Développement d’une Méthodologie de Conception pour Plateformes Magnétiques Microrobotisées

Design Methodology for Electromagnetic Microrobotic Platforms

• Auteur / Autrice : Ruipeng Chen
• Direction : Antoine Ferreira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Technologies Industrielles
• Date : Soutenance le 26/06/2020
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes (Centre-Val de Loire)
• Jury : Président / Présidente : Christine Prelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Ferreira, Christine Prelle, Samer Mohammed, Li Zhang, David Folio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samer Mohammed, Li Zhang

Mots clés

Mots clés libres

Conception robotique

Microrobot

Plateforme microrobotique

Robotic design

Magnetic microrobot

Magnetic-manipulation system

Résumé

La chirurgie minimalement invasive est aujourd’hui une thématique de recherche en plein essor. Le recours à des microrobots actionnés magnétiquement à distance et naviguant dans le système cardiovasculaire ouvre de nouvelles perspectives. L’objectif de cette thèse est de proposer un socle théorique concernant la conception, la modélisation et l’optimisation de plateformes microrobotiques à base de bobines électromagnétiques pouvant manipuler magnétiquement des microrobots thérapeutiques. Tout d'abord, nous présentons les fondements théoriques de l'électromagnétisme, y compris les principes de base et les équations nécessaires. À partir de cette base théorique, nous effectuons une analyse théorique sur le nombre minimum d'électro-aimants nécessaires, leur configuration géométrique ainsi que leur disposition dans l’espace de travail pour manipuler magnétiquement des microrobots. En particulier, nous étudions des cas singuliers tels que lorsque le champ magnétique et le gradient présentent des dépendances linéaires. A partir de ces formulations de base, nous avons étudié à travers la modélisation et les simulations numériques différents arrangements d’électro-aimants. Les multiples configurations spatiales (2D et 3D) de bobines sont étudiées avec des métriques de performances définies. A partir de cette méthodologie de conception, nous avons conçu une plateforme microrobotique magnétique, appelée OctoRob, dédiée aux opérations chirurgicales ophtalmologiques. Une configuration expérimentale reconfigurable à 5 degrés de liberté est proposée pour permettre un contrôle magnétique plus efficace, flexible et ingénieux des outils chirurgicaux.

Micromanipulation platforms that magnetically guide microrobots are of great interest in minimally surgery systems (MIS). These systems vary in their number of electromagnets, their configuration and their limitations. However, no attempts have been made to rigorously quantify, optimize and design EMA platforms. In this thesis work, we propose a holistic theoretical methodology to design EMA systems with mobile and stationary electromagnets with respect to MIS specifications. First, we present the theoretical foundation of electromagnetism including the basic principles and necessary equations. From this basis, the electromagnetic manipulation of untethered microrobot including the magnetic torque and force control is discussed. Moreover, the analysis of the minimum number of electromagnets for a EMA platform is investigated. In particular, singular cases are pointed out when magnetic field and gradient exhibit some linear dependencies. From these basic formulations, we studied through modeling and computational simulations various arrangements of electromagnetic coils. The different multiple electromagnets configurations are investigated with the defined performance metrics. Finally, we proposed the OctoRob setup design that is a specific EMA system for ophthalmic MIS. Based on the proposed methodology, the number of electromagnets and their favorable configuration are optimized through computational results. A reconfigurable 5-DoF experimental setup is then proposed to allow the magnetic control more effective, flexible and resourceful.