Robotique pour la santé
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- Robin Turgeon
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1 Robotique pour la santé Laboratoire de Robotique Interactive (LRI) IRCAD 6 DÉCEMBRE 2012
2 INTERACTIVE ROBOTICS LABORATORY Force feedback remote handling Long range inspection 1 Remote Handling 2 Collaborative Robotics Co Manipulation Haptics Exoskeletons 3 4 Manipulation Mobile Robotics Dexterous manipulation Task planning Autonomy Trajectory control Energy management
3 TECHNOLOGIES FOR INDUSTRIAL APPLICATIONS 1. New robotics architectures Nuclear facilities maintenance 2. High performance actuation Transport Assistance to manual gesture 3. Control 4. Supervised control Method and sw tools Advanced manufacturing
4 INTERACTIVE ROBOTICS LABORATORY Team : 29 Permanent 8 PhD and 2 Post doc 10 fix term contracts Resources : 30 Projects 40 % Industrials contracts 20 % Institutional Funding (ANR, Pôles compétitivité ) 20 % Europeans projects 20 % CEA Subvention Scientific et technical Production 57 Active patents 10 patent pending in actives licenses : AREVA NC, Haption, Cybernetix, ATI, RB3D 8 to 10 publications, 20 to 30 communications by year
5 TECHNOLOGIES TO MEDICAL APPLICATIONS Medical staff support devices Positioning robot for protontherapy Mobile imaging device Rehabilitation devices Exoskeleton, Haptic reeducation device Personal assistance devices Autonomous mobile robot Hand and arm for manipulation Surgical collaborative devices Maxillofacial and orthopedic surgery Gesture training platform Surgical gesture training Mini-invasive surgical devices Minimally invasive robotized instruments
6 ASSISTANTS ROBOTIQUES POUR PERSONNE HANDICAPÉE Objectifs Développement d assistances robotiques physiques et logicielles pour compenser la perte d autonomie Saisie automatique d objets inconnus (Projets : ITEA Anso et Midas) Développement d IHM intuitives (one click) Développement d une fonction d identification d objet dans les images par vision Planification de tâches et réaction à des évènements imprévus CEATech for Health PAGE 6
7 LIGHT WEIGHT ROBOT Objectives: Very Safe Light Weight Robot Collaborative Robot (Workspace sharing) Features: Anthropomorphic kinematics (7dof) Force / torque control without sensor High fidelity actuators Payload 3kg Intuitive programming by learning Safety: Collision detection based on dynamic model survey
8 ROBOTS DE POSITIONNEMENT EN RADIOTHÉRAPIE INTERVENTIONELLE Objectifs Lever les verrous techniques en matière de qualité de cinématique et précision de positionnement Imageur Robotisé pour Interventions mini-invasives (Projet FUI Irimi) Conception d une base mobile holonome Performances équivalente à un bras robotisé (0,5mm précision) Solution innovante : Roue sphérique holonome, Déplacement dans toutes les directions sans réorientation préalable Petites corrections de position possibles Capacité de franchissement isotrope Simplification des trajectoires ball O nom Patent Pending FR GE Healthcare, BA Systèmes, IRCCYN CEATech for Health PAGE 8
9 ROBOTS DE POSITIONNEMENT EN RADIOTHÉRAPIE INTERVENTIONELLE Positionnement robotisé de patient (Projet ANR Poros ) Développement d un robot pour remplacer les tables de radiothérapie Grande dextérité (6 ddl), Précision de positionnement <0.5 mm en traitement, Intégration au contrôle-commande de la salle de traitement Adaptation possible à la radiothérapie dynamique, co-manipulation. AS2I, Dosisoft, ISIR, Institut Curie CEATech for Health PAGE 9
10 CHIRURGIE MINI INVASIVE : INSTRUMENTS INTRA CORPORELS Objectifs Nouveaux instruments pour la chirurgie mini-invasive MIS, SILS, NOTES (<5mm) Instruments dextres robotisés pour la laparoscopie (Projets : ANR ID2U, ITEA Mediate) Outil endoscopique porte-aiguille motorisé, partiellement jetable Instrument miniature (trocart Ø=5mm) basé sur les technologies d articulations flexibles, à actionnement partiellement localisé pour une meilleure dextérité Instrument de chirurgie intracardiaque sous imagerie échographique ou RX (Projet AS2coeur) Mise en place d un cordage valvulaire artificiel (valve mitrale) à cœur battant
11 CHIRURGIE MINI INVASIVE : INSTRUMENTS INTRA CORPORELS Instrument de suture semi-automatique pour vaisseaux (Projet MISS) Réalisation d anastomoses latéro-latérales pour le pontage coronarien mini-invasif et à cœur battant (validation du concept à l échelle 8:1) Objectif φ3. EndoControl, Cédrat Technologies, Fraunhofer Institut IPA, UPMC ISIR, APHP La Pitié Salpétrière, Institut Mutualiste Montsouris CEATech for Health PAGE 11
12 COLLABORATIVE ROBOTICS (COBOTICS) Objectives: Human gesture assistance to reduce Muskulo Skeletal Disorders Human : skills and intelligence Robot : Force, stiffness Technologies: Force control Safe interaction Weight balancing Force amplification Virtual guides Optimal design method Assistance to tool or load handling Assistance to manual gesture
13 ABLE: RÉÉDUCATION DU MEMBRE SUPÉRIEUR Applications: Rééducation fonctionnelle Assistance motrice Technologie: Réalité virtuelle grand champ Téléopération Actionneurs électriques longitudinaux (vérins à câbles) Architecture anthropomorphe (7 axes), ouverte Intégrable à un dossier : environnements exigus, au domicile Contrôle en effort sans capteur d effort haute sûreté Haute transparence Capacité d effort comparable à l homme CEATech for Health PAGE 13
14 COBOTIQUE : RÉHABILITATION ET RÉÉDUCATION DU MEMBRE SUPÉRIEUR Évaluation de cette technologie (Projet ANR Brahma ) pour des applications de rééducation fonctionnelle et améliorer les connaissances sur le contrôle moteur Utilisation du prototype ABLE 4 axes du CEA Préparation des expériences avec patient Validation du niveau élevé de transparence intrinsèque Evaluation de différents modes d assistance avec guidage sur les synergies naturelles. CEATech for Health PAGE 14
15 EXOSQUELETTES DES MEMBRES INFÉRIEURS LES FONCTIONS L INTERFACE ET LE MODE DE COMMANDE Commande par des signaux nerveux : EMG (électromyographie) EMG est souvent utilisée en évaluation, analyse Contrôle par EMG: HAL, ATR [Morimoto&al 2012] Commande par des signaux cérébraux : BCI Casque EEG ElectroEncephalogram me Projet MINDwalker Projet avec REX Contreras-Vidal, Houston Matrices ECoG ElectroCorticoGramme CEA/CLINATEC MultiElectrode Array Exo EMY du CEA-LIST CEA Avril PAGE 15
16 EXOSQUELETTES DES MEMBRES INFÉRIEURS LES FONCTIONS L ÉQUILIBRE: COMMENT NE PAS TOMBER? Surveiller la stabilité Développer des stratégies utilisant: - l adaptation d impédance - le placement des pieds Stabilité sans cannes: crucial pour des assistances «autonomes» pour une rééducation ambulatoire CEA Avril PAGE 16
17 COBOTIQUE : CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE SURGICOBOT La laminectomie : Un nombre d actes en augmentation corrélé avec le vieillissement de la population Un taux de complications élevé (~10%) Comment rendre la laminectomie plus sûre, plus simple, plus rapide Solutions explorées dans ANR Surgicobot Visualiser en 3D l os en cours de fraisage Protéger physiquement la moelle épinière Hôpital Pitié Salpétrière CEATech for Health PAGE 17
18 COBOTIQUE : CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE SURGICOBOT Un système cobotique pour sécuriser l opération intègre trois composants principaux Un cobot (robot comanipulateur) Comanipule l outil avec le chirurgien Est complètement transparent la plupart du temps Exerce si besoin des contraintes actives sur l outil Caractéristiques mécaniques (usinage os) F=40N, K=40N/mm Intérêt : Le chirurgien Conserve la vision directe Conserve ses sensations habituelles Conserve le pouvoir de décision CEATech for Health PAGE 18
19 COBOTIQUE : CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE SURGICOBOT Un système cobotique pour sécuriser l opération intègre trois composants principaux Un système de navigation précis et rapide Localise en temps réel outil, robot et vertèbre Composé de camera à 3 barrettes CCD rapides et n x 4 cibles actives sans fil à diodes infrarouge formant un référentiel rigide Précision : 0.2mm à 250Hz pour 8 diodes dans un volume de 1m 3 CEATech for Health PAGE 19
20 COBOTIQUE : CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE SURGICOBOT Un système cobotique pour sécuriser l opération intègre trois composants principaux Une interface interactive conviviale et un PC Scénarisent le processus complet Effectuent l ensemble des calculs géométriques Visualisent en 3D multivues l opération en cours CEATech for Health PAGE 20
21 COBOTIQUE : CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE SURGICOBOT Les fonctions apportées par le système Visualisation 3D de la zone opératoire Protection de zones d exclusion par effort de répulsion ou de blocage Compensation des mouvements du patient (déplacements, respiration) Guidage de l outil, suppression de son poids, des frottements Ergonomie Première prise en main Le système a été jugé efficace, «transparent» et convivial Les tâches supplémentaires (recalage, calibration) sont simples et rapides à réaliser CEATech for Health PAGE 21
22 COBOTIQUE : CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE SURGICOBOT Cobot : améliorer la raideur ET la transparence Utilisation de moteurs synchrones et électronique de puissance optimisée gain x10 sur la raideur active transparence améliorée Dispositif autobloquant passif et unidirectionnel suppléant automatiquement les moteurs quand l effort de blocage dépasse leur capacité (brevet FR ) sécurité assurée sans inconvénient supplémentaire CEATech for Health PAGE 22
23 HAPTICS Objectives: Force feedback interface Master arm for remote handling Virtual Reality applications Technologies: Task oriented architectures High efficiency actuators Integrated electronics and embedded control Haption spin off
24 CHIRURGIE MINI INVASIVE : ORGANES MAITRES Objectifs Interfaces haptiques à retour d effort pour la télé-chirurgie et la formation Bras maitre de commande (Projet RNTS EndoXiRob) Piloter un robot porte endoscope et des instruments de chirurgie mini-invasive Plate forme multimodale de formation à la chirurgie maxilo-faciale en RV (Projet FP7 Skills) Développement et intégration d un prototype complet: haptique (2 bras), visuel (écran 3D avec Mocap de la tête de l utilisateur), sonore, tactile Développement d un logiciel de simulation de chirurgie osseuse Développement de premiers exercices de formation et IHM dédiée Partenaires Haption, APHP La pitié Salpêtrière, CHU Amiens, Rouen, Nantes
25 INTERACTIVE ROBOTICS LABORATORY : MEDICAL APPLICATIONS 25 3 Rehabilitation Exoskeleton / Orthosis For upper and lower limb Haptic devices Minimally invasive surgery Development of miniature robotic instruments (innovative technologies) Haptic devices Force feedback remote handling Interactive simulation Cobotics for orthopedic surgery Robot system in interaction with humans and environment Robotics for radiotherapy Assistance to disabled people 1 Surgery 2 Robotics assistance
26 MERCI DE VOTRE ATTENTION DES QUESTIONS?? CEATech for Health PAGE 26
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