7.2 Bras articulé passif
7.2.2 Design général
La bras articulé passif se situe à l’interface du manipulateur principal enve- loppé d’un drap stérile et du manipulateur local lui-même stérile. La première question qui s’est posée était donc de savoir si le bras devait être drapé (ou glissé dans une gaine stérile telle que celle utilisée pour la caméra et son câble vidéo) ou autoclavé. Pour des raisons d’esthétique et d’accessibilité du blocage des articulations, le partenaire industriel du projet a souhaité que nous options
pour la seconde solution. Le design des connexions avec le zoom et la nacelle a été imaginé en fonction de cela et sera présenté après la description du blocage des articulations.
Blocage des articulations
Figure 7.3 – Support à serrage centralisé De nombreuses possibilités existent pour bloquer
les articulations rotoïdes, mais les contraintes liées à la stérilisation sont sévères. Nous avons simplement opté pour un freinage classique à l’aide d’un patin appliquant une force sur le moyeu de l’articulation. Pour plus de sécurité, la force produisant le couple de blocage est appliquée par un ressort et l’action manuelle n’est requise que pour le déblocage.
Bloquer successivement trois articulations d’une main en maintenant de l’autre le bras immobile n’est pas forcément chose facile et nous avons cherché une solution permettant un blocage simultané par com- mande centralisée. Nous nous sommes inspirés pour
cela des supports de comparateur à serrage mécanique centralisé que l’on re- trouve dans la plupart des ateliers de fabrication mécanique.
(a) Vue d’ensemble
(b) Détail du blocage centralisé
L’ébauche de design détaillé du bras est présentée à la figure 7.4. Illus- trons le fonctionnement de la commande centralisée à l’aide de la figure 7.5 qui représente une coupe longitudinale du bras étendu avec les deux segments alignés.
En tournant la poignée en bleu dans le sens anti-horlogique (figure 7.5a), la pièce filetée en jaune descend (sans tourner grâce à la forme de sa portée de guidage non illustrée). Ce faisant, elle se rapproche son homologue immobile en brun. Comme les pièces rouge et verte (figure 7.5b) ne peuvent se rapprocher à cause de la rondelle qui les sépare, celles-ci vont se déplacer latéralement en direction opposée grâce aux surfaces de contact inclinées dans les zones (2) et (3) de la figure 7.5b. Ce déplacement induit une traction dans les câbles qui écartent alors les patins des moyeux des pivots 13 et 15 (ce dernier n’est pas illustré), ce qui relâche les articulations du bras.
À l’inverse, lors du vissage dans le sens horlogique de la poignée bleue, les câbles se détendent. Les ressorts ramènent alors les pistons de friction contre le moyeu des articulations et exercent une force de compression suffisante pour garantir l’immobilisation des articulations 13 et 15. En outre, comme la pièce jaune remonte, elle va serrer dans la zone (1) les deux extrémités des segments 1 et 2 et provoquer le blocage du pivot 14.
Interfaces
La fixation du bras sur la nacelle du manipulateur principal coïncide avec l’interface stérile/non-stérile. Le drap qui enveloppe le manipulateur principal doit donc pouvoir y passer sans être endommagé. Nous avions dans un premier temps songé à un accouplement magnétique entre le bras et la nacelle. Ce- pendant, des simulations par éléments finis à l’aide du logiciel Finite Element Method Magnetics ont montré que les efforts de fixation étaient impossibles à obtenir pour une taille d’interface raisonnable. Nous avons alors simplement proposé un accouplement par clamage, comme illustré à la figure 7.4. Il suffit d’arrondir toutes les arrêtes vives pour éviter une déchirure du drap lors du serrage.
L’étude de l’interface bras/zoom est intéressante car elle va permettre d’illustrer un problème de design assez fréquent. Cette interface doit assurer deux fonctions principales : permettre une connexion simple et rapide du bras au zoom (fonction 1) et conférer au laparoscope 2 ddl en rotation autour d’axes
Figure 7.6 – Premier design d’interface bras/zoom
orthogonaux (fonction 2).
La première version proposée pour le design est illustrée à la figure 7.6. L’interface bras/zoom est réalisée par l’axe du pivot passif 16 lui-même. Il possède deux portées cylindriques qui remplissent la fonction de guidage radial (fonction 2) et deux autres surfaces qui assurent son maintien axial (fonction 2). Une de ces dernières est inclinée et remplit également la fonction 1 avec un loquet qui s’appuie sur celle-ci grâce à un ressort. Un bouton permet de reculer le loquet et de déconnecter l’axe du pivot 16 (solidaire du zoom) de l’extrémité du bras.
Ce design initial implémenté sur la maquette de bras scara a le mérite d’être simple, facile à fabriquer et à entretenir (puisqu’il doit être nettoyé avant la stérilisation). Cependant, son fonctionnement n’est pas optimal à cause d’une friction importante sur la surface oblique de maintien axial. Ce design viole le premier axiome de design proposé par Suh, qui dit qu’un design optimal
maintient toujours l’indépendance des fonctions [Suh 1990]. Or dans ce design
simpliste, le loquet produit un couplage entre les deux fonctions de guidage (requérant un frottement minimal pour ne pas gêner la rotation du pivot 16) et de connexion (requérant une force de rappel suffisante pour éviter tout jeu axial dans l’articulation). Un dimensionnement correct du ressort pour une des fonctions va entraîner dans ce design une détérioration des performances pour l’autre fonction.
gélateur à porte verticale. La porte de ce dispositif remplit 2 fonctions. Elle permettre l’accès aux contenu du surgélateur, et garantit en partie l’isolation thermique de celui-ci. Une grande porte va faciliter l’accès, mais aussi produire un réchauffement important du contenu à chaque ouverture. Ce couplage fonc- tionnel au sein d’un élément de design peut être évité en plaçant le surgélateur horizontalement, porte au-dessus. La porte remplit toujours la fonction d’accès, mais l’essentiel de la fonction de maintien de la température est garanti par la position-même du surgélateur grâce à la densité supérieure de l’air froid qui aura tendance à rester dans le bac même si la porte s’ouvre. Ce design n’est certes pas parfait (il reste par exemple les pertes par convection forcée lors de l’ouverture brusque de la porte), mais il est en tous les cas nettement meilleur que le premier de par l’absence de couplage fonctionnel.
Figure 7.7 – Lame multi- fonctions de couteau suisse Insistons sur le fait que le problème est bien
causé par le couplage fonctionnel, et non par le couplage physique en lui-même. Le second axiome de design énoncé par Suh précise même que le
meilleur design (au sens relatif) est un design fonctionnellement découplé qui contient le moins d’information. En d’autres mots, moins le design
comporte de pièces, meilleur il est. Cela n’em- pêche par qu’un élément physique remplisse plu- sieurs fonctions, pour autant qu’elles restent indé-
pendantes. Les outils d’un couteau suisse sont un excellent exemple de couplage physique sans couplage fonctionnel. La lame de la figure 7.7 ci-contre remplit à elle seule deux fonctions : ouvrir les boîtes de conserve et visser. Il y a bien un couplage physique de ces deux fonctions dans le même outil, mais tant que l’on ne souhaite pas visser et ouvrir une boîte simultanément, il n’y a aucun couplage fonctionnel.
Le nouveau design présenté à la figure 7.8 est fonctionnellement découplé. La force du ressort peut être dimensionnée pour assurer une connexion sûre et fixe, et le serrage de l’écrou (non représenté) placé sur l’extrémité filetée à la gauche de l’axe permet de régler le jeu axial du pivot tout en minimisant la friction dans l’articulation.
Figure 7.8 – Redesign d’interface bras/zoom découplé
Conclusion
Avec le chapitre 7 s’achève la (longue) phase de design mécatronique du dis- positif. La fixation à la table et le bras articulé passif ont été conçus, dessinés et produits, pour compléter le prototype actif de manipulateur principal. L’étude de ces deux éléments n’était certes pas d’un intérêt scientifique majeur, mais leur importance durant l’installation du dispositif méritait que l’on s’y attarde un peu dans une optique de préparation à l’industrialisation.
Commande et interface
utilisateur
D’
UN CÔTÉ, le chirurgien dispose d’un joystick miniature fixé sur un de ses instruments, comme nous l’avons décidé au paragraphe 3.3. De l’autre, le robot est équipé de moteurs électriques et de boîtiers de régulation choisis au paragraphe 5.2.2. Ce chapitre détaille la conception et l’implémentation de l’algorithme de commande, en portant une attention particulière à l’ergonomie de l’interface chirurgien-robot.8.1
Principes de la commande
La plupart des robots manipulateurs industriels effectuent de manière au- tonome des tâches qui exigent que leur effecteur se déplace d’une situation (position et orientation par rapport à un repère fixe) initiale à une situation finale. La majorité des cas peuvent le faire suivant une trajectoire libre, mais dans certaines applications, comme la peinture d’éléments de carrosserie de voitures, il est important que l’outil porté par le robot suive un chemin prescrit dans l’espace suivant une loi temporelle définie. La planification de ce mouve- ment est pour cela effectuée par le contrôleur, qui envoie ensuite les consignes aux actionneurs du robot. Afin de suivre au mieux la trajectoire et la loi de
vitesses imposée et d’arriver le plus près possible de la situation finale désirée, le contrôleur collecte en continu des informations sur la situation courante de l’effecteur durant son déplacement, informations provenant par exemple des codeurs angulaires montés sur les articulations motorisées. En comparant la situation instantanée réelle de l’effecteur à la situation instantanée planifiée, il peut adapter les consignes envoyées aux actionneurs s’il constate que le ro- bot s’écarte de la trajectoire souhaitée. On parle de contrôle en boucle fermée [Khalil 1999, Chung 2008].
Le cas de notre porte-endoscope est assez différent. En effet, pour déplacer le laparoscope, c’est le chirurgien lui-même qui va contrôler la vitesse de celui- ci à l’aide du joystick pour amener l’image là où il le souhaite. Dans ce cas, le contrôleur doit simplement transférer de manière adéquate les consignes de vitesse reçues en temps réel du joystick vers les moteurs et fonctionne donc en boucle ouverte (bien qu’il utilise tout de même les informations des codeurs dans la transformation des signaux du joystick aux consignes des moteurs, comme nous le verrons au paragraphe 8.2.1). C’est le chirurgien qui ferme mentalement la boucle de commande en adaptant l’orientation et l’amplitude de l’inclinaison du joystick en fonction du retour d’information sur la position et la vitesse instantanées de l’image laparoscopique qu’il visualise sur le moniteur vidéo. Ce mode de contrôle est tout à fait similaire à la conduite d’une voiture où l’usager adapte ses consignes de vitesse et de direction à l’aide de la pédale d’accélérateur et du volant. Nous dirons que le dispositif fonctionne suivant un mode télécommandé, ou téléopéré [Niemeyer 2008].
À côté de ce mode de fonctionnement principal et du déplacement manuel de la caméra, nous avons ajouté un mode automatique qui permet au chirurgien de revenir directement à une situation antérieure préalablement mémorisée. Il sera ainsi possible de revenir en cours d’opération à une vue intra-abdominale générale centrée sur un organe depuis n’importe quelle situation du laparoscope. Ce mode de fonctionnement automatique sera décrit au paragraphe 8.2.2.
La suite de ce chapitre ne traitera en général que des principes et de l’implé- mentation de la commande du manipulateur principal. La commande du zoom y sera intégrée ultérieurement sans difficulté, d’autant que la vitesse d’avance du laparoscope sera directement proportionnelle à celle du moteur du manipu- lateur local.