Design, modeling and control of a micro-robotic tip for colonoscopy

par Gang Chen

Thèse de doctorat en Automatique industrielle

Sous la direction de Tanneguy Redarce.

Soutenue en 2005

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec LAI - Laboratoire d'Automatique Industrielle (Lyon, INSA) (laboratoire) .

mots clés

• Robotique en médecine
• Coloscopie
• Interventions chirurgicales mini-invasives
• Robots mobiles

Titre traduit

= Conception, modélisation et commande d’un micro-actionneur pour la coloscopie

Résumé

La robotique médicale permet à la fois à la chirurgie moderne d'être moins invasive et au chirurgien d'être plus performant. Cette thèse porte sur la conception et la commande d'un nouveau type de robot " continuum " afin d'améliorer le procédé de coloscopie. Ce manipulateur robotisé, appelé EDORA II (Extrémité Distale à ORientation Automatique), a été construit en employant du silicone et utilise un actionnement pneumatique. Trois servovalves ont été utilisées pour commander la pression de trois chambres afin d'obtenir la forme désirée de l'EDORA II. Un nouveau modèle géométrique pour EDORA II a été élaboré en s'appuyant sur la déformation géométrique de l'actionneur. Les résultats comparatifs ont démontré que le modèle géométrique direct proposé reproduit de manière fidèle leur comportement statique. Un modèle dynamique de comportement reposant sur une analyse des parties mécanique et pneumatique est ensuite présenté. Le système est décomposé en trois sous systèmes indépendants, un pour chaque chambre, chaque sous-système contant deux parties : une partie electro-pneumatique et une partie mécanique. Pour déterminer les paramètres intervenant dans le modèle dynamique, la méthode du modèle est choisie. Une analyse fréquentielle et une étude de robustesse nous ont permis de valider ce modèle. Trois capteurs à fibres optiques ont été intégrés sur l'actionneur EDORA II afin de mesurer son éloignement de la paroi du colon. Une validation expérimentale est effectuée dans un tube afin d'évaluer les performances de ce nouveau actionneur.

Résumé

Robotics is increasingly accepted as a viable solution to many application in surgery, particularly in the field of Minimally Invasive Surgery (MIS). Medical robotics has tremendous potential for improving the precision and capabilities to help physicians perform surgical procedures. This dissertation aims to design and control a new class of robot (continuum robot) for the purpose of improving the procedure of colonoscopy. Based on the detailed analysis of specific problems of traditional colonoscopy and one surgeon's suggestion, an automatic bendable micro-robotic manipulator was designed to guide the advancement of colonoscope during its insertion into the colon. This micro-robotic manipulator, called EDORA II (Distal Extremity with Automatic ORientation), was built by using silicone rubber. Three servovalves were utilized to control the pressure of each chambre to get the deflected shape of the EDORA II. Experiments showed that EDORA II could incline 120° with a pressure of 2 bar. To facilitate the representation of the motion of EDORA II, a new kinematic model for EDORA II was formulated based on the concept of arc length and validated experimentally. Experimental dynamics specific to the tubular inspection was also studied and model parameters were determined through system identification. Three optical fiber sensors were chosen and their integration into EDORA II allowed the measurement of the distance between EDORA II and the wall of the tube. The test in the colon-like tube justified that the feasibility of the design of EDORA II and its capability to improve the procedure of colonoscopy.