Développement de lois et de structures de réglages destinées à la téléopération avec retour d effort

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1 Développement de lois et de structures de réglages destinées à la téléopération avec retour d effort Thomas Delwiche, Laurent Catoire et Michel Kinnaert Faculté des Sciences Appliquées Service d Automatique et d Analyse des Systèmes 1

2 Les entités de recherche au sein de la Faculté des Sciences Appliquées Service de constructions mécanique et robotique (SCMERO) Recherche en téléopération depuis 2002 Depuis 2004 : Conception d un exosquelette à retour de force (2 doctorants) Service d Automatique et d Analyse des Systèmes (SAAS) Recherche en téléopération depuis septembre 2004 Depuis octobre 2005 : Conception et régulation d un système à retour de force en vue d une application en chirurgie miniinvasive (1 doctorant + support technique) 2

3 Première Partie Travail effectué depuis 2004 La recherche bibliographique Le dispositif expérimental Mise en œuvre d architectures à 2 canaux Mise en œuvre d une architecture à 4 canaux 3

4 Recherche Bibliographique Modèles linéaires du système Identification des fonctions de transfert Excitation multisinusoïdale Identification dans le domaine des fréquences Prise en compte d un modèle non-paramétrique du bruit Critères de stabilité et de performance Schémas de réglage Méthode de dimensionnement des régulateurs (structures à paramètres fixes) RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE 4

5 Le dispositif expérimental Dispositif à 1 ddl Moteurs à courant continu Encodeurs relatifs Capteurs de force piezorésistifs (1 axe) Commande par carte dspace Conçu durant le MFE Dispositif expérimental à 1ddl du SAAS 5

6 Mise en œuvre d architectures à 2 canaux Position-position et force-position Quatre canaux (4C) Environnements mous (800 N/m et 2200 N/m) Environnement rigide Erreur statique de position nulle Bon suivi de position Transparence en force et en position Mises en œuvre expérimentales d architectures 2 et 4 canaux au SAAS 6

7 Architecture Position-Position (1) θs : position esclave θm : position maître Fm: force nette opérateur Fh: force musculaire Fs: force nette env. Fe: force active env. Cpos,s: rég. pos. esc. Cpos,m: rég. pos. m. Hi=Fi/ θi (i=e,s,m,h): impédances 7

8 Architecture Position-Position (2) _ + PI _ + Avance de phase Fs,actuator Fe Fh +_ PI ++ Système de Téléoperation Avance Fm,actuator de phase Absence d erreur statique en position en mouvement lilbre et bon suivi de la position. Friction de l esclave reportée au maître 8

9 Architecture Position-Position (3) Mauvaises performances en contact avec un obstacle rigide Couple augmente de façon croissante Force pas appliquée assez rapidement Délai dans le suivi de position lorsqu on recule le maître Evolution des couples moteur lors du contact statique avec une surface rigide 9

10 Architecture Force-Position (1) θs : pos. esclave θm : pos. maître Fm: force nette utilisateur Fh: force musculaire utilisateur Fs: force nette env. Fe: force active env. Cpos,s: reg. pos. esc. Cfor: reg. for. esc. Boucle locale en force Hi=Fi/ θi (i=e,s,m,h): impédances 10

11 Architecture Force-Position (2) Boucle locale en force : compensation de la friction Substitution de régulateurs Intégrateur en mouvement libre Simple gain en contact Anti-emballement des régulateurs : conditionnement 11

12 Méthode du conditionnement (1) r(t) +_ REGULATEUR u*(t) u (t) SYSTEME y(t) _+ xc (k + 1) = AC xc (k ) + BC (k )(r (k ) y (k )) u (k ) = CC xc (k ) + DC (k )(r (k ) y (k )) xc (k + 1) = AC xc (k ) + BC (k )(r (k ) y (k )) + L(u * (k ) u (k )) u (k ) = CC xc (k ) + DC (k )(r (k ) y (k )) Terme L(u*(k)-u(k)) déplace le pôle correspondant à l action par intégration Pas d action si on se trouve dans le domaine linéaire (u*=u) L doit garantir la stabilité L = BC DC 1 12

13 Méthode du conditionnement (2) r(t) +_ REGULATEUR u*(t) u (t) SYSTEME y(t) _+ r* : référence réalisable (consigne que l on peut appliquer sans dépasser les capacités des actionneurs) u * (k ) = CC xc (k ) + DC (k )(r * (k ) y (k )) u (k ) = CC xc (k ) + DC (k )(r (k ) y (k )) r * (k ) = r (k ) + DC 1 (u * (k ) u (k )) xc (k + 1) = AC xc ( k ) + BC (k )(r * ( k ) y (k )) u ( k ) = CC xc (k ) + DC (k )(r (k ) y ( k )) xc (k + 1) = AC xc (k ) + BC (k )(r (k ) y (k )) + L(u * (k ) u (k )) u (k ) = CC xc (k ) + DC (k )(r (k ) y (k )) L = BC D13C 1

14 Méthode du conditionnement (3) r2 u 2 = r1 +_ C2 +_ C1 u1 u*1 Système xc1 (k + 1) = AC1 xc1 (k ) + BC1 (k )(r1 (k ) y (k )) + BC1 DC 11 (u *1 (k ) u1 (k )) u1 (k ) = CC1 xc1 (k ) + DC1 (k )(r1 (k ) y (k )) xc 2 (k + 1) = AC 2 xc 2 (k ) + BC 2 (k )(r2 (k ) y (k )) + BC 2 DC 12 (u 2* (k ) u 2 (k )) u 2 (k ) = CC 2 xc 2 (k ) + DC 2 (k )(r2 (k ) y (k )) r1* (k ) = r1 (k ) + DC 11 (u1* (k ) u1 (k )) u2* (k ) = u2 (k ) + DC 11 (u1* (k ) u1 (k )) u2* (k ) u2 (k ) = DC 11 (u1* (k ) u1 (k )) xc 2 (k + 1) = AC 2 xc 2 (k ) + BC 2 (k )(r2 (k ) y (k )) + BC 2 DC 12 DC 11 (u1* (k ) u1 (k )) u 2 (k ) = CC 2 xc 2 (k ) + DC 2 (k )(r2 (k ) y (k )) 14 y

15 Méthode du conditionnement (4) Boucle de courant (Ci) : prise en compte de la saturation des actionneurs Boucle de position externe (C1) : prise en compte de la saturation des actionneurs et de la substitution 15

16 Architectures à deux canaux : conclusions Régulateurs à effet intégrateur Erreur statique de position nulle Problèmes lors du contact avec une surface rigide Compensation de friction par boucle locale de force dans le schéma force-position. Faisabilité d une substitution des régulateurs en téléopération : démonstration expérimentale Deux régulateurs avec conditionnement Généralisation à n régulateurs : alternative à l adaptatif 16

17 Mise en œuvre de l architecture 4 canaux Position-position et force-position Quatre canaux (4C) Environnements mous (800 N/m et 2200 N/m) Environnement rigide Erreur statique de position nulle Bon suivi de position Transparence en force et en position Mises en œuvre expérimentales d architectures 2 et 4 canaux au SAAS 17

18 Architecture 4C (1) Xs : pos. esclave Xm : pos. maître Fh : force nette ut. F*h : force musculaire Fe : force nette env. F*e : force active env. Couple actionneur Force effecteur Ci (i=1,..,6,m,s): régulateurs Zj=Fj / Xj 18

19 Architecture 4C (2) Bs, Bm : facteurs de conversion physiques, inconnus à priori Rs, Rm : facteurs d échelle, fixés par l utilisateur 19

20 Architecture 4C (3) Expérience #1 Expérience #2 Force imposée obstacle Force de réaction par l utilisateur 0 K moteur pos Couple moteur Couple obtenu à l équilibre moteur imposé 20

21 Architecture 4C (4) Calcul du rapport force couple moteur Pour une force de 1 Expérience #1: friction vaincue par l utilisateur Expérience #2: friction vaincue par le moteur Expérience #1: couple de 17 Expérience #2: couple de 60 Le facteur de conversion entre le couple moteur et la force d extrémité varie Bs et Bm varient en fonction du temps 21

22 Architecture 4C (5) ^ ^ Adaptation des facteurs de conversion sur la base des erreurs de position et de force 22

23 Architecture 4C (6) 23

24 Architecture 4C (7) maître Environnement: 800 N/m.. esclave Structure 4C à paramètres fixes (C2=C20 et C3=C30) C1= Cm = C4= Cs = 2000 C5 = C6 = -0.2 ^ ^ 0.078<C2<0.8; C20 = <C3<0.8; C30 =

25 Architecture 4C (8) Environnement: 2200 N/m maître.. esclave 25

26 Architecture 4C (9) Environnement: 800 N/m maître.. esclave 26

27 Architecture 4C : conclusions (10) Représentation 4C avec facteurs de conversion et d échelle On montre expérimentalement que 2 de ces paramètres varient en fonction du temps Une structure adaptative est mise en œuvre afin de garantir de bonnes performances Validation expérimentale Analyse de stabilité approfondie requise Recherche d autres lois d adaptation 27

28 Deuxième Partie Perspectives à court terme Définition d une tâche de référence Conception d un nouveau banc d essais à 1 ddl 28

29 Définition d une tâche de référence (1) Aborder le problème de la chirurgie miniinvasive Dialogue avec un chirurgien habitué aux dispositifs robotisés de chirurgie mini-invasive. Peu de perspectives en laparoscopie Perspectives en cardiologie et gynécologie Sélectionner un geste chirurgical pour lequel le retour d effort amènerait une amélioration significative. 29

30 Définition d une tâche de référence (2) Modélisation mathématique du geste requérant le retour d effort. Caractérisation de l environnement Caractérisation des forces appliquées Identification des objectifs et des challenges Conception d une expérience de laboratoire représentative des contraintes rencontrées en pratique 30

31 Conception d un nouveau banc d essai (1) Usage général Réduction de la friction par un système de poulies à câbles Capteurs de couple bidirectionnels Moteurs à faible friction Possibilité de fixer une aiguille à l extrémité de l esclave de manière à réaliser des percements de tissus ex-vivo 31

32 Conception d un nouveau banc d essais (2) Maîre Esclave 32

33 Troisième Partie Perspectives à long terme et conclusions générales Elaboration d une architecture de réglage généraliste dédiée à la chirurgie mini-invasive Conception d un banc d essais à 3 ddl représentatif du geste traité Conclusions générales 33

34 Conclusions générales Depuis 2004 connaissances générales en téléopération Etude bibliographique Mises en œuvre structures 2C et 4C sur dispositif expérimental Conception d une structure 4C adaptative Futur : s orienter vers l application visée: chirurgie mini-invasive Définition du geste + modélisation Régulation Validation sur dispositif 1 et 3 ddl 34

35 Remerciements Le travail de T. Delwiche est financé par une bourse du FRIA (Fond pour la Recherche dans l Industrie et l Agriculture). Les bancs d essais sont financés par un crédit du FNRS (Fond National de la Recherche Scientifique). 35

36 Merci pour votre attention! 36

37 Bref historique du projet (2) (1) (3) 1) 9/2004 à 6/2005.MFE ( A. De Greef et T. Delwiche ) 2) 10/ Début du travail de doctorat (T. Delwiche) 3) 10/2005 à 6/ DEA (T. Delwiche ) Objectif DEA : acquérir les connaissances nécessaires en téléopération 37

38 Conception d un banc d essais à 3ddl Concept de robot «sutureur» Esclave 38