chapitre 3 conception de la maquette de...

Conception de la maquette de faisabilité

Partie 3 Conception de la maquette de faisabilité

Guillaume Thomann Thèse en Robotique Chirurgicale / 2003 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon 72


3 PARTIE 3 CONCEPTION DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ .......................................................... 72

3 CONCEPTION DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ ........................................................................................ 74 3.1 Introduction....................................................................................................................................... 74 3.2 Problématique................................................................................................................................... 74 3.2.1 Brefs Rappels .................................................................................................................................... 74 3.2.2 Idées générales pour la conception de la maquette de faisabilité..................................................... 75 3.3 Conception d'une maquette de faisabilité.......................................................................................... 77 3.3.1 Aspect applicatif................................................................................................................................ 77

3.3.1.1 Etudes de diverses solutions ........................................................................................................................ 1 3.3.1.2 Choix d'une solution .................................................................................................................................. 80

3.3.2 Conception de l'EDORA.................................................................................................................... 81 3.3.2.1 Les soufflets métalliques ........................................................................................................................... 81 3.3.2.2 Montage de l' EDORA............................................................................................................................... 82

La plate-forme inférieure ........................................................................................................................................ 83 La plate-forme intermédiaire .................................................................................................................................. 84 La plate-forme supérieure....................................................................................................................................... 85

3.3.3 Les capteurs de distance ................................................................................................................... 87 3.3.3.1 Introduction ............................................................................................................................................... 87 3.3.3.2 Les dispositifs à ultrasons.......................................................................................................................... 88 3.3.3.3 Les fibres optiques..................................................................................................................................... 88 3.3.3.4 Les dispositifs à effet Hall ......................................................................................................................... 89 3.3.3.5 Choix du capteur de distance et installation............................................................................................... 90

3.3.4 Implantation générale de la maquette de faisabilité ......................................................................... 92 3.3.5 Ergonomie du poste de travail .......................................................................................................... 95 3.4 Conclusion ........................................................................................................................................ 99



3. Conception de la maquette de faisabilité

3.1. Introduction Le chapitre 2 témoigne du grand nombre de technologies nouvelles utilisées pour aider la Chirurgie à améliorer ses performances diagnostiques et thérapeutiques.

De plus en plus, la Chirurgie Minimalement Invasive (MIS) inspire la conception de nouveaux outils chirurgicaux et les techniques de miniaturisation sont pratiquement indissociables de la MIS.

La coloscopie est un examen incontournable pour la thérapie du côlon. En 1969, la

première coloscopie décrite par Shinya et Wolf ouvrit l'ère du diagnostic et de la thérapie colique ; depuis, les choses n'ont cessé d'évoluer. Nous allons proposer ici une nouvelle conception de la tête du coloscope.

Après un bref rappel de la problématique, nous étudierons les possibilités concernant la flexion de l'EDORA. C'est ainsi que nous nommerons la nouvelle extrémité distale de coloscope dont le mouvement essentiel sera de se fléchir. Une analyse de la source d'énergie utile à ce mouvement sera également détaillée.

Nous étudierons ensuite la conception de la maquette de faisabilité, ainsi que l'instrumentation nécessaire à son bon fonctionnement tant en mode asservi qu'en mode manuel, et terminerons en nous préoccupant de l'ergonomie du poste de travail.

3.2. Problématique

3.2.1. Brefs Rappels

Maintenant que les nombreux domaines de la Robotique Chirurgicale sont connus, nous allons nous focaliser sur la coloscopie qui est une opération d'exploration et d'intervention à l'intérieur du côlon, en passant par l'anus. Cette pénétration par un orifice naturel du corps humain est tout à fait en accord avec la Chirurgie Minimalement Invasive.

Les discussions avec les chirurgiens et autres spécialistes ont orienté les recherches

vers l'amélioration de la partie distale du coloscope. Nous allons donc conserver le moyen de locomotion utilisé actuellement : la poussée manuelle. Le problème n'est pas une inclinaison trop faible de la tête de coloscope, mais les contacts trop fréquents avec les parois intestinales.

Il est certain que le coloscope prend appui sur les parois intestinales lors de la poussée. Ce n'est pas cet appui qui cause les dommages, mais bien uniquement les contacts de la partie distale du coloscope. Les problèmes de glisse sur les parois intestinales, rencontrés notamment lors des essais des robots de [KIM 02 (2)] ou de [CARROZZA 97], confirment les constats faits par les chirurgiens.



C'est donc en apportant notre aide lors du positionnement de la partie distale dans l'intestin, que nous interviendrons. Effectivement, les statistiques affligeantes présentées au premier chapitre (près de 1000 perforations d'intestins et 3000 hémorragies internes par an) sont principalement dues à cette partie du coloscope. Une amélioration est donc indispensable du point de vue des chirurgiens.

Il faut également prévoir une adaptation facile par le chirurgien, au nouveau dispositif à utiliser lors des opérations de coloscopie. Il ne devra pas être désorienté par les nouvelles technologies que nous voulons mettre en place et son savoir-faire ne devra pas être remis en cause.

3.2.2. Idées générales pour la conception de la maquette de faisabilité

Une modification de fonctionnement du coloscope a été discutée avec les spécialistes. Ceux-ci insistent sur le fait que l'habileté du chirurgien est un facteur non négligeable du succès d'une opération de coloscopie. Ils voient donc un grand intérêt dans le fait de réaliser un outil capable d'aider l'expérience du chirurgien lors de l'opération. Il aura non seulement cette capacité, mais permettra aux chirurgiens expérimentés de réaliser une intervention plus sûre et plus rapide. Moins de traumatismes seront causés à l'intestin, la réhabilitation des patients sera plus rapide et la période de convalescence à l'hôpital sera d'autant plus courte.

Pour le mouvement de la tête du coloscope, les chirurgiens disposent actuellement de

deux molettes qu'ils tournent dans un sens ou l'autre pour la faire pivoter (180° vers le haut, 80° vers le bas, 160° vers la droite et 160° vers la gauche) (ANNEXE 1). Ils sont donc capables, en théorie, de combiner ces mouvements pour atteindre toutes les directions souhaitées. Une utilisation adéquate du coloscope nécessite des heures de pratique (l'apprentissage pré-opératoire se pratique sur des porcs ou sur les patients décédés).

L'objectif est de concevoir une tête de coloscope qui se positionne seule, sur l'axe de

l'intestin, donc le plus loin possible des parois intestinales. Pour cela, elle se doit d'être très flexible. Ses dimensions faibles pourront lui permettre d'être adaptable directement sur les coloscopes actuels. D'autre part, il est indispensable d'utiliser une source d'alimentation transportable, ou déjà présente en salle d'opération.

Pour que cette partie distale puisse détecter les parois pour se positionner

automatiquement par rapport à elles, des capteurs de distance seront utilisés. Une étude du choix de ces capteurs sera présentée ultérieurement.

Nous allons donc concevoir uniquement un prototype de tête de coloscope :

l'EDORA. Dans un premier temps une maquette de faisabilité sera réalisée, pour valider le principe général, notamment l'asservissement.



Cette maquette devra réaliser les fonctions suivantes : - intégrer l'EDORA qui aura comme objectifs de se fléchir dans toutes les directions, - permettre à l'EDORA de se repérer par rapport à la paroi environnante et de s'en

éloigner. La partie béquillable d'un coloscope classique mesure 12.8 mm de diamètre et 50 mm

de long. Le rayon de courbure minimal que peut prendre cette partie de l'outil est de l'ordre de 15 mm. Les recherches préliminaires effectuées ont rapidement montré les difficultés à miniaturiser les actionneurs pour réaliser notre nouvel EDORA. De même, des problèmes de miniaturisation sont rencontrés pour le choix des capteurs de distance.

Notre recherche actuelle a pour objet principal l'étude d'une nouvelle tête de coloscope, reposant sur des principes nouveaux, tant d'un point de vue de l'actionnement que de celui des mouvements de flexion autorisés. De plus, cette tête devra pouvoir progresser à l'intérieur du côlon en se ramenant toujours automatiquement sur l'axe de ce dernier ; ce point constitue l'avancée essentielle à cette conception.

Pour des raisons de commodité de tests, de facilité de modification et d'usinage, nous avons choisi de tester ces apports en réalisant une maquette de faisabilité à l'échelle deux.

Les trois schémas ci-dessous (figure 3.1) montrent la réactivité que devra avoir l'

EDORA en présence de mouvements perturbateurs.

(a) (b) (c)

Figure 3.1. Schémas montrant la réaction de l'EDORA en présence de mouvement radiaux perturbateurs

Sur le premier schéma (a), le centre de l' EDORA est confondu avec l'axe central d'un

tube quelconque (intestin par exemple). A t0+dt, l'avance manuelle produit un décalage radial des deux axes (b). L' EDORA, à concevoir, doit alors réagir pour que son extrémité se repositionne automatiquement sur l'axe du tube (c). Enfin, sa dynamique doit être importante, pour que des mouvements radiaux rapides n'entraînent pas de contact avec le tube.



C'est à partir des essais et tests de diverses solutions techniques que nous pourrons alors cerner ce qu'il convient de choisir pour une réalisation effective de l'EDORA accomplissant les objectifs visés.

3.3. Conception d'une maquette de faisabilité

3.3.1. Aspect applicatif

3.3.1.1. Etudes de diverses solutions D'après le cahier des charges établi au premier chapitre, le mouvement à réaliser est un mouvement de flexion. La première difficulté rencontrée, est celle du choix de l'actionneur et de son alimentation.

La conception d'un actionneur, devant entrer dans le corps humain, impose déjà un certain nombre de contraintes. De plus, sa réaction doit être rapide pour réagir aux changements de direction de l'intestin lors de la poussée du coloscope par le chirurgien. Le côlon étant très tortueux, l' EDORA mise au point devra être capable de se courber selon des angles importants.

De nombreux actionneurs, éventuellement associés à une cinématique spécifique, existent pour réaliser un mouvement de flexion (électrostatiques, magnétiques, piézo-électriques, thermiques, en alliages à mémoire de forme, fluidiques).

Dans le paragraphe 2.4, nous avons précisé que les actionneurs les plus utilisés en endoscopie étaient les actionneurs à AMF et les actionneurs fluidiques.

D'autres actionneurs peuvent néanmoins réaliser des mouvements de flexion. L'étude qui suit nous permettra de prendre des décisions quant au choix d'actionnement pour notre EDORA.

Les actionneurs électrostatiques peuvent fournir des mouvements très variés et précis

dans les micro-systèmes. L'effort électrostatique se produit en présence d'une différence de potentiel entre deux électrodes séparées par un isolant. Il est possible d'obtenir, assez facilement, avec ce type d'actionneur, des mouvements de rotation ou de translation.

Dans notre cas, il est difficile d'imaginer un actionneur fonctionnant sous tension à l'intérieur du corps humain. L'utilisation d'actionneurs électrostatiques est donc à prohiber.

Dans le domaine des micro-mécanismes, les magnétostrictifs sont très bien maîtrisés.

Pour des mouvements de flexion, la magnétostriction est une technologie à prendre en compte. Le matériau se déforme géométriquement en présence d'un champ magnétique convenablement orienté. L'effet magnétostrictif peut être positif ou négatif selon le matériau utilisé, c'est-à-dire qu'il est capable de s'allonger ou de se rétrécir dans l'axe du champ. Cependant, la faible amplitude des déformations de ce type d'actionneur reste dissuasive pour utiliser cette techniques pour notre application.



Les micro-actionneurs piézo-électriques les plus répandus utilisent le matériau sous forme de cantilever bilame pour obtenir des fléchissements ou des élongations. Les piézo-électriques peuvent se déformer d'environ 0.1 % de leur dimension (soit 1/1000e, comme pour les actionneurs magnétiques). C'est pourquoi ils sont fréquemment empilés pour obtenir des déplacements linéaires de plus grande amplitude. Mais même ici, les déplacements obtenus sont très faibles et les flexions de l'ordre de 2.2°. La encore, les faibles déplacements [TAKAYUKI 96] et les tensions élevées sont des éléments rédhibitoires dans notre utilisation.

Les micro-actionneurs thermiques sont basés sur le principe de dilatation d'un solide

ou d'un fluide liquide ou gazeux. Le pilotage s'effectue par échauffement d'un corps d'épreuve. L’augmentation de température peut se faire en faisant passer un courant dans l'élément déformable, si toutefois celui-ci est conducteur. L'échauffement par effet Joule peut sinon se faire grâce à une résistance qui, par convection, va transmettre la chaleur à l'élément de dilatation.

Cette solution est utilisée pour le robot [FUKUDA 89] présenté au paragraphe 2.2.2. Un alliage permettant le stockage d'hydrogène, peut apporter le contrôle en pression nécessaire au fluide, simplement par son changement de température (de 40 °C à 90 °C). Cet alliage, chauffé par une résistance, peut absorber et relâcher de l'hydrogène gazeux pour réaliser un équilibre de la pression. La dilatation du fluide provoque l'allongement de l'actionneur.

Mais les efforts fournis sont liés aux capacités thermiques des corps d'épreuve, ce qui, malheureusement, n'est pas compatible avec de faibles temps de réponse. Le retour en position initiale n'est dépendant que du refroidissement (en général par convection) rarement commandé. C'est donc à cause de ce temps de refroidissement long, par rapport aux attentes des chirurgiens, que nous ne retenons pas cette solution d'actionnement. Dans beaucoup de cas, les températures requises sont incompatibles avec celles que peut supporter un individu.

Parmi les actionneurs thermiques, les matériaux à alliage à mémoire de forme, qui subissent une transformation de phase solide/solide pour se déformer, occupent une place privilégiée.

Nous avons évoqué, lors de l'état de l'art de l'endoscopie industrielle, un certain

nombre d'actionneurs métalliques à AMF pour la locomotion autonome [YOSHIDA 96][LIBERSA 98][TOUAIBIA 98][ABADIE 01], mais surtout pour la partie inclinable de l'outil [MAEDA 96][ARAMAKI 95][MINETA 01][LIM 96]. Les AMF sont également sources de nombreuses applications en endoscopie chirurgicale, notamment pour la partie distale (paragraphe 2.4.2.2).

La rapidité de réponse de l'actionneur est un facteur déterminant de performances. Le chauffage de l'actionneur est souvent plus rapide que son refroidissement. Si ce dernier doit se faire avec une dynamique importante, il faut alors prévoir un dispositif spécifique permettant d'accélérer le refroidissement, dispositif pénalisant pour la taille et la complexité de l'actionneur.

La dynamique de ce type d'actionnement, en particulier en refroidissement, n'est donc pas adaptée à notre application.



Les actionneurs fluidiques permettent, eux, d'engendrer des mouvements de rotation, de translation et de fléchissement. Bien entendu, nous allons nous concentrer uniquement sur les actionneurs flexibles. Dans ce cas, l'actionneur fluidique de type FMA (Flexible Micro Actuator) est utilisé (figure 3.2). Il est généralement conçu en forme de doigt. Nous l'avons présenté dans l'état de l'art [SUZUMORI 91][SUZUMORI 92][DOGRAMADZI 98] au paragraphe 2.2.2. Les actionneurs en silicone de 16 mm de diamètre et de 85 mm de long peuvent fournir des efforts de 4 N en flexion, atteindre 45°, avec une pression d'alimentation de 3 bars (figure 3.3).

Figure 3.2. Un FMA en flexion Figure 3.3. Déformation du FMA en fonction de la pression

[SUZUMORI 94] décrit le mode de fabrication de son actionneur "doigt" en

stéréolithographie. Des exemples d'utilisation de cet actionneur sont donnés dans [SUZUMORI 96] pour concevoir une table de translation, dans [TANIGUSHI 96] pour des réalisations de mains à 4 ou 5 doigts. Cet actionneur a aussi été choisi pour concevoir le mouvement d'un quadrupède [TANAKA 92][NOBUMOTO 96].

Plus récemment, cet actionneur a été utilisé à des fins de calibration. Au Dipartimento di Automatica e Informatica, Politecnico di Turino, il a été fabriqué par empilement de sections identiques de 52.5 mm de diamètre, sa longueur étant de 31.6 cm [BELFORTE 01]. L'étude consiste en la recherche de la position de la tête de cet effecteur dans l'espace. Elle est mesurée à condition de connaître trois distances à partir de trois points donnés. Le but est de connaître le domaine de l'espace dans lequel l'erreur de position de l'extrémité de cet effecteur est minimum. Une étude d'identification et de contrôle a aussi été menée dans [BELFORTE 98].

Le muscle artificiel [TONDU 99] est aussi un bon exemple de FMA. Cet actionneur

alimenté sous pression, produit des déplacements linéaires. Il est constitué d'un boudin cylindrique déformable recouvert de tresses enroulées sur tout le corps (figure 3.4). Lorsque la chambre est soumise à une pression, le volume ne peut augmenter que longitudinalement. Cette propriété induite par le tissage permet aux extrémités de se rapprocher ou de s'éloigner l'une de l'autre.



La pression de 5 bars conduit à des temps de réponse de 0.1 sec, pour des courses représentant 30 % de la longueur initiale. Ce muscle artificiel constitue donc une chambre déformable de grande amplitude. Deux de ses muscles peuvent, à l'aide d'une cinématique adaptée, engendrer un mouvement de rotation éventuellement d'amplitude importante.

Concernant l'énergie pneumatique, [PRELLE 97] propose une étude d'actionneurs à

soufflets métalliques. Leur élasticité naturelle permet des mouvements variés (figure 3.5) dans les directions axiales, angulaires et latérales. Le soufflet peut travailler en compression ou en extension, selon que la pression s'exerce à l'intérieur ou à l'extérieur de la chambre [BETEMPS 90]. Cet élément a souvent été employé pour actionner des pinces compliantes [COUTURIER 97] pour la saisie d'objets fragiles, ou encore pour l'actionnement d'un bras de robot parallèle compliant [PRELLE 96].

Figure 3.4. Actionnement d'un bras rotatif

par muscles artificiels Figure 3.5. Photo des différents types de

mouvements donnés par un soufflet métallique : axial, angulaire et latéral

En endoscopie médicale (paragraphe 2.4.1), une application est proposée par [JOLI

02], du CEMIF à l'IUT de l'Université d'Evry, pour la pose de prothèses dans les veines et artères. L'actionneur de type FMA est réalisé à l'aide de soufflets métalliques. Leur disposition rappelle l'utilisation du doigt à trois chambres de [SUZUMORI 91]. La déformation, pour pouvoir naviguer dans les artères est obtenue en pilotant la pression de sérum physiologique à l'intérieur des soufflets.

3.3.1.2. Choix d'une solution D'après le cahier des charges précédemment établi et l'étude présentée ci-dessus, nous avons rejeté l'utilisation des actionneurs thermiques et alliages à mémoire de forme car peut adaptée à l'application que nous envisageons.

Les actionneurs fluidiques possèdent une bonne diversité de déplacements et permettent surtout des amplitudes importantes. L'utilisation de FMA paraît alors séduisante pour notre application, et mérite d'être testée.



Au vu des considérations précédentes et des possibilités de fabrication, qui existent également à petite échelle, nous avons choisi d'exploiter les soufflets métalliques comme corps d'épreuve à la base de notre EDORA.

En effet, des produits standard de petites tailles sont largement commercialisés et ont

déjà donné lieu à plusieurs actionneurs [BETEMPS 94]. Ainsi nous pourrons nous rapprocher de la taille souhaitée pour notre maquette de faisabilité. De plus, l'expérience du laboratoire dans l'utilisation des soufflets en tant qu'actionneur, permet de se reposer sur de solides connaissances de ce produit.

Il faudra bien entendu rechercher une position adéquate des soufflets pour avoir un angle d'inclinaison maximal de l'EDORA et chercher la taille optimale des soufflets qui influera bien évidemment sur sa taille.

L'inconvénient majeur de l'énergie fluidique est son encombrement : l'alimentation et la distribution d'un flux pneumatique ou hydraulique entraînent la présence d'éléments de transport d'énergie (tubes, raccords, … ) et de commande (vannes, valves, pompes, … ) [DARIO 97] qui ne sont pas encore réellement développés à des tailles millimétriques.

Pour notre application, la taille des servovalves nécessaires au fonctionnement des soufflets pneumatiques n'est pas un problème majeur. Effectivement, elles peuvent tout à fait être placées en amont de la gaine d'introduction du coloscope.

Signalons toutefois les micro-valves à actionnement thermique, comme par exemple celle développée par [GUNTHER 99]. La pression maximale contrôlée atteint 10 bars pour un débit de 450 ml.s-1, avec une bande passante de 20 Hz. Bien qu'ayant un débit un peu faible, cette servovalve pourrait convenir à notre application.

Nous allons exposer ci-dessous notre conception de l' EDORA : le choix du type de

soufflets, de leur disposition particulière et les différentes pièces de connexion sera effectué.

3.3.2. Conception de l'EDORA

3.3.2.1. Les soufflets métalliques Les composants pneumatiques utilisent, pour la plupart, des corps déformables avec une raideur donnée. Ce sont en fait des chambres fermées qui sont alimentées sous pression, comme les muscles ou les soufflets. Leur variation de formes produit des déplacements qui sont exploités de façon continue. L'avantage des corps déformables est qu'ils ne nécessitent pas la présence de liaison cinématique au niveau des pièces chargées de l'étanchéité.



Nous avons donc décidé d'utiliser des soufflets métalliques pour concevoir l'EDORA. Les principales propriétés des soufflets métalliques sont largement décrites dans [PRELLE 97] :

- résistance à la pression, - une élasticité naturelle, - étanchéité absolue, - résistance à la corrosion, - résistance à la température, - et longue durée de vie sans entretien. Ce sont surtout les trois premières propriétés qui nous ont confortés dans notre

décision. Cette élasticité naturelle des soufflets leur permet des mouvements dans les directions axiales, angulaires et latérales.

Le choix du type de soufflets par rapport à la gamme proposée par le constructeur [ACCES] est exposé en ANNEXE 3.

Nous allons avoir besoin de 12 soufflets pour concevoir notre EDORA. La plate-forme inférieure sera également utile pour les connexions pneumatiques. Pour éviter tout flambage des soufflets pendant l'inclinaison du prototype, nous décidons également de placer une plate-forme intermédiaire (figure 3.6). Les chambres déformables seront donc placées à 120° les unes des autres, comme nous le montre la vue de dessus de la figure 3.6.

3.3.2.2. Montage de l'EDORA

plate-forme intermédiaire

plate-forme supérieure

plate-forme inférieure

vue de face

4 sou blés p

ch le

fflets assemour constituer une ambre déformab

Nous réalisons trois chambres indépendantes pour autoriser l'inclinaison de notre EDORA. Chaque chambre est constituée par l'assemblage de 4 soufflets standard de 18.8 mm longueur et de 9.53 mm de diamètre (figure 3.6).

Figure 3.6. Schéma de la position des plates-formes et

des soufflets

vue de dessus



L'assemblage des soufflets et l'étanchéité des chambres sont réalisées par collage. Nous avons choisi cette méthode car elle est simple, peu encombrante et efficace, tant dans ses performances de maintien qu'en longévité. La colle LOCTITE 480 est tout à fait adaptée pour un collage de petites pièces métal sur métal et dont le jeu est inférieur à 1 mm.

Cette colle sera utilisée pour assembler les soufflets deux à deux. Le type d'extrémité des soufflets [ACCES] est choisi de façon à faciliter cet assemblage, mais nécessite la présence de pastilles de connexion intermédiaires (visibles sur la vue d'ensemble figure 3.10).

Les tuyaux d'alimentation choisis sont renforcés et de faible diamètre : 2.5 mm de diamètre intérieur et 3.5mm de diamètre extérieur. Ils peuvent prendre de faibles rayons de courbure sans s'obstruer.

Des capteurs de position devront, par la suite, être placés sur la plate-forme supérieure de l' EDORA. Des espaces pour les câbles d'alimentation de ces capteurs sont donc prévus lors de la conception des plates-formes.

La conception des trois plates-formes nécessaires au montage de l' EDORA, ainsi que des pastilles de connexion, est exposée ci-dessous.

La plate-forme inférieure Cette plate-forme est la partie basse de l' EDORA. Elle devra principalement effectuer la connexion entre les trois arrivées pneumatiques et les soufflets.

Des passages pour une éventuelle alimentation indépendante du second étage des soufflets (compris entre les plates-formes intermédiaire et supérieure), ainsi que pour les câbles des capteurs de position qui sont situés sur la plate-forme supérieure, y sont également prévus.

La figure 3.7 représente le schéma de la plate forme inférieure. Il est indispensable de garder une distance minimale entre les soufflets pour que, lors d'une inclinaison, ils ne viennent

pas frotter les uns sur les autres.

φ 26

A

A coupe A-A

5

φ 8 φ 8

φ 3.5 φ 4 φ 2

Figure 3.7. Schéma

représentant la plate-forme

inférieure de l'EDORA

Les trois

grands alésages,



de 8 mm de diamètre chacun, correspondent à la connexion des soufflets. Face aux soufflets, des alésages plus réduits permettront de connecter les tuyaux pneumatiques. Ces derniers seront collés directement dans leurs alésages, qui mesurent 3.5 mm de diamètre.

Par les trois grands orifices de 4 mm de diamètre, pourra circuler l'alimentation pneumatique éventuelle de l'étage supérieur et par les trois petits de 2 mm de diamètre, passeront les alimentations des trois capteurs de distance.

La plate-forme inférieure possède donc tous les alésages et orifices nécessaires au montage des soufflets, aux connexions de leur alimentation pneumatique et aussi au passage de l'alimentation de l'étage supérieur et de l'alimentation des capteurs de position.

La plate-forme intermédiaire Le rôle principal de la plate-forme intermédiaire est d'éviter le flambage des chambres

déformables. Effectivement, ces dernières étant constituées de 4 soufflets métalliques, leur longueur peut atteindre 90 mm pour 9.53 mm de diamètre. Le mouvement de l' EDORA impose une utilisation en flexion des chambres déformables, ce qui peut entraîner facilement du flambage.

La conception de cette plate-forme (figure 3.8) doit prendre en compte d'une par le transfert des futures alimentations électroniques des capteurs de distance et d'autre part, la connexion, ou non, les deux étages de soufflets.

φ 26 orifice de connexion

B B

coupe B-B

7

Figure 3.8. Schéma représentant la plate-forme intermédiaire de l'EDORA

Pour les alimentations électriques, il suffit de réaliser à nouveau trois orifices de la même manière que sur la plate-forme inférieure.

Pour les chambres pneumatiques, la problématique est toute autre : il faut pouvoir facilement isoler les deux étages de soufflets ou, au contraire, les connecter. Il faut pour cela, dans un premier temps, prévoir une seconde alimentation de l'étage supérieur. Dans cette



perspective, nous réalisons des perçages supplémentaires (orifices de connexion) pour relier l'arrivée du circuit pneumatique aux orifices de raccordement des soufflets à la plate-forme, comme le montre la figure 3.8.

La même colle LOCTITE 480 utilisée pour le collage et l'étanchéité sera employée pour obstruer les trois orifices de connexion.

Les alésages pour le raccordement des soufflets ont un diamètre de 8 mm et une profondeur de 2 mm. Pour permettre le perçage des orifices de connexion sans risquer de déboucher dans les alésages prévus pour les soufflets, nous avons choisi d'augmenter l'épaisseur de cette pièce de 5 mm à 7 mm.

La plate-forme supérieure La plate-forme supérieure (figure 3.9) doit simplement assurer l'étanchéité au sommet

des trois chambres déformables et permettre à nouveau le passage des connexions électroniques des capteurs de distance. Les alésages ont encore les mêmes dimensions (8 mm de diamètre pour 2 mm de profondeur) que pour les deux plates-formes précédentes.

La plate-forme a ici une épaisseur de 4 mm, ce qui limite le poids.

coupe C-C C

C

Figure 3.9. Schéma représentant la plate-forme supérieure de l'EDORA

Sur la photo (figure 3.10), les plates-formes, les pastilles (utiles pour faciliter

l'assemblage) ainsi que les soufflets sont disposés avant montage.



pastilles

Figure 3.10. Vue éclatée de l' EDORA avant montage et collage

26 mm

94 mm

Une fois l'EDORA montée, elle mesure environ 94

mm de hauteur pour 26 mm de diamètre. Sur la photo 3.11 ci-contre, nous reconnaissons facilement les soufflets et les trois plates-formes (les pastilles sont plus difficilement visibles).

L'outil montée nous permet de mieux en percevoir

le fonctionnement, ainsi que l’emplacement des plates-formes et la position des soufflets.

L'intégration des capteurs de distances est détaillée dans la prochaine partie. Ils seront placés sur la plate-forme supérieure et auront pour rôle de détecter les parois d'un tube simulant mutatis mutandis celles du côlon lorsque la tête de coloscope progressera à l'intérieur.

Remarque :

L'EDORA conçue constitue l'élément moteur del'EDORA-01 présentée au chapitre suivant.Effectivement, compte tenu des considérationsmédicale (homogénéité, stérilisation, étanchéité, …),nous devons évoluer vers une nouvelle structure.

Figure 3.11. Photo de l'EDORA



3.3.3. Les capteurs de distance

3.3.3.1. Introduction Nous avons vu, au cours des chapitres précédents, que, pour être en accord avec la Chirurgie Minimalement Invasive, nous devons éviter de toucher les parois intestinales. L'objectif est donc de détecter sans contact la distance entre le coloscope et les parois intestinales. Grâce à notre maquette de faisabilité, nous pourrons tester le positionnement de capteurs de distance sur l'EDORA et valider leur efficacité, par rapport à notre application.

Il n'est pas nécessaire que l'évaluation des distances soit précise. Le but étant en priorité d'éviter le contact, une détection approximative de la proximité de la paroi suffit.

Les coloscopes actuels ont un diamètre de 13 mm environ. Pour nos premières

expériences de faisabilité, l'EDORA mesure 26 mm de diamètre, soit sensiblement à l'échelle 2. Le diamètre du côlon étant de l'ordre de 15 à 25 mm, nous avons donc retenu pour nos premiers essais un tube de 50 mm de diamètre.

Avec les dimensions choisies ci-dessus, les distances à détecter par les capteurs sont évaluées au maximum à 24 mm (diamètre de 26 mm pour l' EDORA et diamètre de 50 mm pour le tuyau). Evidemment, plus le capteur sera près de la paroi, plus la distance mesurée devra être précise.

L'encombrement des capteurs est également à prendre en compte. Ayant la possibilité

de commander trois chambres déformables, nous décidons d'associer un capteur à chaque actionneur, ce qui facilitera le système de contrôle-commande.

Les capteurs de distance seront ainsi placés à 120° les uns des autres et trois distances seront mesurées. Le diamètre de la plate-forme supérieure ne mesurant que 26 mm de diamètre, les dimensions de ces derniers devront être les plus réduites possible.

Le schéma de la figure 3.12 représente la position des capteurs de distance sur la plate-

forme supérieure de l' EDORA.

plate-forme supérieure de l'EDORA (26 mm de

diamètre)

les trois capteurs de distance

paroi du tuyau simulant l'intestin

(50 mm de diamètre)

Figure 3.12. Schéma représentant la position des capteurs de position

sur la plate-forme supérieure de l'EDORA



Nous allons maintenant décrire quelques solutions envisageables pour mesurer les distances de l'EDORA aux parois: ultrasons, fibres optiques et enfin capteurs à effet Hall.

3.3.3.2. Les dispositifs à ultrasons Le transducteur à ultrasons fonctionne de la façon suivante : c'est un émetteur qui

envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter (impédance différente) et ensuite revenir à la source. La distance entre le transducteur et l'objet est évaluée en fonction du temps du parcours du train d'ondes.

Les utilisations d'ultrasons dans le domaine médical se font la plupart du temps par contact direct sur l'organe à traiter, ou bien par l'intermédiaire d'eau ou de gel. Effectivement, les ultrasons sont entièrement réfléchis par les os et les gaz et ne peuvent donc pas être utilisés pour explorer le squelette, ni les poumons. C'est pour cela que nous savons qu'il sera très difficile pour nous d'utiliser cette technique dans le côlon.

Nous avons effectué tout de même différentes expériences pour détecter un tissu

intestinal à partir d'ultrasons. Nous avons, dans un premier temps, vérifié expérimentalement que les ondes se

déplacent plus facilement dans l'air à de faibles fréquences (de l'ordre de quelques dizaines, voire quelques centaines de kHz) et dans l'eau à de hautes fréquences (quelques MHz).

Par contre, il est possible d'observer de petites distances dans l'air, à de hautes fréquences. Nous nous sommes donc intéressés à la propagation des ondes dans l'air pour de faibles distances (de 5 mm à 20 mm). Des phénomènes de résonance apparaissent alors et noient le signal de retour (l'écho sur la paroi intestinale).

De plus tout capteur possède une "zone morte", qui correspond à la distance minimum que doit avoir l'objet à détecter par rapport au capteur pour que celui-ci fonctionne correctement. Pour les transducteurs testés, cette zone morte dépassait 50 mm.

Il apparaît d'importants problèmes de compatibilité, dus principalement aux

caractéristiques des transducteurs utilisés (impédance), qui ne sont pas utilisables dans un milieu gazeux. L'utilisation de basses fréquences permettrait de détecter des parois dans l'air, mais la taille du quartz à utiliser serait trop importante pour pouvoir être installée sur la tête de coloscope.

Pour ces raisons, nous avons décidé de rejeter les ultrasons et de nous tourner vers une autre solution pour détecter les parois entourant l'EDORA.

3.3.3.3. Les fibres optiques En endoscopie souple, c'est grâce à ces fibres optiques qu'il est possible d'éclairer

l'intérieur de l'intestin. Il s'agit du guidage de la lumière dans des fibres de verre grâce au phénomène de réflexion totale. Le faisceau lumineux, qui se réfléchit continuellement sur les parois, est facilement guidé vers l'endroit désiré.



Le principe que nous voulons mettre en application ici, est issu d'une utilisation en mini-capteur de position à haute résolution, développé à l'Université Technologique de Compiègne, dans le Laboratoire Roberval, Unité de Recherche en Mécanique [PRELLE 01 (a)]. Ce capteur de position de petites dimensions a une résolution nanométrique et permet de mesurer des déplacements sur une course de quelques millimètres. La fibre optique, constituée d'une fibre principale émettrice et de 4 fibres latérales réceptrices (figure 3.13), a pour but d'émettre de la lumière vers un miroir plan et de la capter à nouveau après réflexion.

Figure 3.13. Schéma de la section de la fibre optique : la fibre émettrice et les

fibres réceptrices

Fibres de réception

Fibre d'émission

Le principe consiste à utiliser un miroir incliné pour transposer la résolution axiale en résolution latérale (on appelle résolution latérale, le déplacement minimal détectable par le capteur). Dans cette configuration, l'axe optique du capteur reste perpendiculaire à l'axe du miroir mobile, mais le vecteur déplacement n'est plus colinéaire au vecteur normal de la surface du miroir. Un bon compromis consiste à choisir un angle de 45° entre les deux vecteurs pour engendrer une résolution latérale de 2.26 nm, sur une étendue de mesure de 113 µm.

Le fonctionnement des ces fibres est le suivant : la lumière est émise à partir d'une

source lumineuse froide et est véhiculée par la fibre émettrice. Par réflexion sur une surface (réflexion en fonction de l'albédo du corps), elle pénètre dans les fibres de réception placées à la périphérie de la fibre émettrice. La distance entre le capteur à fibres optiques et la surface détectée est fonction de la quantité de lumière réfléchie.

Cette solution de fonctionnement est donc tout à fait envisageable pour des expériences avec l'EDORA. Les fibres sont souples et peuvent accepter un rayon de courbure de l'ordre de 20 mm sans grandes variations de mesures.

A leur extrémité, la partie rigide mesure 20 mm, ce qui est compatible avec le diamètre de l'EDORA (26 mm). Il faut évidemment que la lumière soit envoyée perpendiculairement à son déplacement pour détecter les parois dans un plan contenant la plate-forme supérieure. C'est pour cela que le rayon de courbure acceptable des fibres, ainsi que la taille de la partie rigide sont à prendre en compte avant le montage.

Il est à préciser que les fibres optiques de taille réduite existent et pourront, être intégrées sur un prochain prototype.

3.3.3.4. Les dispositifs à effet Hall Le dispositif à effet Hall est une autre possibilité à envisager pour mesurer une distance sans contact. Le principe consiste en l'apparition d'une différence de potentiel dans un métal ou un



semi-conducteur parcouru par un courant électrique lorsqu’on l’introduit dans une induction magnétique perpendiculaire à la direction du courant.

Ainsi, le capteur à effet Hall, fournit une tension de sortie proportionnelle au champ magnétique B variable.

Pour pouvoir détecter un champ magnétique à une certaine distance, nous devons disposer d'un capteur à effet Hall suffisamment sensible. La précision est ici aussi secondaire, c'est-à-dire que l'ordre du mm nous satisfait amplement. Nous choisissons donc un composant Honeywell (SS495A1), qui délivre 3.125 mV par Gauss, avec une sensibilité de 0.094 mV (figure 3.14). Ce capteur dispose d'une plage de mesure de ± 670 Gauss. Ses dimension sont de 2*3*4 mm, ce qui correspond à nos critères d'encombrement.

La génération du champ magnétique peut s'effectuer par l'intermédiaire d'un aimant permanent.

Figure 3.14. Photo d'un capteur à effet Hall

3.3.3.5. Choix du capteur de distance et installation Nous avons proposé trois types de capteurs de position pour pouvoir détecter les parois du tuyau entourant l'EDORA. Le but est de détecter simplement si nous nous approchons dangereusement ou non de ces parois.

L'étude précédente nous informe largement sur les difficultés rencontrées pour utiliser les ultrasons. La taille du transducteur, les fréquences d'utilisation et la présence d'une "zone morte" sont les critères qui rendent inenvisageable, pour le moment, la mise en place de tels outils.

Par contre, les fibres optiques et les capteurs à effet Hall sont tout à fait compatibles avec notre objectif. Effectivement, il est envisageable de placer les capteurs à fibre optique sur la plate-forme supérieure de l'EDORA. Mais n'étant pas immédiatement disponibles, nous choisissons, dans un premier temps, d'équiper notre maquette des capteurs à effet Hall.

Nous pourrons ainsi, tout en poursuivant les discussions avec l'UTC sur la miniaturisation des capteurs et leur intégration sur l'EDORA, tester la faisabilité de la commande en mode asservi avec les capteurs à effet Hall. Les fibres optiques seront une solution plus intéressante pour un futur prototype.

Chacun des 3 capteurs à effet Hall délivre une tension de sortie qui est fonction de la

force du champ magnétique. En plaçant les capteurs à effet Hall sur la plate-forme supérieure de l'EDORA, nous devrions créer un champ magnétique circulaire tout le long des parois du tube.



Nous avons préféré placer un simple aimant sur la plate-forme supérieure de l'EDORA, et imiter ses déplacements aléatoires transversaux dans le tube par deux translations X et Y. Dans ce cas, nous pouvons simplement positionner les trois capteurs à effet Hall sur un plateau se trouvant dans le même plan que la plate-forme supérieure de l'EDORA (figure 3.15). Cette dernière ne progressera donc pas le long d'un tube, mais les mouvements perturbateurs induits par la table XY représenteront mutatis mutandis les conditions d'utilisation. C'est la réaction de l'EDORA à ces mouvements perturbateurs que nous allons étudier, dans le but d'éviter tout contact entre sa plate-forme supérieure et le plateau supportant les trois capteurs à effet Hall. Nous expliquerons la réalisation mécanique de ces mouvements dans le prochain paragraphe.

La plate-forme supérieure de l'EDORA, de 26 mm de diamètre, est donc placée au

centre d'un plateau supportant les trois capteurs à effet Hall. Ces derniers sont disposés à 120° les uns des autres, sur une couronne de 50 mm de diamètre.

L'aimant permanent est fixé sur la plate-forme supérieure de l'EDORA. Il fournira simultanément au trois capteurs, un champ magnétique dont l'amplitude est fonction de la distance.

La figure 3.15 donne un aperçu de l'emplacement des capteurs à effet Hall ainsi que de l'aimant et la figure 3.16 est une photographie du montage correspondant.

plate-forme supérieure de

l'EDORA

le l s capteurs à effet Hal

plateau supportant les trois capteurs à effet Hall

aimant permanent

l'EDORA z

y x

couronne de 50 mm de diamètre représentant les

parois du tuyau

Figure 3.15. Schéma représentant la position des capteurs à effet Hall autour de la plate-forme

supérieure de l'EDORA



capteur à effet Hall

aimant

EDORA

Figure 3.16. Photo

représentant la position des

capteurs à effet Hall

autour de la plate-forme

supérieure de l'EDORA

Pour des raison d'homogénéité de champ magnétique, nous avons choisi un aimant cylindrique, adaptable sur la plate-forme supérieure l'EDORA. Le but est d'engendrer un champ magnétique uniforme dans toutes les directions autour de l'outil et de le mesurer par trois capteurs à effet Hall.

Le modèle d'aimant retenu satisfaisant les critères d'encombrement et de magnétisation est un élément en Neodyme-fer-bore de 15 mm de diamètre et de 5 mm de hauteur (référence : D2452E85Z UGIMAG). Cet aimant, d'après les documents du constructeur, engendre un champ de 5000 Gauss au contact, et 600 GAUSS à 3 mm, ce qui correspond à notre plage d'utilisation. L'étalonnage des capteurs à effet Hall, leur positionnement sur le plateau, en fonction des chambres déformables, seront détaillés au paragraphe 4.3.

Cette disposition des trois capteurs à effet Hall et de l'aimant, nous permettra de

mesurer les distances de l'EDORA au bord de la couronne et de la repositionner au centre de cette dernière, en réaction aux mouvements de perturbation. Le but est que la plate-forme supérieure supportant l'aimant ne touche jamais les bords de la couronne matérialisant les parois du tube.

3.3.4. Implantation générale de la maquette de faisabilité

Dans un premier temps, trois capteurs à effet Hall et un aimant permanent seront utilisés pour contrôler les distances de l'EDORA à la couronne représentant les parois du tube. Comme nous l'avons exprimé dans le paragraphe précédent, l'utilisation de ce type de capteur requiert une base mobile de l'EDORA pour imiter les mouvements transversaux lors de l'avance du coloscope dans un conduit. Pour cela, une table XY (deux translations découplées) est mise en place, sur une course de 24 mm dans les deux directions. Deux potentiomètres peuvent relever les distances suivant les axes X et Y du montage expérimental. Ainsi, lorsque l'EDORA se trouve verticalement au milieu de la couronne nous avons X = Y = 12 mm.



Pour commander les pressions dans les chambres déformables, nous avons envisagé la possibilité d'inclure des microservovalves dans l'EDORA. Ceci permettrait de limiter les multiples conduits pneumatiques tout au long du futur endoscope. Pour alimenter les trois chambres déformables, une seule arrivée d'air suffirait alors. La micro-valve à actionnement thermique, présentée au paragraphe 3.3.1.2 [GUNTHER 99] pourrait convenir, mais son faible débit entraînerait une dynamique trop faible en flexion de l'EDORA.

Nous avons donc choisi d'utiliser trois servovalves que nous placerons en amont du circuit pneumatique représentant la gaine d'introduction du coloscope.

Les trois chambres déformables peuvent nécessiter des capteurs de pression pour leur

commande (retour d'état par exemple), mais également pour l'analyse de la dynamique de l'EDORA. Des capteurs de petite taille sous forme de pastilles sont maintenant disponibles et peuvent être noyés dans un environnement sous pression pneumatique ou hydraulique. Le développement encore limité de ces composants ne nous a pas permis d'en utiliser. De plus, l'intérêt d'intégrer ces capteurs dans l'EDORA reste secondaire, c'est pourquoi nous avons opté pour la présence de capteurs de pression placés en sortie des servovalves de commande. La mesure qu'ils fournissent est une représentation des pressions dans les chambres déformables, avec un décalage temporel et des distorsions dues à la lignes pneumatique (compressibilité, effet d'onde), mais cela reste négligeable.

La maquette de faisabilité est schématisée en totalité sur la figure 3.17 et sa photo est

présentée figure 3.18 : l'EDORA mesure 94 mm de long et 26 mm de diamètre. Les 3 alimentations pneumatiques et les câblages électriques des capteurs à effet Hall et des potentiomètres de la table XY y sont représentées. Les organes de commande fluidique ont été placés à l'extérieur de l'EDORA, elle est donc reliée à sa partie commande par l'intermédiaire de 3 tuyaux d'alimentation. Ceux-ci correspondent à la longueur du coloscope, c'est-à-dire de 1.5 m à 2 m de long.

Les tuyaux d'alimentation pneumatiques sont en polyuréthanne tramé pour résister,

donc se courber sans s'obstruer, aux faibles rayons de courbure que devra prendre l'outil. L'EDORA est fixe, par l'intermédiaire de sa plate-forme inférieure, sur la table XY (elle-même fixe par rapport au support de travail) et peut donc avoir un mouvement plan.



y

3 tuyaux d'alimentations pneumatiques

capteur à effet Hall

plateau supportant les trois capteurs

aimant

EDORA

table X-Y

z

x

liaison glissière de la table X_Y

potentiomètre : déplacement suivant Y

potentiomètre : déplacement suivant X

Figure 3.17. Schéma représentant le montage complet de la maquette de faisabilité

potentiomètres

Figure 3.18. Photo de la maquette de faisabilité



L'implantation générale de la maquette de faisabilité et de son environnement est représentée figure 3.19. Les trois chambres déformables, qui composent l'EDORA, sont commandées par trois servovalves de type jet pipe ATCHLEY (3a, 3b et 3c). Les 3 capteurs de pression (4a, 4b et 4c) sont placés à la sortie des servovalves, dans les circuits pneumatiques, de longueur 150 cm environ, allant jusqu'à l'EDORA. Le circuit pneumatique principal est alimenté par un compresseur et filtré par des filtres de 5 microns (1).

Les capteurs à effet Hall (5a, 5b et 5c) sont disposés autour de l'aimant et les

potentiomètres de la table XY (6X et 6Y) se trouvent sous l'EDORA.

1 2

3a3b3c

4a4b4c

5a

5b

5c

6X 6Y

7 8

Figure 3.19. Implantation générale de l'EDORA dans son environnement

L'électronique nécessaire au pilotage des capteurs à effet Hall, des capteurs de pression, des servovalves et des potentiomètres est installée dans le Rack (7) comportant les cartes d'alimentation et de conversion des différents éléments. Ce rack constitue l'interface électronique avec la partie informatique assurée par un PC (8) équipé d'une carte DSP.

3.3.5. Ergonomie du poste de travail

La figure 3.20 représente les liens entre l'informatique de commande, l'électronique et la partie opérative.

L'ordinateur qui pilote l'ensemble, est équipé d'une carte d'entrée/sortie munie d'un DSP (DS 1102 Scientific Software). Cette carte est munie initialement de deux convertisseurs analogiques/numériques 16 bits et de deux autres 12 bits. Quatre convertisseurs numériques/analogiques de 12 bits y sont également disponibles.



alimentations

Alimentation capteur à effet

Hall 0-10v

Amplificateur *2Filtrage 300 Hz

Conditionnement des capteurs à effet Hall

Capteur à effet Hall

Mesures des trois distances

Réglage de la position initiale

de la servovalve

Conversion V/I

Montage différentiel

Commande des servovalves

Servovalve jet Pipe

Commande de mouvement

Alimentation capteur de pression 0-10v

Amplificateur *100

Filtrage 300 Hz

Conditionnement des capteurs de pression

Capteur de pression

Mesures des trois pressions

Conditionnement des potentiomètres de la table X-Ypotentiomètres

Mesures des deux déplacements X et Y

Alimentation externe 0-10V

*3

*3

+12V -12V 0V 0V +10V

CARTE INTERFACE

Conversion A / N

16-bits 250 kHz

*3 Conversion N / A

12-bits 250 kHz

*3

Conversion A / N

12-bits 800 kHz

*2

*3 Montage

différentiel*2

*1

*2

CARTE D'ACQUISITION - COMMANDE

dSpace 1102

Figure 3.20. Schéma synoptique de l'interface électronique

Notre installation nécessite 8 entrées sur la carte d'acquisition : 3 pour les capteurs de pression, 3 pour les capteurs à effet Hall et 2 pour les potentiomètres de la table XY. Nous avons donc dû mettre en place un multiplexeur 8/4 qui nous permet de connecter tous nos signaux analogiques sur la carte dSpace. Nous avons ainsi quatre convertisseurs analogiques/numériques 16-bits et quatre de 12-bits. Nous décidons d'attribuer la plus grande précision en priorité aux trois capteurs à effet Hall (convertisseurs 16-bits). Ainsi, les deux capteurs de pression et les deux potentiomètres sont connectés aux convertisseurs 12-bits.



En ce qui concerne les servovalves, nous utilisons les trois convertisseurs N/A. Chaque servovalve, commandée entre -20 mA et +20 mA, est alimentée par un convertisseur tension/courant et dispose d'un réglage d'offset.

Les signaux issus des capteurs à effet Hall et des capteurs de pression sont filtrés (Passe Bas) à 300 Hz. Les expérimentations montrent que le rapport signal/bruit est grand et convient très bien à notre utilisation.

Pour une utilisation simple à partir du PC, le module logiciel "Cockpit" associé à l'environnement dSpace est utilisé. Cette Interface Homme/Machine (IHM) est présentée figure 3.21.

A chacune des trois chambres déformables sont associés les éléments suivants : - une alimentation en air comprimé, - une servovalve, - un capteur de pression, - un capteur de distance (effet Hall), - la possibilité de choisir une commande manuelle ou asservie, - tout le matériel et logiciel nécessaire à l'asservissement en position au centre de la

couronne.

Remarque :

Plutôt que asservissement, il serait plus juste de parler de régulation : eneffet, nous allons piloter la grandeur de commande (courant des servovalves)afin que l'EDORA reste le mieux possible au centre de la couronne, et ce,quelle que soit la position aléatoire de la plate-forme de base.

Lors d'une utilisation en mode automatique, suite à l'initialisation des pressions, il est possible de modifier les consignes de distance, les gains et les valeurs du correcteur de la chaîne directe. Les valeurs des distances suivant X et Y de la table XY sont toujours visibles, sur la dernière ligne de l'IHM.



Figure 3.21. IHM de commande de l'EDORA - Cockpit

Enfin, le schéma de commande figure 3.22 a été réalisé sous Simulink. Il gère le

fonctionnement de chaque chambre déformable. On y remarque aussi facilement les trois lignes correspondant aux trois chambres).

Les deux blocs nommés "Système Réel A/D (contrôle)" et " Système Réel D/A (commande)" représentent les connexions physiques avec la carte DS1102 pour les huit capteurs et les 3 servovalves.

Le bloc nommé "traitement" se charge des conversions des unités et prend en compte les caractéristiques et étalonnage de chaque capteur pour que l'affichage sur l'IHM apparaisse clairement.

Dans les trois blocs "retour1", " retour2" et " retour3", se trouvent : la boucle de retour en distance et le correcteur. Ils seront tous les deux étudiés dans le prochain chapitre.



Figure 3.22. Schéma de commande complet du robot - Simulink

3.1 Conclusion Les consignes du cahier des charges, détaillées au premier chapitre, ont été approchées pour la conception et la réalisation de la maquette de faisabilité. Même si la partie active a été développée ici à l'échelle 2, il sera possible dans une prochaine version de la diminuer facilement.

Le but étant de progresser au moins aussi vite que les coloscopes traditionnels, nous avons voulons concevoir une EDORA qui pourra remplacer le système de béquillage situé à leur extrémité. La maquette de faisabilité réalisée va aisément dans ce sens.

Elle a été conçue pour sa commodité d'utilisation, de réalisation de tests, pour sa facilité d'usinage et de modification. Elle permettra surtout de valider l'asservissement en position de l'EDORA.

L'EDORA mesure 94 mm de long et 26 mm de diamètre et supporte un aimant. La

maquette est équipée de trois capteurs à effet Hall pour mesurer la position courante de la plate-forme supérieure de l'EDORA par rapport à la couronne représentant le tuyau à inspecter.

Les servovalves commandent les changements de pression dans les chambres déformables en fonction de la position retournée par les capteurs à effet Hall. D'autres capteurs donnent à tout moment l'état des pressions présentes dans les chambres déformables.

La table XY et ses deux potentiomètres permettent de simuler les mouvements

aléatoires radiaux du coloscope dans d'intestin. Une photographie de l'ensemble du montage est montrée figure 3.23.



Figure 3.23. Photo de l'installation générale de la maquette de faisabilité Chaque couple chambre déformable-capteur à effet Hall est indépendant des autres et

agit dans sa propre direction pour éviter le contact entre la couronne et la plate-forme supérieure de l'EDORA. Nous sommes donc en présence de trois boucles de régulation indépendantes, mais mécaniquement liées (figure 3.24).

Figure 3.24. Représentation de la liaison automatique-mécanique de la maquette de faisabilité

Auto 1

Auto 2

Auto 3

Servovalve 3 Servovalve 2 Servovalve 1

1 2 3

1 2 3

EDORA

3

2

1

3 capteurs à effet Hall

3 chambres déformables

Au chapitre suivant, dans un premier temps, le modèle mathématique statique de

l'EDORA sera détaillé et des essais expérimentaux permettront de le valider. Dans un second temps, nous aborderons la phase d'identification dynamique de la maquette de faisabilité, comprenant les servovalves et tout le circuit pneumatique.


chapitre 3 conception de la maquette de...

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