Contribution to the stiffness and transparency improvement of a haptic interface used for surgical cobotic applications

par Ziad Jabbour

Thèse de doctorat en Automatique, traitement du signal

Sous la direction de Gérard Champenois, Sandrine Moreau et de Alain Riwan.

Soutenue en 2010

à Poitiers , en partenariat avec École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers) (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Contribution à l'amélioration de la raideur et de la transparence d'une interface haptique utilisée pour des applications de cobotique chirurgicale


  • Résumé

    Un cobot chirurgical est un système développé pour empêcher les chirurgiens d'endommager les structures anatomiques sensibles. Le cobot permet au chirurgien de manipuler librement ses instruments de chirurgie, sauf dans les volumes définis à l'avance comme des zones anatomiques à protéger. Le cobot évite au chirurgien de pénétrer dans ces zones interdites et assure par conséquent des opérations chirurgicales délicates en protégeant activement les structures sensibles, comme la moelle épinière, etc. Ainsi un cobot chirurgical est un système haptique présentant à la fois une excellente transparence et une capacité à générer des forces dans la main de son opérateur. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances d'une interface haptique à un degré de liberté en termes de raideur atteinte et de transparence. L'interface haptique étudiée est entraînée par une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) en utilisant un D. S. P. à virgule fixe. Deux modes de fonctionnement différents sont considérés pour l'interface haptique: le mode bloqué et le mode transparent (ou fonctionnement libre). En mode bloqué, la MSAP doit délivrer son couple nominal instantanément et le maximum de raideur. Pour obtenir la meilleure raideur, la méthode d'estimation de la vitesse de MSAP est améliorée et la fréquence d'asservissement du contrôleur est augmentée. Ainsi, deux méthodes d'estimation de vitesse sont proposées, évaluées et comparées avec la classique méthode d'estimation de vitesse « Synchronous Constant Elapsed Time method » (SCET): l'une est basée sur le filtre de Kalman (KF) et la seconde sur un observateur d’état (FOSO). En parallèle, le code du DSP est optimisé afin d'augmenter la fréquence d'asservissement du contrôleur. En mode transparent, l'interface haptique doit être aussi légère que possible. Toutefois, la transparence est dégradée par les frottements et l'inertie liés à la structure mécanique, ainsi que le phénomène de « cogging » de la MSAP. Deux stratégies pour compenser les frottements et l'inertie du système sont proposées. La première utilise l'estimation en ligne du couple de perturbation à l'aide de l'observateur d’état (FOSO) et la seconde estime en hors ligne le couple de perturbation en utilisant l'équation mécanique du système et les paramètres mécaniques pré-identifiés. Quant au phénomène de « cogging » de la MSAP, une technique d'identification hors ligne et de compensation des ondulations du couple est proposée et évaluée. La combinaison des solutions proposées permet d'obtenir une raideur maximale de 35Nm/rad en mode bloqué et de compenser 91% du phénomène de « cogging » de la MSAP en mode transparent, ainsi que les frottements et l'inertie du système.


  • Résumé

    A surgical cobot is a system developed to prevent surgeons from harming sensitive anatomical structures. Using the cobot, the surgeon can freely handle his surgical instruments, except in the volumes defined beforehand as protected anatomical zones. The cobot restrains the surgeon from penetrating these forbidden zones and thus secures delicate surgical operations by actively protecting anatomical structures, such as the spinal cord etc. So a surgical cobotic system is a haptic system featuring both an excellent transparency and a capability to generate forces in the hand of its operator. The aim of this thesis is to enhance the performances of one degree of freedom haptic interface in terms of achieved stiffness and transparency. The studied haptic interface is driven by a Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) using a fixed point Digital Signal Processor (DSP). Two different operating modes are considered for the haptic interface : the blocked mode and the transparent (or free movement) one. In the blocked mode, the PMSM has to deliver its nominal torque instantaneously and the maximum stiffness. To get the best stiffness, the PMSM speed estimation method is improved and the controller operating frequency is increased. So two speed estimation methods are proposed, evaluated and compared with the classical Synchronous Constant Elapsed Time method (SCET): one is base on the Kalman Filter (KF) and the second one on a Full Order State Observer (FOSO). At the same time, the DSP code is optimized in order to increase the operating frequency. In the transparent mode, the haptic interface has to be as light as possible. However the transparency is deteriorated by mechanical structure frictions and inertia, as well as the PMSM cogging phenomenon. So, two strategies are proposed to compensate system frictions and inertia. The first one uses the online disturbance torque estimation with the FOSO and the second one is an off line procedure, which estimates the disturbance torque using the system mechanical equation and the pre-identified mechanical parameters. As for the PMSM cogging phenomenon, an offline torque ripples identification and compensation technique is also proposed and evaluated. Combining all the proposed solutions allows achieving a maximal stiffness of 35Nm/rad in the blocked mode and compensating 91% of the PMSM cogging phenomenon in the transparent mode, as well as the system frictions and inertia.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVI-118 p.)
  • Annexes : Bibliogr.52 réf.

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