Le travail mené dans cette thèse est une contribution au développement mécatronique d'interfaces haptiques pour un système de télé-opération dédié aux applications médicales du type chirurgie mini-invasive. Dans un premier temps, nous avons mené une évaluation d'une interface « maître » existante, ayant une architecture parallèle sphérique et développée au sein de l'équipe robotique de l'Institut PPRIME. Cette évaluation a montré la présence de singularités, en particulier des singularités parallèles, à l'intérieur de l'espace du travail de l'interface. La présence de singularités altère le comportement cinématique en amplifiant les erreurs de résolution du modèle géométrique direct d'une part et les couples actionneurs lors du retour d'effort d'autre part. Dans un deuxième temps, différentes approches ont été proposées pour résoudre les problèmes liés à la présence des singularités. La première approche a consisté à utiliser la redondance de capteurs et la redondance d'actionneurs pour palier à ces effets dans la structure existante. Dans la seconde approche, nous avons proposé une nouvelle architecture mécanique optimale qui élimine les singularités présentent dans l'espace de travail. Les résultats obtenus, avec cette nouvelle structure à travers les essais expérimentaux réalisés sur le prototype, sont conformes aux objectifs fixés. Les deux interfaces haptiques ont été utilisées pour contrôler avec succès un robot dédié à la chirurgie mini-invasive. Le comportement du système global « robot esclave interface haptique » ouvre des perspectives prometteuses aussi bien pour de futures études scientifiques que pour un transfert industriel. / A contribution for a development of haptic devices for tele-operation system is presented in this thesis. This device is dedicated for medical applications such as minimally invasive surgery tasks. In one first step, an evaluation of the existing master device is carried out. This device has a spherical parallel architecture and has been developed within the robotics team of PPRIME Institute. The evaluation of this device has shown the presence of parallel singularities located in its workspace. This singularity alters the kinematic behavior of the structure by amplifying the errors in solving the forward kinematics and amplifying the actuator torques for the haptic feedback. In a second step, different approaches have been proposed to solve the problems related to the presence of the singularities. The first approach consists in using redundancy of sensors and actuators for the existing structure in order to overcome the effects of singularities. In the second approach, we have proposed a new optimal mechanical architecture that eliminates the singularity. The results obtained with this new structure through the experimental testing of the prototype, are in accordance with the expected ones. The two haptic devices have been used to successfully control a robot dedicated to minimally invasive surgery. The behavior of the overall system "robot and haptic device" opens up promising prospects for future studies as well as for industrial transfer.

L'apparition de la télé-échographie à la fin des années 1990 a largement contribué à l'améliorationdes capacités de prise en charge des patients. Aujourd'hui, le laboratoire PRISME bénéficie d'unsavoir faire reconnu dans la conception de systèmes de télé-échographie robotisée. L'objectif deces travaux de thèse est d'apporter une contribution scientifique et technique au projet ANR-PROSIT,qui vise à la mise en oeuvre d'un robot de télé-échographie innovant. Une étude du geste du praticienen milieu clinique a été menée afin d'en déterminer les caractéristiques cinématiques. Réalisée àl'aide du système de capture de mouvement Vicon Nexus, cette analyse a contribué à l'établissementdes spécifications du futur robot. Sa structure mécanique a fait l'objet d'une attention particulière. Unearchitecture parallèle sphérique a été sélectionnée, étudiée puis optimisée via un algorithmegénétique en fonction des critères d'espace de travail, de dextérité et de compacité. L'architectureainsi obtenue est ensuite analysée sur des aspects de collisions et d'inaccessibilité. Pour le contrôlede ce robot, l'utilisation d'une interface haptique à l'aspect proche d'une sonde d'échographie estproposée. Dotée d'un système de retour d'effort et d'une centrale inertielle fiabilisée par un filtre deKalman adaptatif, cette nouvelle interface a été testée et validée par le système Vicon Nexus.

L'objectif de ce travail est de concevoir une nouvelle interface haptique en vue de son exploitation pour la chirurgie mini-invasive. La technique d'anastomose ciblée consiste à réunir deux parties désolidarisées d'une artère par des sutures et des nœuds. Ceci est effectué par des outils chirurgicaux introduits à travers de petites incisions. Une étude expérimentale de cette tâche a été effectuée en collaboration avec des chirurgiens afin de caractériser leurs gestes. L'enregistrement de l'opération par un système de capture de mouvement a permis d'identifier la nature et les gestes canoniques de cette technique. Une structure parallèle sphérique a été ensuite adoptée comme base de l'interface haptique. Cette architecture présente un centre fixe de rotation semblable au point d'incision réel et offre les trois degrés de liberté de rotation nécessaires autours de ce point. Une étude détaillée de cette architecture suivie d'une phase d'optimisation, a permis d'adapter la structure à l'application chirurgicale. L'optimisation, basée sur un algorithme générique, a porté dans un premier lieu sur l'espace de travail de la tâche. La dextérité de la structure a été ensuite prise en compte. Une phase de conception basée sur les paramètres résultants de cette optimisation a aboutie à la réalisation d'un premier prototype. L'influence des erreurs de fabrication sur l'orientation de la plateforme a été aussi traitée dans ce travail afin de déterminer les plages des défauts admissibles. Une modélisation, utilisant les torseurs de petits déplacements, a été élaborée.La dernière partie de ce travail porte sur la commande a retour d'effort de l'interface. Un banc d'essais à 1 degré de liberté a été réalisé afin de tester les différents schémas de contrôle pour la téléopération. Les essais en simulation on permit de dresser une vue comparative de ces schémas. / The aim of this work is to develop a new haptic interface to perform a minimally invasive surgery. The targeted anastomosis technique consists of the surgical binding of a ruptured blood vessel, using sutures and knots. This task is performed by surgical tools inserted through small incisions. An experimental study of this task was conducted in collaboration with surgeons in order to characterize their gesture. The recording of the operation by a motion capture system helped identifying the nature and the canonical actions of this technique. A spherical parallel mechanism (SPM) was then adopted as a basis for the haptic interface. This architecture has a fixed center of rotation similar to the real incision point and offers the three required degrees of freedom of rotation around that point. A detailed study of the architecture followed by an optimization procedure led to a suitable mechanism for the surgical application. The optimization, which is based on a generic algorithm, used the workspace of the task as a criterion. Then the dexterity of the structure was taken into account. A design phase based on the parameters resulting from this optimization led to building the first prototype.The influence of manufacturing errors on the orientation of the platform was also addressed in this work to determine the ranges of allowable defects. The manufacturing errors are modeled by screws of small displacement in order to determine their effect on the orientation error of the end effector. The last part of this work focuses on the command of the force feedback interface. An experimental setup made out of a one degree of freedom system, was built to test different control schemes for teleoperation. Simulation trials allowed developing a comparative view of these schemes.

L’apparition de la télé-échographie à la fin des années 1990 a largement contribué à l’améliorationdes capacités de prise en charge des patients. Aujourd’hui, le laboratoire PRISME bénéficie d’unsavoir faire reconnu dans la conception de systèmes de télé-échographie robotisée. L’objectif deces travaux de thèse est d’apporter une contribution scientifique et technique au projet ANR-PROSIT,qui vise à la mise en oeuvre d’un robot de télé-échographie innovant. Une étude du geste du praticienen milieu clinique a été menée afin d’en déterminer les caractéristiques cinématiques. Réalisée àl’aide du système de capture de mouvement Vicon Nexus, cette analyse a contribué à l’établissementdes spécifications du futur robot. Sa structure mécanique a fait l’objet d’une attention particulière. Unearchitecture parallèle sphérique a été sélectionnée, étudiée puis optimisée via un algorithmegénétique en fonction des critères d’espace de travail, de dextérité et de compacité. L’architectureainsi obtenue est ensuite analysée sur des aspects de collisions et d’inaccessibilité. Pour le contrôlede ce robot, l’utilisation d’une interface haptique à l’aspect proche d’une sonde d’échographie estproposée. Dotée d’un système de retour d’effort et d’une centrale inertielle fiabilisée par un filtre deKalman adaptatif, cette nouvelle interface a été testée et validée par le système Vicon Nexus. / Since the end of the nineties, the tele-echography has been contributing to improve the taking carecapacities of patients. Today, the PRISME laboratory has a recognized expertise in the design ofrobotic tele-echography systems. The objective of this thesis is to provide scientific and technicalsupport to the ANR-PROSIT project. It aims to design of an innovative tele-echography robot. Anexpert gesture study has been carried out in clinical environment to determine its kinematiccharacteristics. It has been performed using the motion capture system Vicon Nexus and itcontributed to establish the specifications of the future robot. The mechanic structure of this robot hasbeen minutely taken in consideration. The spherical parallel mechanism has been selected, studiedand optimized using a genetic algorithm with respect of criterion such as workspace, dexterity andcompacity. The resulted architecture is then analyzed regarding collisions and inaccessibilityaspects. To control this robot, the use of a haptic device with the same shape of an ultrasound probeis proposed. It provides force feedback and it is instrumented with an inertial measurement unit,processed by an adaptative Kalman filter. This new interface has been tested and validated by ViconNexus system.