtenir des structures compactes qui répondent au cahier des charges technique n’est pas simple. La réduction des dimensions globales de la structure et la diminution de sa masse, l’intégration physique des composants (capteurs, actionneurs) tout en obtenant des forces et vitesses suffisantes à l’effecteur sont des défis dans la conception de robots médicaux.

Plusieurs applications médicales reflètent cette problématique de compacité et de masse : la radiologie interventionnelle comme avec le CT-BOT exige un robot qui s’intègre physique-ment dans un environnephysique-ment très contraint. Certains types de robots de chirurgie mini-invasive doivent être aussi compacts que possible de par leur nature [Piccigallo et al., 2010]. Quand la portabilité est une des fonctions principales du robot comme en télé-échographie [Nouaille et al., 2010], les dimensions doivent donc être réduites au maximum.

Une autre raison qui justifie l’importance de la compacité en conception de robots médicaux est l’intégration de composants dans un instrument médico-chirurgical existant. Des exemples peuvent être trouvés dans [Bachta, 2008] et [Zhang et Nelson, 2011] : l’instrument chirurgical n’est pas totalement modifié, mais motorisé partiellement pour faciliter son acceptation auprès du chirurgien.

Dans la conception d’un robot médical, comment garantir la meilleure compacité et la plus faible masse ? Quelle démarche de conception adopter ? Dans l’optique de concevoir une structure dédiée de robot médical, c’est à dire qui ne soit pas issue de l’adaptation d’une structure existante comme un robot industriel anthropomorphe, une démarche de conception appropriée de robots médicaux est source d’intérêt. Nous entendons par démarche appropriée, une démarche qui cherche à réaliser la meilleure intégration physique de tous les éléments (mécaniques, électriques) de la structure, pour améliorer la compacité et la masse du robot.

Pour illustrer nos propos, la sous-section suivante donnera deux exemples de conception illustrant ce besoin en démarche de conception appropriée. Par la suite, nous présenterons quelques démarches de conception existantes en robotique, et nous mettrons en avant leur limites ; elles montrent en particulier le besoin de «penser simultanée», comme l’évoque Renaud

dans [Renaud, 2011], qui présente l’apport de la mécatronique pour la robotique médicale⁴.

1.2.3 Le besoin d’une démarche de conception appropriée de robots