Le contexte de cette thèse est la conception d'assistants robotiques aux gestes chirurgicaux guidés par IRM. Cette conception est rendue délicate par l’environnement qui impose des contraintes de compacité, de légèreté et de compatibilité. La présence du patient dans cet environnement impose également des impératifs de sécurité qui limitent les architectures robotiques viables. Cette thèse vise à évaluer le potentiel applicatif des mécanismes de tenségrité, et plus généralement des systèmes précontraints, qui présentent de nombreuses propriétés intéressantes qui justifient d’envisager leur emploi dans ce contexte, notamment pour leur capacité de raideur variable bénéfique à la sécurité du patient. Afin de juger de la pertinence de leur utilisation, nous nous concentrons sur l’analyse, la conception et la commande de ces systèmes peu connus des roboticiens, étapes nécessaires à leur évaluation. Nos contributions incluent le développement d’outils numériques pour permettre leur analyse, de méthodes de synthèse pour générer des architectures à raideur variable adéquates, et de stratégies de commande pour piloter leur configuration et leur raideur. / This thesis is focused on the design of robotic assistants for MRI-guided surgeries. This design is submitted to several constraints due to the MR-environment, such as compactness, lightness, or compatibility. Safety issues related to the patient within the scanner also restrict the choice of suitable robotic solutions. This thesis thus aims at evaluating the applicative potential of tensegrity mechanisms, and more generally prestressed systems, that exhibit numerous interesting properties for this context. In particular, their stiffness can be adjusted, which is opportune for the patient safety. The relevance of our approach is assessed through the analysis, the design and the control of these systems that are required to fulfil their evaluation. Our contributions include the development of numerical tools for their analysis, synthesis methods for the generation of suitable variable stiffness designs, and control strategies for the simultaneous control of their configuration and their stiffness.

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.

En radiologie interventionnelle, l’assistance robotisée permet de limiter l’exposition du praticien aux rayons X et d’apporter plus de précision pour effectuer des opérations complexes. La présence de robots dans un environnement humain pose alors la question de la sécurité du patient et de l’équipe médicale, que ce soit lors d’interactions ou de manipulations. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux problématiques de sûreté. Une structure d’actionnement intrinsèquement sûre est proposée. Le prototype réalisé permet d’effectuer des tâches de positionnement en mode automatique. Parallèlement, une stratégie de guidage basée sur une approche passive est proposée. Un système à raideur variable permet d’imposer un effort résistif variable à l’utilisateur en vue de contraindre son geste. Dans une deuxième partie, nous étudions la possibilité d’intégrer de tels systèmes sur un dispositif à plusieurs degrés de liberté, répondant au problème de placement d’aiguille. / In the context of interventional radiology, robotic-assisted surgery limits practitioners’ exposure to radiations and brings more accuracy to perform complex interventions. However, the presence of robot in the environment is a potential danger for the patient and the medical staff in case of unexpected interactions and manipulations.In this PhD thesis, we first focus on safety problems. An intrinsically safe mechanism is proposed. The achieved prototype allows to follow both planned trajectories and moving environments.Secondly, a guidance mechanism based on a passive approach is suggested. With a variable stiffness system, using a compliant mechanism, a resistive force is applied to the user which allows him to be guided in his gesture.Based on medical needs, we then study the possibility to integrate and generalize such systems to multiple degrees of freedom.

Ces travaux de thèse apportent plusieurs contributions à la conception de dispositifs d'assistance robotisés pour la réalisation de procédures d'insertion d'aiguille sous imageur à rayons X. Partant de la tâche de positionnement et d'orientation d'une aiguille, plusieurs architectures mécaniques inédites à quatre degrés de liberté ont été proposées. Un algorithme de synthèse dimensionnelle a été conçu pour calculer les paramètres structuraux de ces mécanismes en étudiant leurs singularités, tout en tenant compte des contraintes antagonistes de compacité du système, de capacité d'actionnement et de taille d'espace de travail. Une décomposition modulaire du dispositif d'assistance a permis de proposer des solutions pour un outil dédié à l'insertion d'aiguille avec retour d'effort. Cet outil comporte un dispositif d'insertion, un système de préhension d'aiguille et un capteur d'effort spécifique pour le retour d'effort. / This thesis focuses on finding solutions for the design and the technological bottlenecks involving development of a slave robotic assistant for needle insertion procedures. The needed functionalities for the slave device were sought to be achieved by adopting a modular approach. This required the design and the development of different devices which satisfy targeted functionalities. A study of needle positioning devices was carried out which led to the synthesis of novel mechanisms for the task of needle axis translation and the needle axis orientation. A novel dimensional synthesis algorithm was developed to calculate the structural parameters of these mechanism while studying their singularities and considering the antagonistic constraints of system compactness, actuation torques and workspace size. The modular decomposition also allowed to offer solutions for an insertion tool dedicated to needle insertion with force feedback. This insertion tool consists of a device for inserting the needle, a device for grasping the needle and a force sensor for force feedback.

La radiologie interventionnelle percutanée permet le diagnostic ou le traitement de tissus cancéreux grâce à l'utilisation d'aiguilles et d'un guidage par imageur. Bénéfique pour le patient, ce type de procédure clinique est en revanche complexe pour le radiologue. Afin de lui apporter une assistance et de contrôler l'aiguille de manière déportée, nous proposons dans ces travaux de réaliser des dispositifs robotisés compliants, donc monoblocs, et multi-matériaux en exploitant la fabrication additive multi-matériaux. Pour y parvenir, nous proposons plusieurs solutions pour réaliser les fonctions cinématique, d'actionnement et de perception. En particulier, nous proposons une nouvelle liaison compliante, la liaison HSC, ainsi qu'un nouvel actionneur pneumatique pour l'insertion d'aiguille. Nous démontrons finalement les apports de la fabrication additive pour la robotique médicale en combinant l'ensemble de ces solutions dans un dispositif assurant un contrôle à distance de l'aiguille. / Percutaneous interventional radiology permits the diagnosis or the treatment of cancer tissues thanks to the use of needles and imaging devices. Being minimally invasive, such procedures are beneficial for the patient, but for the radiologist, they are highly complex. In order to assist the physician and remotely control the needle, we propose in this work the design and the manufacturing of multi-material compliant devices by taking advantage of multi-material additive manufacturing. To perform the design of such device, we propose several solutions in terms of kinematics, actuation and sensing. In particular, we developed a new compliant joint, the HSC joint, as well as a new pneumatic actuator for needle insertion. In the end, we demonstrate in the thesis the contributions of multi-material additive manufacturing for medical robotics, by combining all those solutions into a single device that remotely controls both the orientation and the insertion of the needle

Les avancées technologiques ont ouvert la voie à des approches de biopsie optique innovantes. Elles permettent à l'inverse des méthodes physiques de profiter des avantages d'une procédure mini-invasive, temps réels et répétitive. Le système de tomographie par cohérence optique (OCT) (la technique de biopsie optique utilisée dans cette thèse) propose des approches qui naviguent dans le corps humain grâce à des sondes endoscopiques robotisées. Toutefois, leur contrôle une fois à l’intérieur du corps devient difficile, surtout si l’objectif est de suivre l’évolution d'une zone cible, en faisant un travail de repositionnement dans le temps. L'asservissement visuel est un outil de choix pour le contrôle et le positionnement directement par l'image. Néanmoins, la richesse des informations présentes dans les images autorisent l'utilisation de plusieurs types d'information visuelle. Dans ce contexte, nous proposons l'utilisation de primitives visuelles innovantes fondées sur les ondelettes. Ainsi, deux approches d'asservissements visuels fondées sur les ondelettes ont été développées. La première approche est un asservissement visuel 2D pose fondé sur les ondelettes spectrales continues qui assure une convergence sur un espace plus important avec une bonne robustesse au bruit et une commande découplée. La deuxième est un asservissement visuel 2D direct fondé sur les ondelettes multirésolution, principalement pour faire du positionnement aux petits déplacements. Par ailleurs, la deuxième méthode couvre les 6 DDL quand la première se limite aux 3 DDL dans les images CCD. De plus, ces deux approches ont prouvé leurs aptitudes à faire du positionnement des coupes OCT. Mais encore, nous avons proposé une méthode de positionnement partitionnée que nous pouvons qualifier d'hybride, car elle exploite deux modalités d'images (OCT - CCD) pour assurer un positionnement sur SE(3) d'un échantillon. De même, nous avons proposé une méthode d'étalonnage des images de coupe et de volume OCT, liée aux distorsions générées par le chemin optique parcouru par le faisceau laser OCT. Finalement, ces travaux ouvrent la voie vers des applications dans le positionnement des volumes OCT, la compensation de mouvement physiologique et le suivi d'outils par des images OCT. / The technological advances have facilitated the optical biopsy approaches, unlike physical methods to take advantage of a minimally invasive, real time and repetitive procedure. The optical coherence tomography system is one of the optical biopsy techniques used in this thesis to prospect in the human body with robotized OCT endoscopic probes. Nevertheless, their control once inside the body becomes difficult, especially if the goal is following changes in the target area. The visual servoing is an ideal tool for the control and positioning of the robot. However, the amount of information present in the images allows the use of several types of visual features. In this thesis, we propose to use an innovative visual servoing feature based on wavelets. This representation developed as the evolution of the Fourier transform for non-stationary signals provides a time-frequency representation of the signal with a better extraction of the relevant information. Indeed, two visual servoing approaches based on wavelets were developed. The first approach is a 2D pose visual servoing based on spectral continuous wavelets, which ensures convergence over a larger area and decoupled control. The second is a direct 2D visual servoing based on multiresolution wavelets, mainly for small displacements positioning. However, the latter covers the 6 DOF when the previous one is limited to 3 DDL with a CCD camera. Both approaches have proven their ability to make the positioning of B-Scan OCT images. After that, we have proposed a method of partitioned positioning, that we can qualify by hybrid because it uses two image modalities to ensure SE(3) positioning of a sample. On the other side, we proposed a calibration method of B-Scan and 3D-Scan OCT images, due to the distortions generated by the optical path of the laser beam in OCT. Finally, these thesis is a beginning work for applications in positioning of 3D-Scan OCT, physiological motion compensation and monitoring tools by OCT images.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotique pour la chirurgie mini-invasive télé-opérée. L'une des principales limitations des systèmes existants concerne l'absence de restitution des efforts au chirurgien lorsqu'il télé-opère le robot. Ainsi, un système de télé-opération avec retour d'effort est proposé. Il est basé sur une architecture position - position avec une commande en effort du robot esclave. Cette dernière utilise un découplage non-linéaire du robot ainsi que des techniques d'observation et de commande par retour d'état. Des validations expérimentales ont montré les performances de l'architecture lors d'une télé-opération en espace libre et lors d'interactions avec un environnement de faible rigidité. Une première contribution est l'estimation en ligne de la raideur de l'environnement afin de garantir la stabilité du système lors d'interactions avec un environnement rigide. Cette stratégie utilise un filtre de Kalman étendu qui s'affranchit de la position de repos de l'environnement et qui considère une compensation des erreurs de modélisation du robot esclave. La deuxième contribution est l'étude de la transparence et de la stabilité de l'architecture de télé-opération. Une adaptation des paramètres de commande en fonction de la raideur estimée est proposée en considérant un compromis entre ces deux critères. La structure a été validée expérimentalement en considérant un environnement constitué de tissus ex-vivo. Une dernière contribution est l'adaptation de l'architecture de télé-opération avec retour d'effort aux contraintes imposées par la chirurgie mini-invasive. La première est le passage de l'instrument du robot par le trocart. Une architecture de commande utilisant le principe du découplage tâche - posture est alors proposée. La posture permettant le passage par le trocart est contrôlée en considérant la commande en position d'un robot virtuel attaché à l'instrument du robot télé-opéré. La deuxième contrainte considérée est la compensation des mouvements physiologiques. L'objectif étant d'offrir au chirurgien une stabilisation virtuelle de l'organe. L'approche de commande consiste à atténuer les perturbations dans les efforts appliqués sur un environnement en mouvement. La compensation repose sur une commande référencée modèle qui considère que les perturbations atténuées génèrent un déplacement du robot esclave. Des expérimentations ont montré la pertinence et l'efficacité des stratégies proposées.

L'intégration de systèmes robotiques au sein du bloc opératoire a modifié le déroulement de certaines interventions, laissant ainsi place à des pratiques favorisant le bénéfice médical rendu au patient en dépit des aspects conventionnels. Dans ce cadre, de récentes études de la Haute Autorité de Santé ont mis en avant les effets indésirables graves intervenant au cours des procédures chirurgicales robotisées. Ces erreurs, majoritairement dues aux compétences techniques du praticien, remettent ainsi en cause la formation et les techniques d'apprentissage pour la chirurgie robotisée. Bien que l'utilisation abondante de simulateurs facilite cet apprentissage au travers différents types d'entraînement, le retour fourni à l'opérateur reste succinct et ne lui permet pas de progresser dans de bonnes conditions. De ce fait, nous souhaitons améliorer les conditions d'entraînement en chirurgie laparoscopique robotisée. Les objectifs de cette thèse sont doubles. En premier lieu, ils visent le développement d'une méthode pour la segmentation et la reconnaissance des gestes chirurgicaux durant l'entraînement en se basant sur une approche non-supervisée. Utilisant les données cinématiques des instruments chirurgicaux, nous sommes capables de reconnaître les gestes réalisés par l'opérateur à hauteur de 82%. Cette méthode est alors une première étape pour l'évaluation de compétences basée sur la gestuelle et non sur l'ensemble de la tâche d'entraînement. D'autre part, nous souhaitons rendre l'entraînement en chirurgie robotisée plus accessible et moins coûteux. De ce fait, nous avons également étudié l'utilisation d'une nouvelle interface homme-machine sans contact pour la commande des robots chirurgicaux. Dans ces travaux, cette interface a été couplée au Raven-II, un robot de téléopération dédié à la recherche en robotique chirurgicale. Nous avons alors évalué les performances du système au travers différentes études, concluant ainsi à la possibilité de téléopérer un robot chirurgical avec ce type de dispositif. Il est donc envisageable d'utiliser ce type d'interface pour l'entraînement sur simulateur afin de réduire le coût de la formation, mais également d'améliorer l'accès et l'acquisition des compétences techniques spécifiques à la chirurgie robotisée. / Integration of robotic systems in the operating room changed the way that surgeries are performed. It modifies practices to improve medical benefits for the patient but also brought non-traditional aspects that can lead to serious undesirable effects. Recent studies from the French authorities for hygiene and medical care highlight that these undesirable effects mainly come from the surgeon's technical skills, which question surgical robotic training and teaching. To overcome this issue, surgical simulators help to train practitioner through different training tasks and provide feedback to the operator. However the feedback is partial and do not help the surgeon to understand gestural mistakes. Thus, we want to improve the surgical robotic training conditions. The objective of this work is twofold. First, we developed a new method for segmentation and recognition of surgical gestures during training sessions based on an unsupervised approach. From surgical tools kinematic data, we are able to achieve gesture recognition at 82%. This method is a first step to evaluate technical skills based on gestures and not on the global execution of the task as it is done nowadays. The second objective is to provide easier access to surgical training and make it cheaper. To do so, we studied a new contactless human-machine interface to control surgical robots. In this work, the interface is plugged to a Raven-II robot dedicated to surgical robotics research. Then, we evaluated performance of such system through multiple studies, concluding that this interface can be used to control surgical robots. In the end, one can consider to use this contactless interface for surgical training with a simulator. It can reduce the training cost and also improve the access for novice surgeons to technical skills training dedicated to surgical robotics.

Ces travaux portent sur l'étude et l'élaboration de méthodes d'asservissement visuel utilisant les images échographiques. L'asservissement visuel consiste à commander les mouvements d'un système dynamique, généralement un robot, à partir d'informations visuelles extraites de l'image fournie par un capteur embarqué ou observant le système. Dans ce contexte, très peu de travaux avaient été menés sur l'utilisation de l'image fournie par un capteur échographique et les méthodes existantes permettaient uniquement de contrôler les mouvements dans le plan de coupe du capteur. En effet, il est important de noter qu'une sonde échographique 2D a la particularité de fournir une information complète dans son plan d'observation mais de ne fournir aucune information en dehors de ce plan. A la différence, une caméra fournit une projection de la scène 3D vers une image 2D. De ce fait, les méthodes d'asservissement visuel basées sur la modélisation de l'interaction entre une caméra et son environnement ne peuvent être appliquées directement à la modalité échographique. Il faut également noter qu'une problématique importante est l'extraction en temps réel des informations visuelles, nécessaires à la commande d'un système robotique, à partir des images échographiques qui sont par nature très fortement bruitées. Nous avons par conséquent apporté des solutions génériques pour permettre le contrôle complet des déplacements d'une sonde embarquée sur un robot à 6 degrés de liberté en utilisant directement les images échographiques. Deux démarches principales ont été menées pour atteindre cet objectif. La première a porté sur le choix et la modélisation exacte des informations visuelles géométriques qu'il est possible d'extraire en temps réel à partir des images échographiques 2D et qui sont pertinentes pour la réalisation d'une tâche de positionnement d'une sonde robotisée. Nous avons plus particulièrement considéré des informations géométriques de type points, contours et moments de la section d'un organe d'intérêt. Des modèles simplifiés ou estimés en ligne de la forme des objets observés ont été considérés pour déterminer la variation des informations géométriques introduite par les mouvements effectués en dehors du plan de coupe de la sonde. Cette modélisation a permis de déterminer la loi de commande à appliquer au robot porteur de sonde pour atteindre automatiquement la coupe échographique présentant l'information visuelle désirée. La seconde démarche a porté sur l'exploitation de l'information dense de l'image échographique en vue de s'affranchir de l'étape de segmentation. Dans une première approche, l'information de corrélation de la texture de type " speckle " présente dans l'image échographique a été considérée pour réaliser la poursuite de tissus en mouvement par la sonde échographique. Une approche alternative a également été proposée où les informations visuelles choisies en entrée de la commande du système correspondent directement à la valeur d'intensité d'un ensemble de pixels de l'image. La variation de ces informations en fonction du mouvement de la sonde a été modélisée afin de mettre en œuvre des asservissements visuels capables de réaliser des tâches de positionnement ou de suivi de coupes anatomiques. Cette méthode a en outre été étendue pour différents types de capteurs ultrasonores (2D, 3D, bi-plans). Les applications qui découlent de ces travaux se situent principalement dans le domaine de l'assistance à l'examen échographique. Elles concernent d'une part le positionnement automatique de la sonde sur une section anatomique désirée. D'autre part, les applications traitées portent également sur la stabilisation active de l'image échographique. A cette fin, différentes approches ont été mises en œuvre pour compenser le mouvement de tissus mous en synchronisant les déplacements de la sonde par asservissement visuel échographique.

Il y a une trentaine d'années, l'apparition de la technologie endoscopique a ouvert la voie à la chirurgie mini-invasive. Cette nouvelle approche permet de diminuer fortement la taille des incisions et des cicatrices, réduisant le traumatisme per- et post-opératoire et le risque d'infection. Les avantages en termes de douleur et d'esthétique ont contribué à l'expansion rapide de la laparoscopie en urologie, gynécologie et chirurgie digestive. Mais si cette technique offre de nombreux avantages au patient, elle complique les gestes chirurgicaux. En particulier, la manipulation manuelle du laparoscope pose de nombreux problèmes ergonomiques. Notre objectif est de concevoir un dispositif porte-laparoscope robotisé permettant au chirurgien de télécommander celui-ci. Partant de cette demande initiale, cette thèse s'attache tout d'abord à étudier en détail la chirurgie laparoscopique, en collaboration avec des praticiens. Par la clarification des problèmes auxquels ils sont confrontés, un cahier des charges de dispositif est construit. Ensuite, les choix fondamentaux de la structure du robot sont posés. La conception des différents sous-ensembles de la solution suit une démarche rationnelle, jusqu'à la réalisation d'un prototype. Une attention particulière est portée à l'ergonomie générale du système et de son interface de commande. Un essai clinique expérimental clôture ce travail et valide le principe de solution retenu. Nous proposons enfin quelques pistes d'amélioration du robot et une série d'études et d'essais complémentaires, et revenons sur les objectifs initialement identifiés, à la lumière des résultats engrangés et de l'expérience acquise au long de cette recherche.