Motorisation de l’arceau

La maquette utilisée pour cette étude est une modification d’un produit existant. Ceci permet d’une part de se placer dans des conditions réelles (niveau d’éclairement entre autres) et d’autre part d’être conforme à la norme IEC60601 concernant l’utilisation d’éclairages opératoires dans les blocs chirurgi-caux et ainsi éviter les contraintes de conception concernant les risques de chute d’éléments dans la scène, la perturbation des équipements environnants, les précautions d’isolation électrique, etc. Le modèle choisi est un Powerled700 de la société MAQUET (voir figure5.1a) dans la mesure où cet éclairage opératoire est le plus difficile à manipuler et donc le plus intéressant à robotiser.

Remarque : Ce choix n’est pas sans conséquence et a rendu la tâche de robotisation de l’arceau difficile dans la mesure où certaines contraintes inhérentes à la robotisation n’ont pas été prises en compte lors de la conception originale de ce produit (structure non équilibrée).

(a) Cinématique d’un éclairage opératoire actuel. (b) Vue éclatée de l’arceau original.

Fig. 5.1 – Illustration du principe pour la réorientation et le repositionnement.

Choix et intégration des moteurs

Pour pouvoir dimensionner les moteurs, nous avons étudié les efforts générés au niveau des axes #5 et

#6 par une méthode analytique et une méthode par éléments finis, respectivement mises en œuvre à l’aide des logiciels Matlab et ADAMS.

Afin de faciliter le choix des moteurs, nous considérons les conditions suivantes : – le coefficient de sécurité est supposé égal à un ;

– le poids total de la coupole est de 18.5kg ;

– la vitesse de déplacement de la coupole est de 6tr.min⁻¹.

Remarque :La vitesse de déplacement est le résultat d’un compromis entre la nécessité de réactivité du système et le confort du chirurgien. Une vitesse trop grande induirait une variation de l’éclairement brutale, éblouissant le chirurgien. Le choix de la vitesse de déplacement a été ultérieurement approuvé par les différents chirurgiens, lors d’essais expérimentaux.

Type de sollicitation Axe considéré [.] Couple calculé par Couple calculé par méthode méthode analytique [Nm] par éléments finis [Nm]

Statique #5 6.454 7.301

#6 0 0

Dynamique #5 7.269 7.988

#6 0.196 0.198

Tab.5.1 – Evaluation du couple nécessaire pour mettre en mouvement la coupole.

Les résultats présentés dans le tableau 5.1 montrent que les moteurs devront développer un couple de plus de 8Nm pour permettre la mise en mouvement de la structure.

La prospection des moteurs s’est donc basée principalement sur le couple à développer et sur des critères tels que le poids (les liaisons étant en série, le poids du moteur de l’articulation #6 affecte la masse à déplacer pour le moteur #5), les dimensions (encombrement restreint dans les articulations de l’arceau), la tension de fonctionnement (réglementairement limitée à 24V) et la capacité du moteur à pouvoir ef-fectuer un mouvement réversible (dans les deux sens de rotation).

Remarque : Le nombre de cycles (dépendant dans notre cas de l’activité du chirurgien), le couple natif (à prendre en compte pour une version future), ainsi que la thermique des moteurs (constante de temps thermique, température de fonctionnement) n’ont pas été considérés pour cette activité de maquettage, ils constituent une piste d’amélioration du prototype.

En croisant les références disponibles avec les contraintes de l’application, nous avons sélectionné le moteur Amax22CLL (société MDP) couplé à un réducteur GP022C. Lors des premiers essais, cette com-binaison s’est avérée sous-dimensionnée par rapport aux sollicitations réelles. Nous n’avions pas pris en compte, dans les simulations, la présence des câbles dans la structure qui génèrent un couple résistant.

L’intégration de moteurs plus puissants (Amax32G de couple maximum 36.7Nm fonctionnant sous 24V, avec réducteur PLG32 à rapport de réduction 1 :411) a permis de résoudre ce problème mais s’est révélée inadéquate avec l’utilisation d’une courroie lisse dans les dimensions imposées. Les illustrations 5.2cet 5.2d présentent l’intégration des moteurs pour ce cas. La courroie lisse a donc été remplacée par une courroie crantée donnant meilleure satisfaction. Malheureusement, les points durs dus à la mauvaise répartition de charge de l’éclairage ont provoqué leurs casses répétées. Il a donc été décidé d’une part, d’interchanger la coupole avec celle d’un Powerled300 plus petite (450mm de diamètre contre 740mm) et plus légère (10kg contre 18.5kg) et d’autre part, de retravailler les arceaux (par allégement de la struc-ture et raccourcissement de la fourche entre les axes #5 et #6). De plus, afin de garantir la robustesse mécanique de la structure lors d’opérations réelles, il a été décidé de remplacer la transmission par des

engrenages droits à rapport de réduction 1:1. Dans la mesure où le prototype se trouve à bonne distance du chirurgien, il n’intègre aucun système de débrayage permettant, par désaccouplement du moteur, de limiter la force de l’impact en cas de choc.

(a) Modèle d’origine. (b) Implantation de la caméra. (c) Eclairage opératoire après les modi-fications.

(d) Zoom sur l’articulation #5.

Fig. 5.2 – Vue globale des modifications apportées sur les articulations #5 et #6.

Cette maquette est montée sur une base mobile ("Rolite" de la société MAQUET voir figure5.3a) per-mettant les tests en bloc opératoire sans nécessité de désinstaller l’éclairage déjà implanté. Cette base permet de placer l’éclairage opératoire dans des conditions d’emploi identiques à celles rencontrées en conditions réelles : distance coupole-plaie de l’ordre de 1.1m, réorientation de la coupole possible par le chirurgien ou le personnel chirurgical, etc. Seul le repositionnement diffère et s’effectue dans notre cas par déplacement de la base mobile et non par rotation autour de l’axe #1.

(a) Base mobile Rolite. (b) Prototype du Powerled300 motorisé.

Fig.5.3 – Prototype de l’étude.

La figure5.3bprésente la dernière version du prototype intégrant l’ensemble de ces modifications. Nous utiliserons ce prototype lors des différents essais en bloc opératoire dont les résultats sont présentés par la suite.

L’asservissement visuel de l’éclairage opératoire se fait de manière indirecte. Le bloc d’asservissement vi-suel fournit, à partir des informations vivi-suelles et de leurs traitements, le torseur cinématique à appliquer à la caméra pour atteindre la zone d’intérêt. Le calcul de la loi de commande s’effectue selon les modalités vues en chapitre 4 ; la régulation étant assurée par des modules indépendants placés en cascade. Cette architecture est flexible et nous permet de ne pas être limités à deux moteurs. De plus, les traitements nécessaires à la régulation s’effectuent au niveau des modules de contrôle, ce qui permet d’alléger les calculs au niveau de l’ordinateur. Il est donc possible de mettre ainsi en cascade plusieurs autres modules afin de permettre un mouvement complet dans R³. Cependant dans notre cas, l’absence d’information sur la pose désirée de l’éclairage opératoire nous oblige à ne considérer que les réorientations.

De ce torseur sont extraites les deux vitesses angulaires appliquées en consigne aux deux moteurs. L’ordre combinant ces deux vitesses est envoyé à un module maître par liaison USB (EPOS2 cadencé à 60MHz).

Ce module récupère la partie liée à l’articulation #5 et la renvoie par liaison CANopen à un second module dit esclave correspondant à l’articulation #6. Maître et esclave modulent le courant envoyé à leur moteur respectif par rapport à cet ordre mais aussi relativement aux calibrations définies lors de pré-essais (profil d’accélération-décélération, appel de courant, gestion des erreurs et des pannes, etc).

Le retour d’information au niveau moteur est assuré par des codeurs optiques 500 points (HEDL 5540 société Maxxon). Ceux-ci permettent d’informer, à intervalles de temps réguliers, les modules sur la po-sition des arbres moteurs. L’intégralité de ce processus est régie par une couche prioritaire (au niveau de l’ordonnanceur) permettant d’arrêter tout déplacement en cours et de passer à un mode manuel où les ordres sont donnés explicitement par l’équipe chirurgicale via une interface logicielle (mode dégradé).