L'objectif principal de cette thèse est de développer une nouvelle interface pour la simulation des procédures de chirurgie mini-invasive. L'interface développée introduit les modalités visuelle, haptique et thermique pour les futures générations de simulateurs et de robots chirurgicaux. La particularité de cette recherche réside dans l'utilisation de la stimulation thermique dans une perspective d'application pour la chirurgie. Dans ce cadre, plusieurs modèles de transfert de chaleur ont été développés, implémentés et évalués pour des applications de téléprésence et de réalité virtuelle. Des sensations intéressantes ont été enregistrées, ce qui a une conséquence directe sur la capacité de distinguer entre des objets dans l'environnement et particulièrement dans le domaine médical où la sensation thermique est en corrélation avec la présence d'anomalies dans certaines maladies. Un nouveau dispositif haptique est conçu et réalisé en analysant les tâches chirurgicales en termes de dextérité, d'espace de travail, de force et de couple exigés. Nous avons tenu compte des exigences générales de conception mécaniques des interfaces haptiques à partir de ce qui a été établi dans la littérature de l'haptique. Le dispositif complet a été interfacé avec un logiciel de simulation en réalité virtuelle (SOFA). Nous avons intégré dans SOFA le module nécessaire pour la simulation thermique. L'intégration était réussie et un scénario de simulation réaliste avec le retour d'information visuel que thermique a été réalisé. Des résultats préliminaires utilisant la simulation complète sont présentés. / The main objective of this thesis focuses on the construction of a new interface for Minimally Invasive Surgery training. This interface incorporates novel broad band sensory modalities that include visual, haptic and thermal technology, into the evolution of the next generation of surgical robotic and surgical simulator. Our particular novelty in this research is in using of thermal stimulation in a MIS applied perspectives. Several thermal exchange models have been designed, implemented and evaluated for telepresence and virtual reality applications. Interesting sensations have been recorded which have a direct bearing on the ability to distinguish between objects in the surrounding environment and particularly in the medical field where temperature sensing correlates with anomalies in some know diseases. A new haptic device is designed and realized by analyzing surgical tasks in terms of required dexterity, workspace, force and torque. The mechanical design constraints have been considered with respect to the general requirements for haptic interface design from what has been well established in the haptics literature. The overall device has been interfaced with an open source VR simulator (SOFA). We added in SOFA the necessary software dealing with thermal simulation using built-in data structure and methods. The integration was successful and a realistic simulation scenario with both visual and thermal feedback was achieved. Preliminary results using the overall simulation are presented.

La microchirurgie de l’oreille moyenne requiert une forte dextérité en raison de la finesse et de l’extrême sensibilité des structures impliquées. L’apprentissage de cette chirurgie est délicat et est effectué en fin d’internat. Ce travail porte sur le développement d’un modèle mécanique en éléments finis des différentes structures qui composent l’oreille moyenne dans le but de concevoir un simulateur chirurgical. Les objectifs sont de fournir un outil polyvalent pour l’apprentissage et l’entraînement de la chirurgie par la chirurgie, ainsi que d’offrir la possibilité d’explorer et d’évaluer de nouvelles procédures chirurgicales liées à l’apport de nouvelles technologies telles que la robotique. Le comportement mécanique du modèle développé a été confronté avec succès aux observations réalisées sur des pièces anatomiques. Afin d’obtenir un outil de simulation qui tienne compte des différences anatomiques de chaque patient, une méthode de déformation de l’atlas mécanique basée sur l’imagerie clinique a été implémentée. Les simulations du fraisage de la platine de l’étrier ainsi que le placement d’une prothèse ossiculaire ont été réalisées à l’aide d’une interface haptique et d’une nouvelle approche du rendu. Ce travail constitue ainsi le premier simulateur virtuel de chirurgie de l’oreille moyenne. Enfin le robot télé-opéré, RobOtol, a été intégré au simulateur afin d’étudier de nouvelles procédures chirurgicales robotisées. Le travail effectué porte essentiellement sur la simulation interactive réaliste de procédures chirurgicales complexes ainsi que la formation et la robotisation de la microchirurgie otologique. / Microsurgery of the middle ear requires high dexterity due to the finesse and the extreme sensitivity of the structures involved. Learning this surgery is delicate and is performed at the end of the residency. This work focuses on the development of a mechanical finite element model of the anatomical structures that compose the middle ear in order to design a surgical simulator. The objectives are to provide a versatile tool for learning and training of the surgery by surgical practice, as well as the opportunity to explore and evaluate new surgical procedures related to new technologies such as robotics. The mechanical behavior of the developed model was successfully confronted with observations on human specimens. In order to obtain a simulation tool that takes into account the anatomical differences of each patient, a deformation approach of our mechanical atlas, based on clinical imaging, was implemented. Simulations of the stapes footplate drilling and the placement of an ossicular prosthesis were performed using a haptic interface and a novel rendering approach. This work is thus the first virtual simulator of the middle ear surgery. Finally the tele-operated robot, called RobOtol was incorporate in the simulator to explore new robot-based surgical procedures. In addition, the simulation allows to train the otologists to the use of the robot. This work concerns mainly on the interactive simulation of complex surgical procedures, as well as on the learning and the robotization of the otologic microsurgery.

Ce travail s’inscrit dans le cadre général de l’assistance à la conduite pour les personnes handicapés moteurs et propose d’aborder cette problématique de façon expérimentale sur un système réel, en mettant l’accent sur l’optimisation de la coopération humain – machine. L’objectif de cette thèse consiste plus particulièrement en l’implémentation et l’évaluation d’une interface haptique de commande de fauteuil roulant électrique destinée à des personnes handicapés moteurs. Les interfaces utilisées sont un joystick à retour d’effort sidewinder2™ et un effecteur haptique à stylet phantom omni™. L’utilisation d’un capteur télémétrique laser sur le fauteuil permet en outre de recueillir des informations sur l’environnement du fauteuil. Nous utilisons des mesures ergonomiques d’efficacité telles que le temps d’exécution des tâches, les erreurs et la charge de travail afin d’établir des critères d’évaluation de notre système. La méthodologie suivie et les aspects pratiques de cette étude sont exposés, justifiés et discutés en se basant notamment sur les travaux de recherche décrits dans la littérature portant sur l’utilisation des interfaces haptiques pour le contrôle de systèmes robotisés et/ou téléopérés. L’évaluation du système ainsi conçu vise à comparer les performances de conduite d’un fauteuil roulant commandé par un effecteur à retour d’effort par rapport à une commande classique. Les résultats obtenus sont analysés statistiquement. Une étude théorique est également proposée basée sur la modélisation du système pilote-véhicule et des conclusions sur la validité et la pertinence des modèles testés sont présentées / This work lies within the general framework of the driving assistance for people with motor disabilities and proposes to address this issue experimentally on a real system, with emphasis on the optimization of the human–machine cooperation. The objective of this thesis consists especially in the implementation and the assessment of a haptic interface for the control of a powered wheelchair for people with motor disabilities. The interfaces used for this purpose are the force feedback joystick sidewinder2™ and the haptic device phantom omni™. Moreover, the use of a laser range sensor allows gathering information about the wheelchair environment. We use ergonomic efficiency measures such as the tasks execution time, the errors and the workload in order to establish criteria for evaluating our system. The methodology and the practical aspects of this study are exposed, justified and discussed based particularly on the research work described in the literature about the use of haptic interfaces to control robotic and / or remote controlled systems. The evaluation of such a system aims to compare the driving performance of a powered wheelchair controlled by a force feedback device compared to a conventional control. The results are statistically analyzed. A theoretical study is also proposed based on the modelling of the driver-vehicle system and conclusions about the validity and relevance of the tested models are presented

Afin de répondre à la problématique de la sécurité lors des interactions humain-robot, le Laboratoire IntRoLab de la Faculté de génie à l'Université de Sherbrooke a développé un actionneur basé sur l'agencement d'un système mécanique à double différentiel et de deux freins magnétorhéologiques. Ce nouvel actionneur a été baptisé ADDR pour Actionneur Double Différentiel Rhéologique. Contrairement aux actionneurs classiques, l'ADDR n'est pas conçu pour être simplement contrôlé en position, mais il offre la possibilité d'être contrôlé en couple indépendamment de sa vitesse de rotation. Cela, ainsi que sa faible inertie de sortie, lui confère une grande sécurité lors de ses déplacements, même dans des environnements inconnus ou dynamiques. Ce mémoire présente la mise au point de l'électronique embarquée de contrôle de l'ADDR lui permettant d'interagir de façon sécuritaire avec des humains. Une première carte électronique est réalisée pour démontrer la faisabilité de contrôle de ce nouvel actionneur et caractériser ses performances. Le contrôle d'interaction étudié est le contrôle d'impédance par lequel un actionneur cherche à reproduire la réponse dynamique d'un système mécanique réel connu. Par la suite, l'électronique de contrôle est revue et miniaturisée afin d'être intégrée à l'intérieur même de l'ADDR. La large bande passante en couple mesurée permet de conclure que l'ADDR est tout à fait approprié pour être utilisé pour des interactions humain-robot par le biais du contrôle d'impédance. De plus, la réalisation d'une interface haptique qui ajoute un retour d'informations visuelles à l'utilisateur améliore la sensation de toucher de la dynamique du système mécanique simulé. Dans l'avenir, il serait intéressant d'utiliser plusieurs ADDR et leur contrôle d'impédance pour la conception d'un système mécanique tel qu'un bras robotique. Ainsi, les interactions humain-robot pourraient être plus complexes tout en apportant une très grande sécurité par rapport au même bras robotique réalisé à partir d'actionneurs classiques.

La téléopération est un moyen unique pour interagir aux échelles micro et nanoscopique où la perception sensorielle de l'homme a dépassé ses limites. Des applications comme la conception de micro/nanosystèmes ou l'enseignement des nanotechnologies peuvent trouver leur expression dans ce thème prometteur de recherche. Cette thèse aborde la problématique de la perception et d'une interface haptique pour les nanosciences, sous l'angle des utilisateurs potentiels. Les points clés de ce travail se déclinent en deux parties. La première décrit une analyse détaillée de la perception utilisateur à l'aide d'un ensemble d'évaluations, dans un premier temps sur des expériences ciblées tâche (où la perception des phénomènes n'est pas primordiale comparée à la résolution de la tâche), puis sur d'autres orientées compréhension des phénomènes dans une démarche pédagogique. Le cœur de ce travail d'analyse s'articule autour de la définition d'une plate-forme de simulation, et la recherche d'assistances haptiques dédiées à des stratégies complexes de manipulation et d'analogies comportementales pour la compréhension de la microscopie à force atomique. La deuxième partie aborde la conception d'une interface haptique à haute fidélité pour l'échelle nanoscopique. Une nouvelle approche d'actionnement est proposée, où deux moteurs sont couplés visqueusement afin d'obtenir une interface à large plage dynamique et à faible inertie. Les deux prototypes réalisés montrent que ce système peut approcher voire dépasser les besoins dérivés des capacités motrices et perceptuelles de la main humaine.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La téléopération ouvre des possibilité nouvelles d'interaction avec le micro-monde. Avec des systèmes adaptés il devient possible de manipuler des éléments aux échelles microscopiques. L'ajout d'un retour haptique apporte une information supplémentaire nécessaire à une interaction naturelle. Cette thèse aborde la problématique de la conception d'une chaîne de téléopération haptique par la conception de ses éléments clefs. La première partie décrit l'optimisation de l'interface haptique à un degré de liberté haute fidelité issue des précédents travaux du laboratoire. Un premier travail augmente la précision des efforts produits. Cette amélioration est liée à une optimisation de la mesure de la vitesse de l'interface à des fréquences d’échantillonnage élevées. Un second point traite de la validation et quantification précise des forces de l'interface. La deuxième partie décrit deux nouveaux capteurs de force conçu spécifiquement pour les interactions avec le micro-monde. Ces fonctionnent sur le même principe de mesure par compensation. Deux approches sont suivies pour augmenter les fréquences des forces mesurable par le capteur. La première s'attache à réduire la masse en concevant un nouveau capteur à l'échelle micrométrique avec des technologies MEMS. Une deuxième approche modifie la conception du capteur et supprime la raideur dans le guidage. La troisième partie décrit la conception d'une nouvelle interface haptique à plusieurs degrés de liberté. Les éléments clefs de sa conception sont l'utilisation d'un palier à air, pour un guidage sans frottement, et de moteurs linéaires à induction, pour une inertie réduite. / Teleoperation opens up new possibilities for interaction with the micro-world. Adequate systems make it possible for human to manipulate elements on microscopic scales. An added haptic feedback provides information crucial for a natural interaction. A bilateral coupling between the subsystems offers the best haptic transparency. This thesis addresses the design of a complete haptic teleoperation chain by focusing on its key elements. Three parts are detailed: The first part describes improvements of the high fidelity one degree of freedom haptic interface designed previously. First, the precision of the forces produced is improved. This improvement is related to the measurement of the motor velocity at high sampling frequencies. Then, the device is precisely caracterized. The second part describes the design of two new force sensors designed specifically for interactions with the micro-world. The forces are measured by compensation. Two approach are observed to expand the frequencies of forces measurable by the sensors. First approach try to reduce the mass, a new sensor on a micrometric scale is built with MEMS technologies. The second approach offer a new design of the sensor. In particular, the stiffness in the guidance is removed. The third part describes the design of a new haptic interface with multiple degrees of freedom. This interface combines the performances of the one degree of freedom interface with a 2D configuration. The key elements of its design are the an air bearing for frictionless guidance and linear induction motors for reduced inertia.

Une interface haptique est développée pour fournir le retour d'effort d'interaction dans un environnement virtuel à échelle humaine. L'interface est composée d'une plate-forme à câbles et d'un exosquelette de préhension. La plate-forme comprend 8 câbles qui sont actionnés par 8 blocs d'actionnement. Chaque bloc contient un moteur électrique, un encodeur rotatif et un capteur de force. Le moteur tire sur le câble, pendant que le capteur de force mesure la tension du câble et l'encodeur détermine sa longueur. Les blocs d'actionnement sont d'une conception novatrice qui augmente la force maximale et la précision de l'interface. L'exosquelette est connecté et actionné par les câbles et permet aux 5 doigts d'une main de l'utilisateur d'accomplir le geste de préhension. L'interface fournit au total 7 degrés d'action pour l'utilisateur en interaction avec les objets virtuels : 3 degrés de translation, 3 degrés de rotation et 1 degré de préhension. L'interface à retour d'effort a été modélisée pour déterminer précisément la distribution des tensions dans les câbles en fonctions des forces et des couples désirés. Les blocs d'actionnement peuvent se déplacer sur un cadre cubique autour de l'environnement virtuel. Une configuration optimale est alors trouvée pour les positions des blocs afin de maximiser l'espace de travail de l'interface. Une méthode de commande hybride basée sur les tensions des câbles, mesurées par les capteurs, est également proposée. Cette méthode mène à résoudre les problèmes classiques des interfaces à câbles. L'application considérée pour cette interface est l'interaction haptique avec l'espace intérieur simulé d'une automobile. Une scène virtuelle correspondante à cette application a été développée et l'interface a été testée dans différents cas de retour d'effort. Les résultats des tests démontrent la performance de l'interface pour fournir des efforts appropriés avec une transparence de mouvement pour l'utilisateur.

Le domaine médical voit apparaître depuis peu des simulateurs pédagogiques, à l'instar de ce qui existe depuis quelques années dans d'autres domaines (aviation, auto-école). En effet, la formation actuelle des chirurgiens se fait à la fois sur des cadavres (ce qui entraîne des difficultés grandissantes et des coûts élevés) et par compagnonnage (avec des chirurgiens expérimentés). Une forte demande est exprimée pour des simulateurs chirurgicaux pédagogiques, surtout dans le domaine de la chirurgie mini-invasive, avec une prise en compte des gestes et des sensations tactiles. Ce travail de thèse, réalisé au Centre de Robotique (CAOR) de l'Ecole des Mines de Paris, couvre deux problématiques importantes pour la réalisation d'un simulateur chirurgical pédagogique : la modélisation temps réel des tissus mous et la réalisation d'un système haptique dédié à la chirurgie virtuelle. Nous nous intéressons à la modélisation temps réel des organes déformables, nous mettons en oeuvre une méthode physique, qui offre la possibilité de paramétrer le modèle à partir de mesures expérimentales, et de construire une solution générique applicable à une grande variété de matériaux. Il s'agit d'une approche issue de la Mécanique des Milieux Continus ; c'est une synthèse entre deux présentations répandues : les massesressorts et les masses tenseurs. Elle se base sur le modèle des matériaux de Saint Venant Kirchhoff qui correspondent à une classe de matériaux hyperélastiques. Une fois modélisé, l'organe virtuel doit interagir avec l'environnement, il s'agit de la détection des collisions (avec les outils) ou auto-collisions (l'organe se plie sur lui-même) ainsi que la gestion de ces collisions. Nous traitons aussi la découpe que peut subir un organe pendant l'opération. Nous présenterons aussi nos travaux de conception et de réalisation du système de retour d'effort dédié à la chirurgie, le « trocart actif ». Notre système présente un avantage majeur sur l'existant, il peut être utilisé pour une grande variété d'opérations chirurgicales endoscopiques. Il s'agit de l'instrumentation du trocart, outil indispensable pour la chirurgie mini-invasive afin d'assurer au maximum que les outils de chirurgie ne heurtent pas la peau à l'endroit de l'incision. Nous l'appelons « trocart actif ». Nous avons optimisé la conception de ce trocart afin de permettre l'utilisation de plusieurs trocarts actifs dans la même opération de chirurgie virtuelle et évidemment afin d'assurer le bon fonctionnement d'un système haptique pour garantir un bon rendement tactile. Avec ce système nous n'imposons pas le choix de l'outil chirurgical au jeune chirurgien. Celui-ci aura le choix de l'outil chirurgical au cours de l'opération.

Le piano est reconnu comme un instrument permettant une grande expressivité musicale. Cette caractéristique est due en grande partie à la finesse dans le contrôle de l'instrument que les pianistes peuvent atteindre. Le mécanisme traditionnel présente une particularité : les éléments responsables du rayonnement sonore sont découplés du pianiste au moment de la génération de la note. Donc, le pianiste ne peut pas agir sur le son au moment ou il l'entend, le contrôle de la nuance de jeu est donc fortement conditionné par le retour tactile – que nous appèlerons toucher – fourni par l'instrument. Le toucher est donc un indicateur de la qualité du clavier.<br /><br />La mécanique d'actionnement communique au marteau le mouvement imposé à la touche par le pianiste. Ce système dynamique complexe formé d'un ensemble de pièces en bois et feutre de laine, liées entre elles par des pivots et des contacts unilatéraux est responsable du toucher. Les pianos numériques actuels sont équipés de mécaniques d'actionnement simplifiées qui produisent un toucher pauvre par rapport à celui d'un piano à queue traditionnel (notamment dans la nuance piano).<br /><br />L'objectif de ce travail est de concevoir un clavier numérique contrôlé capable de reproduire de manière satisfaisante le toucher d'un piano à queue. Pour cela, nous devons dans un premier temps étudier le fonctionnement de la mécanique traditionnelle puis concevoir et contrôler une interface haptique à base de fluide magnéto-rhéologique capable d'un rendu sensoriel de mêmes caractéristiques que celui d'un piano traditionnel.<br /><br />Le modèle dynamique de la mécanique traditionnelle a été réalisé en tenant compte de tous les degrés de liberté du système et des comportements des liaisons pivots et des contacts unilatéraux. Un ensemble de procédures expérimentales ont permis de valider les lois de comportement utilisées dans le modèle et d'obtenir la valeur de tous les paramètres de la modélisation. Finalement, nous avons simulé numériquement le comportement du système dans le cas quasi-statique et dynamique à l'aide de Matlab/Simulink.<br /><br />Par ailleurs, nous avons conçu, modélisé et identifié un nouveau mode opératoire pour fluides magnéto-rhéologiques qui fût utilisé pour la conception de l'interface haptique pour claviers musicaux. L'interface haptique a été modélisée pour obtenir la loi de commande. Cette modélisation a été validée par la comparaison de la simulation numérique du modèle avec les mesures sur le système réel. Finalement nous avons mis en place une procédure de contrôle en temps réel de l'interface qui utilise un modèle virtuel (modèle dynamique de la touche traditionnelle, par exemple) et le modèle de l'interface.