Depuis son apparition la robotique chirurgicale s’avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d’un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l’espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d’une tumeur témoin, et la réalisation d’un démonstrateur offre des perspectives d’expérimentations en conditions simulées. / Since the beginning of surgical robotics, surgical robots continue to find their place in clinical routine. They improve the quality and safety of operations, and comfort for the surgeon. This work addresses the design, modeling and path planning of a robotic system for brain tumor resection. The characterization of the surgical task (adaptability to the high diversity of tumor shapes, limited and evolving workspace) points out the requirements for the robot design and resection path planning. A modular robot with seven degrees of freedom is selected (high dexterity) and is actuated by wires. A kinematic (geometric) model is built.Motion planning of the redundant robot in evolving and path depending workspace is based on an interactive path planning. The method uncouples the degrees of freedom and defines elementary procedures, which are assembled in an arbitrary sequence by the neurosurgeon.A discretization method allows computing the procedure space that presents the possible locations, orientations and sizes of resected areas with respect to the robot limitations to bound procedure choices. A simulation on a real tumor case reveals that the chosen robotic concept associated to the interactive motion planning method allows removing the tumor for the most part. A demonstrator is realized and will provide opportunities for experiments in simulated conditions.

Parce que la robotique collaborative vise à libérer les robots des barrières physiques les séparant des opérateurs humains, de nouveaux défis apparaissent autour de la sécurité de ces derniers. S'il est possible de diminuer la dangerosité des robots en amont de leur conception, les logiciels qui les contrôlent doivent impérativement intégrer des mesures de sécurité, afin d'être compatibles avec des environnements humains dynamiques. Les algorithmes classiques de planification de trajectoire nécessitant de lourds calculs, il est avantageux de modifier la trajectoire en temps réel pour l'adapter à l'environnement dangereux. Dans ce projet de recherche, un algorithme de cinématique inverse, sous forme de problème d'optimisation, est utilisé afin de générer la commande du robot à partir d'une trajectoire définie hors-ligne. L'ajout de contraintes de sécurité à ce problème est particulièrement étudié : dans un premier temps, l'indice de manipulabilité, qui traduit la distance du robot à une configuration singulière, est considéré. Ainsi, il doit être maximisé tout au long de la trajectoire afin d'assurer la meilleure mobilité disponible. Dans un deuxième temps, le facteur humain a été intégré par la prise en compte du confort de celui-ci : afin de réduire le stress éprouvé par l'opérateur face à un robot aux mouvements imprévisibles, on s'assure de minimiser la distance entre l'effecteur et le regard de l'humain pour garantir une plus grande visibilité de la tâche. Dans les deux cas, nous avons présenté une formulation originale de ces critères afin de les intégrer dans le problème d'optimisation. Par ailleurs la contrainte d'évitement d'obstacles a aussi été utilisée, de même que la relaxation de la trajectoire, qui permet au robot de dévier un peu de cette dernière pendant une portion de la durée de la tâche. Enfin des tests en simulation et avec le robot réel Baxter de Rethink Robotics ont permis de valider notre approche et de vérifier les performances en conditions réelles, en utilisant une caméra RGB-D et un logiciel de détection d'humain en temps réel. / Abstract : Because collaborative robots are aimed at working in the vicinity of human workers without physical security fences, they bring new challenges about security. Even if robots can be conceived to be less harmful, their software has to integrate security features in order to be suitable for dynamic human environments. Since classical path planning algorithms require heavy calculations, it is interesting to modify the trajectory in real time to adapt it to the dangerous environment. In this research project, an inverse kinematics solver, in the form of an optimization problem, is used to generate the command of the robot to follow a trajectory defined offline. The addition of security constraints is studied: first, the manipulability index, which reflects the distance of the robot to singular configurations, is considered. Thus, it should be maximized all along the trajectory to ensure the best mobility available. Then the human is integrated by taking into account its comfort: in order to reduce the stress of working near an unpredictable moving robot, the distance between the end-effector and the human gaze is minimized to guarantee a greater visibility of the task. In both cases, we have presented a new formulation of those criteria to integrate them into the optimization problem. Moreover, the collision avoidance constraint is used, as well as the trajectory relaxation, which allows the robot to deviate from its trajectory for a certain amount of time during the task. Finally tests in simulation and with the real Baxter robot from Rethink Robotics validated our approach and the performance has been evaluated in real conditions, using a RGB-D camera and a real time human tracker software.

Pour améliorer le traitement endovasculaire des anévrysmes de l'aorte, nous préconisons d'adjoindre aux cathéters existants un nouveau micro-robot qui leurs confère une compliance active. Ce nouvel outil, nommé MALICA (Multi Active LInk CAtheter), est un robot hybride à déformation continue. Nous établissons son modèle statique direct sous forme analytique généralisable à un empilement de plusieurs robots. Son expression permet ensuite de calculer le modèle différentiel. Une étude de ses caractéristiques géométriques est alors menée (volume de travail, dextérité). Grâce à l'optimisation sous contraintes d'une fonction objective, nous parvenons à résoudre le modèle statique inverse de MALICA qui gère sa redondance intrinsèque. Nous mettons finalement en œuvre une commande en orientation par modèle variationnel d'un micro-robot. Nous évaluons ses performances dans différents cas de suivi de trajectoires et pour différents critères d'optimisation (courbure, énergie).

Depuis son apparition la robotique chirurgicale s'avère bénéfique pour les patients et pour les praticiens car elle améliore la qualité des opérations. Ces travaux de thèse portent sur la conception, la modélisation et la planification de mouvements d'un système robotique destiné à réséquer une tumeur cérébrale. La définition des contraintes liées à la tâche de résection de tumeur (adaptabilité aux différentes formes de tumeurs et espace de travail restreint et évolutif) met en évidence la problématique liée à la conception du robot et à sa stratégie de résection. La conception modulaire retenue utilise des câbles et dispose de sept degrés de liberté. Une modélisation géométrique de la solution est proposée. La planification de trajectoire du robot redondant dans un environnement dynamique qui dépend de sa trajectoire est basée sur un principe de génération interactive. Elle utilise un découplage des degrés de liberté du robot et définit des procédures élémentaires qui pourront être choisies et assemblées par le neurochirurgien. Une méthode par discrétisation est proposée pour déterminer l'espace des procédures adaptées au robot et limiter le choix du chirurgien aux procédures effectivement réalisables. Une simulation montre que la solution robotique associée à la méthode interactive de génération de trajectoire permet de réséquer une grande partie d'une tumeur témoin, et la réalisation d'un démonstrateur offre des perspectives d'expérimentations en conditions simulées.