Force feedback tele-operation system for minimally invasive surgery
Télé-opération avec retour d'effort pour la chirugie mini-invasive
Résumé
This work concerns robotic assisted minimally invasive surgery. Nowadays, dedicated robotized systems do not include force feedback to the surgeon. Here, a force feedback teleoperation system is proposed. It is based on a position - position architecture and a slave robot force controller. The architecture enables teleoperation in free space as well as interactions with soft environment. The first contribution is the online environment stiffness estimation to guarantee stability of the system in contact with stiff object. Without considering a contact position, the parameter estimation strategy uses an extended Kalman filter technique with robot modeling errors compensation. The second contribution is the transparency and stability analysis of the force feedback teleoperation system. Based on the transparency and stability trade off, the architecture parameters are updated to guarantee a desired transparency. Experimental results using ex-vivo tissues, have shown good performances in contact with soft and stiff surfaces and for a teleoperated needle insertion task. The force feedback teleoperation scheme is then adapted to the minimally invasive surgery constraints. The first one is the trocar constraint. A secondary task is performed by a virtual null space robot, which attempts to have always the trocar position on the medical instrument. The second considered constraint is the physiological motion compensation during beating heart surgery. A force disturbance rejection control law is performed to compensate the environnement motion. Experimental results have shown the relevance and the effectiveness of the proposed strategies.
Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotique pour la chirurgie mini-invasive télé-opérée. L'une des principales limitations des systèmes existants concerne l'absence de restitution des efforts au chirurgien lorsqu'il télé-opère le robot. Ainsi, un système de télé-opération avec retour d'effort est proposé. Il est basé sur une architecture position - position avec une commande en effort du robot esclave. Cette dernière utilise un découplage non-linéaire du robot ainsi que des techniques d'observation et de commande par retour d'état. Des validations expérimentales ont montré les performances de l'architecture lors d'une télé-opération en espace libre et lors d'interactions avec un environnement de faible rigidité. Une première contribution est l'estimation en ligne de la raideur de l'environnement afin de garantir la stabilité du système lors d'interactions avec un environnement rigide. Cette stratégie utilise un filtre de Kalman étendu qui s'affranchit de la position de repos de l'environnement et qui considère une compensation des erreurs de modélisation du robot esclave. La deuxième contribution est l'étude de la transparence et de la stabilité de l'architecture de télé-opération. Une adaptation des paramètres de commande en fonction de la raideur estimée est proposée en considérant un compromis entre ces deux critères. La structure a été validée expérimentalement en considérant un environnement constitué de tissus ex-vivo. Une dernière contribution est l'adaptation de l'architecture de télé-opération avec retour d'effort aux contraintes imposées par la chirurgie mini-invasive. La première est le passage de l'instrument du robot par le trocart. Une architecture de commande utilisant le principe du découplage tâche - posture est alors proposée. La posture permettant le passage par le trocart est contrôlée en considérant la commande en position d'un robot virtuel attaché à l'instrument du robot télé-opéré. La deuxième contrainte considérée est la compensation des mouvements physiologiques. L'objectif étant d'offrir au chirurgien une stabilisation virtuelle de l'organe. L'approche de commande consiste à atténuer les perturbations dans les efforts appliqués sur un environnement en mouvement. La compensation repose sur une commande référencée modèle qui considère que les perturbations atténuées génèrent un déplacement du robot esclave. Des expérimentations ont montré la pertinence et l'efficacité des stratégies proposées.