Robot Porte-laparoscope EVOLAP

En adéquation avec les principes généraux énoncés ci-dessus, le robot EVOLAP est constitué de plusieurs sous-ensembles :

• un manipulateur principal déporté, qui génère les déplacements latéraux de l'image endoscopique en translatant un point du laparoscope autour de l'incision ;

• un manipulateur local qui modifie le grossissement de l'image et peut éventuellement entraîner sa rotation propre sans mouvement du manipulateur principal ;

• des éléments de liaison, à savoir un bras articulé passif qui relie les deux manipulateurs via deux liaisons pivots terminales libres et une fixation au rail latéral de la table ;

• et un joystick monté sur un des instruments chirurgicaux pour piloter le robot.

Le manipulateur principal a pour mission de générer à distance les 2 mouvements angulaires d'inclinaison du laparoscope. La conception du manipulateur principal a été guidée par une série d'objectifs liés à la sécurité ou à l'ergonomie :

faibles poids et encombrement ;

bonne réversibilité pour permettre au chirurgien de déplacer la caméra à la main en cas de besoin, et pour faciliter l'installation et les réglages ;

absence de mouvement du laparoscope en cas de coupure de courant ;

Comme expliqué plus haut dans les principes généraux, les 2 ddl de rotation du laparoscope autour de l'incision ne sont pas contrôlés de manière directe. Ils résultent du positionnement relatif du point du laparoscope maintenu par le robot (que nous appellerons point de préhension) vis-à-vis de l'incision par le biais des deux pivots passifs orthogonaux situés entre les manipulateurs principal et local. Pour déplacer l'image latéralement sans induire de mouvement parasite de zoom, le point de préhension du laparoscope doit rester à distance constante du centre de rotation. Autrement dit, le manipulateur principal doit déplacer le point de préhension sur la surface d'une sphère centrée sur l'incision.

L'architecture retenue est basée sur un robot à 2 ddl à parallélogrammes orthogonaux pour induire les translations de l'effecteur sur la surface d'une sphère, que nous appellerons simplement translations circulaires.

Un parallélogramme tel qu'illustré ci-dessus est un mécanisme plan à 1 ddl, constitué de quatre barres parallèles deux à deux connectées par des pivots d'axes orthogonaux au plan. En faisant varier d'un incrément α l'angle formé par la barre de base (fixe par rapport à la table) et une bielle adjacente, grâce à un actionneur, on provoque la translation circulaire de la barre terminale (aussi appelée effecteur, ou nacelle), parallèle à la barre de base. Ceci entraîne alors une rotation du laparoscope autour de l'incision du même angle α, à condition que celui-ci soit connecté au bras au moyen d'un pivot passif situé au point de préhension.

Ce mouvement peut être généré sans aucun placement spécifique du manipulateur par rapport à l'incision, pour autant que l'on puisse ajuster le bras afin de garantir un parallélisme initial entre le laparoscope et les bielles du parallélogramme et que la distance entre le point de préhension et le centre de rotation du laparoscope (l'incision) soit égale à la longueur de ces bielles.

En cas de mauvais réglages initiaux, les mouvements du laparoscope ne seront plus identiques à ceux des bielles du parallélogramme. Par exemple, si le parallélisme est respecté dans la configuration initiale mais que la distance entre le point de préhension et l'incision est supérieure à la longueur des bielles, alors l'arc de cercle parcouru par le point de préhension ne sera pas centré sur l'incision. Comme illustré à la figure ci-après, cela aura deux conséquences : d'une part, l'angle balayé par le laparoscope sera inférieur à celui décrit par le parallélogramme et, d'autre part, un mouvement parasite de translation du laparoscope le long de son axe propre apparaîtra. Dans le cas d'une configuration initiale avec une distance entre point de préhension et incision égale à la longueur des bielles mais un non-parallélisme entre laparoscope et bielles, des phénomènes similaires apparaissent.

En combinant deux parallélogrammes orthogonaux actionnés indépendamment, il est alors possible de bloquer tous les degrés de libertés en rotation de l'effecteur tout en lui conférant les 2 ddl en translation voulus afin qu'il puisse se déplacer sur la surface d'une sphère. L'architecture du système, présentée à la figure ci-dessous, a été conçue d'après ces considérations. Deux parallélogrammes identiques y sont clairement visibles, formés des pivots 3–4–6–5 et 7–8–10–9. Leurs barres de base 3–4 et 7–8 sont disposées verticalement sur la base du manipulateur principal, au travers des pivots 1 et 2. Quant à leurs barres terminales 5–6 et 9–10, elles sont reliées entre elles par la nacelle qui connecte les pivots 11 et 12. La longueur de la nacelle 11–12 étant égale à la distance entre les pivots de base 1 et 2, les deux parallélogrammes verticaux sont parallèles entre eux, et forment un troisième parallélogramme 1–2–12–11 avec la base et la nacelle. Ce parallélogramme de base étant orthogonal aux deux premiers, les trois ddl de rotation de la nacelle sont bien contraints. D'un point de vue cinématique, un seul des deux parallélogrammes verticaux est indispensable pour garantir cette contrainte et l'on pourrait donc supprimer une des deux bielles (7-9 ou 8-10) du second parallélogramme, mais la redondance vise à accroître la rigidité du mécanisme.

Tous les pivots de cette structure sont libres, à l'exception des trois articulations 13, 14 et 15 du bras articulé blocable qui permettent les réglages initiaux mais sont fixes lors du fonctionnement du système, ainsi que d'un pivot du parallélogramme de base et d'un second sur un parallélogramme vertical (en bleu sur la figure) qui sont motorisés. En actionnant l'articulation 3 la forme des deux parallélogrammes verticaux change, car la barre mobile 3–5 pivote par rapport à la barre de base 3–4 immobile. Les barres terminales 5–6 et 9–10 forcent alors la nacelle 11–12 à suivre une trajectoire circulaire parallèle aux plans des parallélogrammes verticaux, mais sans aucune rotation. De la même manière, lorsque l'articulation 1 est actionnée, le parallélogramme de base se déforme et la nacelle 11–12 décrit une translation circulaire dans un plan parallèle au plan de la base du manipulateur principal. La forme générale du volume de travail de ce manipulateur est donc bien une portion de la surface d'une sphère, obtenue par combinaison de ces translations circulaires orthogonales.

Pour permettre une manipulation manuelle du laparoscope lorsque celui-ci est connecté au système (exigence du cahier des charges), des moteurs DC sans balai équipés de réducteurs planétaires ont été choisis. Contrairement à d'autres types de réducteurs, ceux-ci sont réversibles lorsque le rapport de réduction n'est pas trop élevé, que les frottements internes sont minimisés et que l'inertie du rotor du moteur est faible. Cette solution, certes moins efficace qu'un asservissement à effort nul, a le mérite d'être simple à implémenter et peu coûteuse (pas besoin de mesurer les efforts appliqués à la main).

Les fonctions d'agrandissement/réduction de la taille de l'image, et de rotation de celle-ci autour de son axe normal, sont confiées au manipulateur local. En tenant compte du fait que tous les organes ne sont pas équidistants de l'incision, le manipulateur doit permettre un facteur de grossissement de 5, pour avoir assez de recul par rapport aux organes les plus proches de l'incision, tout en pouvant s'approcher suffisamment des plus distants. Cette fonction est réalisée par simple translation du laparoscope le long de son axe propre, comme le fait le chirurgien en cas de manipulation manuelle. Quant à la rotation de l'image, celle-ci doit être motorisée lorsque le laparoscope utilisé a une optique dont l'angle de vision n'est pas aligné avec l'axe longitudinal (typiquement 30°, 45° voire 60°). Cependant, dans la majorité des opérations, une optique droite est utilisée et la rotation doit alors être bloquée en permanence pour maintenir une ligne d'horizon la plus stable possible et éviter que le chirurgien ne perde ses repères anatomiques.

Outre la fonction purement physique de connexion du manipulateur local au manipulateur principal, et de ce dernier à la table, les éléments de liaison doivent également remplir une autre fonction : permettre d'ajuster la position du point de préhension du laparoscope par rapport au manipulateur principal afin de satisfaire les conditions géométriques énoncées plus haut.

Une contrainte supplémentaire liée à la cinématique (voir section suivante) est que, dans la configuration de référence du laparoscope choisie dans le plan vertical médian de l'espace de travail souhaité pour l'intervention, les deux pivots passifs situés entre le bras et le manipulateur local soient orthogonaux entre eux et avec le laparoscope. Le second pivot (17) remplit toujours ces conditions mais l'orientation du premier (16) doit pouvoir être ajustée manuellement lors de l'installation.

Au total, les éléments de liaison doivent donc offrir 3 ddl en translation et un DDL en orientation. La solution retenue consiste à placer une glissière verticale entre la table et le robot et recourir à un bras à 3 ddl dont l'extrémité serait déplaçable dans un plan parallèle à la table et orientable dans ce plan, afin de minimiser la masse en mouvement. Diverses architectures ont été envisagées, telles que le SCARA (trois rotations consécutives comme dans la figure décrivant la structure) ou une chaîne pivot-glissière-pivot. Une version combinant la glissière et le premier pivot entre la nacelle du manipulateur principal et le bras a été choisie, pour sa simplicité.