Conception, modélisation et commande des robots à tubes concentriques : vers des applications médicales

L’ultime but des sciences, des technologies et de l’innovation est d’être au service de l’humanité. La médecine se démarque alors comme étant celle qui se propose, de façon plus concrète que les autres sciences, d’aider l’être humain.

« Guérir parfois, soulager souvent, écouter toujours » disait Louis Pasteur.

Mais derrière la médecine pure, un arsenal technologique s’est peu à peu créé, essentiellement pendant les dernières décennies : imagerie et équipements médicaux, gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur (GMCAO), etc. De toutes ces avancées, notre intérêt se porte sur les technologies d’intervention minimalement invasive. L’une d’entre elles est l’endoscopie, qui peut être utilisée soit pour le diagnostic (imagerie médicale, prélèvement), soit pour traiter une maladie (endoscopie opératoire). Les besoins en endoscopie ont été suivis par un développement sans précédent de la robotique, et plus particulièrement une miniaturisation des systèmes robotiques. L’intérêt se porte alors sur les robots de petites dimensions (moins de 10 mm de diamètre). En effet, les outils pédiatriques peuvent atteindre 6 mm de diamètre . Ces robots sont prévus pour avoir un très haut niveau d’intégration, ce qui pourrait faciliter les GMCAO.

La nature a été souvent une source d’inspiration pour l’innovation technologique. Ainsi, serpents, trompes d’éléphants, langues, tentacules d’encornets ont servi de modèles d’inspiration pour fournir des robots à la fois flexibles et qui se déforment continuellement. En particulier, dans le cadre médical, la continuité de forme est souhaitée pour suivre des voies naturelles. De même, des robots non rigides (soft robots) permettent des interactions moins agressives et plus sûres avec le corps humain.

Selon , les robots se répartissent suivant la classification qui suit :

• La première classe de robots, la plus répandue de toutes, est celle des robots rigides à structure discrète. En effet, ces robots sont constitués d’une série de segments rigides reliés entre eux par des articulations discrètes. Le mouvement peut alors être généré par l’actionnement de chaque articulation et la connaissance des éléments intermédiaires, considérés comme infiniment rigides (modèle à raideur infinie). Pour les robots manipulateurs à structure arborescente, notamment, cela permet de retrouver la position de chaque articulation par rapport à la précédente.

• La deuxième classe est celle des robots hyper-redondants, qui se distinguent de ceux de la précédente classe par des segments rigides très courts et un nombre d’articulations très important. Cela conduit à avoir des mouvements plus fluides sur des trajectoires de formes complexes. Enfin, une sous-classe des robots hyper-redondants est celle des robots à structure continue. Leur particularité est l’absence d’articulation discrète et la flexibilité des segments qui constituent le robot.

L’actionnement ou le fléchissement des segments peut être obtenu de différentes manières comme mentionné dans  : actionnement à tendon ou à câble , chambres pneumatiques , alliages à mémoire de forme ou actionnement par fléchissement continu obtenu par des tiges flexibles . L’étude de ce dernier mode a fait apparaître dans les années 2000 un nouveau concept obtenu par la combinaison de plusieurs tubes flexibles . En particulier, un assemblage télescopique s’est imposé sous le nom de « active cannulas » , puis de « concentric tube robots » .

Dans la section 2, les RTC sont présentés et les méthodes de modélisation de ce type de robot sont introduites. La section 3 se concentrera sur les différentes conceptions de l’unité d’actionnement et des tubes utilisés dans les RTC. La section 4 s’intéressera à la commande des RTC et sera suivie en section 5 par les techniques de planification de trajectoires. Un sommaire des applications des RTC est proposé à la section 6. Les prototypes disponibles en France sont décrits à la section 7. Enfin, la section 8 conclut l’article et propose des perspectives.