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Quanser optimise des robots chirurgiens à l'aide de Maple

Industrie et  Technologies
Le prestataire d'études Quanser Consulting a utilisé le logiciel de Maplesoft pour mettre au point une technologie haptique qui est à la base de la chirurgie assistée par ordinateur.


L'haptique est une technologie permettant de renvoyer à l'utilisateur d'un système distant, par l'intermédiaire d'interfaces humaines telles que des joysticks, des indications sensorielles par retour d'effort, de sorte que celui-ci se sente physiquement au contact du système distant qu'il utilise. En permettant aux chirurgiens de toucher, de sentir physiquement et de répondre à des sensations réalistes, elle s'apprête à révolutionner la chirurgie moderne.

La chirurgie assistée par ordinateur consiste à faire réaliser par des outils robotiques de précision des gestes que le chirurgien effectue avec ses bras, ses mains, ses doigts, ce qui lui permet d'agir dans des zones du corps que la main humaine ne peut atteindre qu'au prix de larges incisions. Il est aussi possible de pratiquer des interventions en pilotant le robot à distance. Le spécialiste peut ainsi pratiquer beaucoup plus d'interventions et le malade peut accéder à des spécialistes très éloignés sans avoir à se déplacer.



Le démonstrateur de Quanser Consulting


Ainsi, grâce à la technologie haptique, un chirurgien commandant les mouvements d'un bras de robot peut, s'il rencontre un obstacle pendant une opération, ressentir la résistance que lui oppose cet obstacle et prendre les mesures nécessaires pour le contourner. La technologie haptique donne donc au chirurgien une perception plus précise des opérations que le système distant est en train de réaliser. Il n'est plus exclusivement tributaire d'un mode de perception purement visuel comme c'est le cas avec les systèmes traditionnels.

Les avantages du recours à des robots ainsi pilotés d'une telle technologie sont nombreux : une intervention moins lourde pour le patient ; une douleur et des pertes de sang réduites ; moins de complications ; une convalescence et une durée d'hospitalisation moins longues. Le marché de la robotique médicale connaît une croissance régulière depuis les sept dernières années et on estime que la demande mondiale pour ces technologies devrait dépasser rapidement le milliard de dollars annuel.

Maple aide à modéliser le système

Les interfaces haptiques élaborées ces dernières années présentent des degrés de liberté limités ou non commandés. Les interfaces haptiques développées par Quanser Consulting à 5 et 6 degré de liberté (x, y, z, tangage, roulis, lacet), avec une raideur et une réactivité élevées, et un degré minimal de non-linéarité, répondent aux exigences d'une intégration réussie des interfaces homme-machine dans les systèmes technologiques biomédicaux. Chaque degré de liberté des dispositifs haptiques de Quanser exige au moins un ensemble servomoteur composé d'un moteur électrique de précision et d'un capteur de position (un encodeur), le tout étant interconnecté au moyen d'un pantographe.

Lorsque le nombre de degrés de liberté augmente, la complexité des mécanismes fournissant les entrées du système devient telle qu'il devient virtuellement impossible de les modéliser à la main. C'est pourquoi Quanser crée des modèles mathématiques informatisés complexes afin de représenter les mouvements d'un robot, puis à partir du comportement prévisionnel, élabore les contrôleurs régissant à la fois les mouvements du robot et le "retour haptique" jusqu'aux mains du chirurgien.



La modélisation des bras du pantographe dans Maple


Pour développer ces contrôleurs, les ingénieurs de Quanser ont premièrement modélisé le comportement du mécanisme, tâche tellement longue qu'elle aurait été économiquement irréalisable à la main. Grâce à Maple, ils ont pu entrer les relations géométriques de base correspondant à la description du pantographe, puis ils ont développé les systèmes d'équations différentielles - dont beaucoup faisaient plusieurs pages de long - modélisant la cinématique et la dynamique du système. L'opération a été presque instantanée et a permis d'éviter toutes les erreurs inhérentes aux manipulations mathématiques manuelles. Une fois cette étape franchie, l'équipe a pu tester très rapidement son modèle en résolvant les équations de mouvement et en élaborant les stratégies de commande à l'intérieur de l'environnement Maple.

Les membres de l'équipe ont également utilisé la fonction optimisée de génération de code C de Maple pour exporter le modèle dans Simulink sous forme de blocs "S-function" en vue de la simulation et du test final avant la construction des contrôleurs.

« Maple est une pièce essentielle de notre processus de développement », explique Paul Gilbert, Président de Quanser Consulting. « Sans elle, nous n'aurions pas été en mesure d'élaborer les modèles de mécanismes. Et sans ces modèles, nous ne pouvions pas produire les contrôleurs et ce projet aurait avorté. C'est dire l'importance de Maple à nos yeux ».

Mais les avantages de Maple dans ce domaine ne s'arrêtent pas là. Le travail de l'équipe est enregistré et documenté dans des documents techniques Maple. « Cela représente un gain de temps considérable lorsque nous devons apporter des modifications à une étude, ou utiliser une étude comme base pour en créer une nouvelle », souligne Ryan Leslie, Ingénieur d'étude chez Quanser Consulting. « Il nous suffit d'ouvrir le document Maple correspondant, d'effectuer les modifications requises et de générer à nouveau le code. Et il va sans dire que pour un projet technologique de ce type, une telle fonctionnalité est infiniment précieuse ».

Enfin, Maple jour un rôle pédagogique important dans l'offre produits de Quanser Consulting. Comme toutes les mathématiques sous-jacentes peuvent être librement diffusées, Quanser Consulting fournit des support d'enseignement avec un ensemble de documents Maple, pour aider l'apprentissage et la compréhension du développement des contrôleurs de tous leurs équipements mécatroniques, incluant les outils haptiques.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.quanser.com & http://www.maplesoft.com


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