Model based force control for soft tissue interaction and applications in physiological motion compensation

par Pedro Lopes da Frota Moreira

Thèse de doctorat en SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques

Sous la direction de Philippe Poignet et de Nabil Zemiti.

  • Titre traduit

    Asservissement en effort pour des interactions avec des tissus mous et applications pour la compensation de moviments physiologiques


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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.


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