L'introduction de systèmes robotisés dans les salles opératoires a fait évoluer la chirurgie moderne, ouvrant aux chirurgiens de nouvelles possibilités. La présence de tels systèmes en salle opératoire croît chaque année. Les progrès des robots médicaux sont étroitement liés au développement de nouvelles techniques permettant de mieux contrôler les interactions entre la machine et les tissus biologiques. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une commande en force basée sur un modèle, conçue pour améliorer la stabilité et la robustesse du contrôle en vue d'applications médicales. Une étude sur la modélisation des tissus mous ainsi que le choix d'un modèle compatible temps-réel sont présentés. Après cette analyse, le modèle de Kelvin Boltzmann a été choisi et implémenté dans le schéma de contrôle en force proposé, basé sur des observateurs actifs. La stabilité et la robustesse de la commande sont analysées en théorie et au travers d'expérimentations. Les performances de la commande en force sont également mesurées, en tenant compte des perturbations dues aux mouvements physiologiques. Finalement, afin d'améliorer la qualité du rejet des perturbations, une boucle de commande supplémentaire est ajoutée au moyen d'une estimation des perturbations basée sur le modèle de Kelvin Boltzmann et des séries de Fourier. / The introduction of robotic systems inside the operating room has changed the modern surgery, opening new possibilities to surgeons. The number of robotic systems inside the operation room is increasing every year. The progress of medical robots are associated to the development of new techniques to better control the interaction between the robot and living soft tissues. This thesis focus on the development of a model based force control designed to improve stability and robustness of force control addressed to medical applications. A study of soft tissue modeling is presented and a suitable model to be used in a real-time control is selected. After the analysis, the Kelvin Boltzmann model was chosen to be inserted in the proposed force control scheme based on Active Observers. Stability and robustness are theoretically and experimentally analyzed. The performance of the proposed force control is also investigated under physiological motion disturbances. At the end, to improve the disturbance rejection capability, an extra control loop is added using a disturbance estimation based on the Kelvin Boltzmann model and a Fourier series.

Il existe aujourd'hui de nombreux systèmes robotiques commerciaux pour l'assistance au geste chirurgical. Les interventions d'orthopédie, de neurologie, de chirurgie laparoscopique ou cardiaque peuvent désormais être assistées par des systèmes mécaniques et informatiques. Depuis les premiers robots d'aide au geste chirurgical dérivés des robots industriels, aux robots actuels, l'objectif est de développer des systèmes d'aide aux gestes médicaux et chirurgicaux qui apportent des bénéfices importants au chirurgien et au patient. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse plus particulièrement à l'aide au geste chirurgical en chirurgie mini-invasive robotisée. La problématique abordée est de permettre à un robot chirurgical de compenser mécaniquement les mouvements physiologiques de l'organe ou du tissu opéré, afin de proposer au chirurgien une zone de travail virtuellement immobile. En effet, ces mouvements sont des perturbations pour le chirurgien qui télé-manipule un robot, car il doit les compenser lui-même à chaque fois qu'une tâche précise est requise à la surface d'un organe ou d'un tissu, en les accompagnant manuellement quand c'est possible. Ceci limite aujourd'hui le développement, entre autres, des opérations à coeur battant. L'objectif est de proposer un système de commande qui permette au robot de se déplacer de façon synchronisée avec l'organe et d'accompagner ainsi son mouvement. Ce travail se restreint aux mouvements physiologiques dus à la respiration et aux battements du coeur. Ceux-ci sont périodiques avec une période qui ne varie pas pendant l'intervention. Le principe utilisé pour commander le déplacement du robot est celui de l'asservissement visuel direct rapide, où les images d'une caméra d'observation endoscopique sont traitées en temps réel, avec une cadence d'asservissement jusqu'à 500 images par seconde. Le robot est commandé à l'aide de lois de commande prédictives dans lesquelles des modèles internes simples du robot et des mouvements à filtrer sont inclus. Les développements présentés dans cette thèse sont illustrés par deux ensembles de résultats, pour la compensation des mouvements respiratoires du foie d'une part, et le suivi du coeur battant d'autre part. Des dispositifs expérimentaux ont été mis en place autour d'un robot médical Aesop (Computer Motion, USA) et un prototype de robot chirurgical de la société Sinters de Toulouse. Des expériences de laboratoire et des tests in vivo en conditions chirurgicales réelles ont été réalisés.