FR2965501A1 - Structure mecatronique flexible pour un ensemble cinematique, dispositif chirurgical et membre artificiel utilisant cette structure - Google Patents

Abstract

La structure mécatronique flexible, destinée à un ensemble cinématique, est reliée à au moins une de ses extrémités à des moyens de commande aptes à déclencher, par l'intermédiaire de moyens d actionnement un mouvement d'une partie flexible de la structure. La partie flexible comprend au moins un bloc flexible (170) constitué d'au moins un élément flexible (10) et d'au moins un actionneur (172) connecté aux moyens d actionnement déclenchant un mouvement de la partie flexible de la structure, l'actionneur étant fixé à l'élément flexible de façon à pouvoir soumettre l'élément flexible à un mouvement déclenché par les moyens de commande.

Description

STRUCTURE MECATRONIQUE FLEXIBLE POUR UN ENSEMBLE CINEMATIQUE, DISPOSITIF CHIRURGICAL ET MEMBRE ARTIFICIEL UTILISANT CETTE STRUCTURE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à une structure mécatronique flexible pour un ensemble cinématique utilisable dans le domaine médical ou paramédical. Elle 10 peut être utilisée pour obtenir un dispositif permettant de réaliser des interventions chirurgicales sur un organe ou une région du corps d'accès difficile et dans des conditions mini-invasives. Elle peut aussi être utilisée pour réaliser des prothèses articulaires 15 ou des membres artificiels. Comme exemple de chirurgie mini-invasive, on peut citer celles connues sous les sigles SILS (pour « Single Input Laparoscopic Surgery ») ou NOTES (pour « Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery »). 20 Dans cette application, l'invention concerne spécifiquement les instruments offrant une grande dextérité pour la réalisation d'interventions et de gestes chirurgicaux complexes dans des zones difficiles d'accès. Ces instruments sont utilisables avec le 25 support d'une vision de la scène via un endoscope, ou à l'aide de techniques d'imagerie interventionnelle non invasive comme les sondes échographiques (image ultra-sons), la radiographie (rayons X), l'IRM, etc. Leur conception leur permet également d'être utilisés en 30 chirurgie ouverte, pour atteindre des zones non5 accessibles par des instruments droits, voire intégrer une source de vision. L'utilisation d'organes robotisés de préhension / manipulation est requise dans différents contextes : lorsqu'il s'agit de soulager les opérateurs, de gagner en productivité et réactivité (augmenter les cadences), de réaliser ces opérations à distance ou dans des milieux hostiles, et de compenser voire suppléer les fonctions de préhension / manipulation lorsqu'elles ne sont pas possibles. Les domaines d'application de ces systèmes robotiques sont, par exemple : - la préhension et la manipulation industrielle (packaging, tri sélectif de déchets, préparation de commandes pour la Vente Par Correspondance, démantèlement...). - la robotique humanoïde et de service (assistance aux personnes valides ou invalides, âgées ou handicapées ...) . - les orthèses ou les prothèses de membres supérieurs pour personnes âgées, handicapés ou amputés (par exemple doigts ou mains). Dans chacune de ces applications, le besoin d'effecteurs capables de saisir et de manipuler des objets de formes variées se fait de plus en plus ressentir. En effet, les objets concernés peuvent être de forme complexe, de dimensions et masse variables, fragiles, déformables, souples, mouillés, sales, avec des états de surface et propriétés d'adhérence irréguliers (vêtements, aliments, boîtes, outils, personnes, etc.).

Alors que pour les applications industrielles classiques, l'organe robotique de préhension est généralement un effecteur spécialisé (le plus souvent une simple pince), ce type d'organe ne constitue pas un préhenseur versatile évolué permettant de s'adapter à n'importe quel objet à manipuler (par exemple le préhenseur Schunk et la main dite «Barrett band» -1988, Etats-Unis- commercialisée par Barrett Technology Inc. depuis 1999 et distribuée par Robosoft). La réalisation efficace de tâches variées de préhension et manipulation complexe, nécessite l'utilisation de préhenseurs robotiques versatiles et dextres. Les doigts et/ou mains mécaniques, robotiques ou plus largement artificiels sont de bons candidats, car ils permettent en théorie de combiner une haute dextérité (nombre important de degrés de mobilité commandés sélectivement) avec la précision et la fiabilité d'un système robotique. Les systèmes rencontrés dans la littérature sont de différents types et peuvent être caractérisés par : leur dextérité (cinématique, nombre total de degrés de mobilité, éventuels couplages mécaniques), mais aussi par leur puissance (forces mises en jeu dans les tâches de préhension/manipulation), leur taille, leur masse et leur instrumentation en capteurs.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il existe un certain nombre d'instruments ou de systèmes permettant la réalisation de gestes chirurgicaux nécessitant une certaine dextérité (degrés de mobilité de l'outil strictement supérieur à 1), comme par exemple la suture, la découpe, l'ablation, la résection, l'agrafage, etc., en pénétrant dans le corps du patient au moyen d'un trocart, ou plus généralement par une incision de très faibles dimensions (pour ce qui est des voies naturelles, le rectum, par exemple) . Le robot Da Vinci, développé par la société Intuitive Surgical, Inc., peut permettre la réalisation de gestes chirurgicaux en chirurgie mini-invasive, mais il reste encombrant, cher d'exploitation, ne permet pas d'accéder et d'agir dans des zones difficiles d'accès à cause de la faible dextérité de ses instruments robotisés (tige droite et dextérité concentrée à l'extrémité distale de l'instrument), limitée par les solutions techniques employées (systèmes articulés et transmissions à câbles et poulies). En outre, ses instruments les plus manipulables restent d'un diamètre assez important (6 mm), leur encombrement les rend inaptes à des opérations telles que la SILS, et leur manque de dextérité inutilisables pour des opérations chirurgicales complexes (dextres et avec accès non rectiligne à la zone opératoire, par exemple comme en NOTES). Il existe aussi des instruments non motorisés manuels (CambridgeEndo, REALHand® ou Radius Surgical System) qui peuvent permettre la réalisation de gestes chirurgicaux plus complexes, mais ils restent d'un diamètre assez important (entre 10 et 5 mm) et, comme dans le cas précédent, ils ne permettent pas d'accéder et d'agir dans des zones difficiles d'accès (tige droite et dextérité concentrée à l'extrémité distale de l'outil), du fait, ici aussi, des solutions techniques employées (systèmes articulés, quelques fois flexibles, et transmissions à câbles et poulies). D'autres systèmes à très haute mobilité existent, mais leur usage est exclusivement limité à l'exploration et la vision de scènes opératoires (endoscopes), à l'apport de solutions ou médicaments ou à l'aspiration de fluides biologiques (cathéters). Leur usage pour la réalisation de tâches opératoires nécessitant l'application d'efforts sur les tissus et la réalisation de gestes locaux adroits n'est pas possible, du fait de leur trop grande souplesse, de leur faible rigidité en position, des faibles efforts pouvant être appliqués par l'outil et du faible nombre de degrés de mobilité commandés sélectivement.

Dans le domaine des membres artificiels, on peut citer le cas des mains. Les mains pour lesquelles toutes les mobilités sont actionnées de manière indépendante par un ou plusieurs moteurs sont les plus polyvalentes, car elles se prêtent aussi bien à l'empaumement d'objets qu'à toute forme de saisie et de manipulation dextre. La plupart utilisent une architecture mécanique classique couplée, via des transmissions par câbles, à une motorisation électromécanique (main d'Okada -1979, Japon-, main du JPL / Stanford -1983, Etats-Unis-, UB Hand II -1992, Bologne, Italie-, main du LMS -1995, Poitiers, France-), des vérins pneumatiques (main de l'UTAH / MIT -1983, Etats-Unis-) ou des moteurs à ultrasons (main TUAI/Karlsruhe). De ce fait, ces démonstrateurs sont extrêmement coûteux, d'encombrement et de masse élevée, ce qui compromet leur utilisation en robotique de service ou en tant que prothèse. Les mains mécaniques à mouvements couplés (couplages cinématiques entre articulations de phalanges), sont dédiées avant tout à la manipulation ou la saisie en bouts de doigts. Elles possèdent donc une dextérité limitée. La plupart de ces mains sont elles aussi de conception classique (articulations rigides, moteurs électromécaniques / à courant continu, transmissions de type câbles, tendons, courroies, pignons, engrenages) (ex : la main de l'Université de GIFU -2001, Japon-, Cyberhand Project -2005, Arts Lab, SSSA, Pise, Italie-). Ces mains peuvent atteindre une taille acceptable quand les moteurs sont logés dans l'avant-bras. Plus intégrées, la main DLR Hand II (2003, Allemagne) et la main du LMS (2006, Poitiers, France) sont actionnées par des moteurs logés dans la paume et les phalanges proximales, mais dans ce cas, leur taille reste supérieure à celle d'une main humaine de taille moyenne (le rapport est souvent compris entre 1,5 et 2). La main DLR-HIT (2008, Allemagne/Chine), plus récente, atteint l'échelle humaine, mais pèse encore 1,5 kg. Les mains sous-actionnées sont réservées à la prise d'objets par empaumement ou à la prise en bout de doigts, et sont inaptes à la manipulation. Leur technologie est classique (articulations, transmission par câbles et moteurs à courant continu) (main mono-actionneur du LMS -1991, Poitiers, France-, main SARAH -1999, Université Laval, Québec-, main de TUAI/Karlsruhe -Allemagne, 2000-).

Enfin, pour ce qui est des prothèses de main commercialisées à ce jour (de taille humaine), celles-ci utilisent des technologies classiques et ne réalisent que des mouvements de simple ouverture et fermeture des doigts («ElectroHands» produit de la société Otto Bock, produits des sociétés Proteor et TechInnovation) : elles sont donc non dextres. La plus évoluée est la i-limb (Touch Bionics, Edinburgh, Ecosse, 2008) qui possède 5 doigts : le poignet et le pouce s'indexent en position et la flexion de chaque doigt est commandée par un moteur électromécanique fixé dans la première phalange. Des technologies moins classiques sont utilisées partiellement dans deux mains . la UB Hand III (Université de Bologne -2005, Italie-), est la seule qui utilise des articulations flexibles. Elle est de taille humaine, mais sa dextérité est très limitée (actionnement par moteurs et tendons), et ne permet pas la mesure de forces internes ; la « Blackfingers band » (Milan, Italie) et la main Shadow (produit commercial de Shadow Robot Compagny -2004, Royaume-Uni-) sont d'architecture mécanique classique, actionnée par des muscles pneumatiques de type «Mc Kibben» déportés dans l'avant bras et alimentés par un compresseur externe.

Les mains artificielles qui possèdent actuellement la meilleure dextérité restes encombrantes et lourdes, ce qui les rend inutilisables dans les applications citées précédemment. En effet, elles atteignent les limitations de leur intégration / miniaturisation technologique, inhérente à une conception classique constituée d'assemblages complexes incluant beaucoup d'éléments mécaniques / mécatroniques. La réduction de la taille de la main, sans nuire aux performances en force, est parfois obtenue en déportant l'ensemble de la motorisation (et l'alimentation en puissance) dans l'avant-bras, ce qui ne résout pas le problème de l'encombrement global et du poids, et augmente leur complexité mécanique. Pour gagner en poids, le nombre d'articulations et de degrés de mobilité est souvent réduit, ce qui dégrade alors leurs performances de dextérité. Ainsi, la DLR-band III (German Aerospace Center), qui est probablement la main robotique la plus avancée en termes d'intégration de technologies mécatroniques classiques, possède une architecture à dextérité limitée (seulement 13 ddl) qui ne lui permet pas de réaliser tous les mouvements. De plus, sa taille dépasse la taille de la main humaine d'environ 40%. Une autre limitation concerne la mesure de forces internes et externes, pour pouvoir interagir avec l'environnement (objets manipulés, contact avec l'homme...) de façon flexible, sûre et fiable. Une bonne estimation des efforts nécessite un nombre important de capteurs. Mais leur intégration devient délicate dans le cas de conceptions mécatroniques complexes (comme celles qui utilisent des transmissions par câbles). La main Shadow, proche de la dextérité de la main humaine, possède, de par sa technologie d'actionnement (muscles pneumatiques de type McKibben) une souplesse naturelle compatible avec la préhension d'objets souples ou fragiles. De plus, la mesure des efforts d'interaction par mesure proprioceptive est possible dans ses actionneurs, mais ceux-ci étant déportés dans l'avant-bras, la sensibilité de l'estimation de ces efforts (nécessaire pour des manipulations fines ou d'objets fragiles) est limitée par les seuils physiques des mécanismes et transmissions utilisés. L'état de l'art montre donc que les mains robotiques / artificielles n'intègrent jamais tous les critères suivants réunis, mais seulement quelques uns parmi ces critères : -dextérité et versatilité (architecture cinématique et nombre de degrés de mobilité suffisamment importants pour réaliser des gestes complexes), intégration (encombrement réduit, légèreté) pour être embarquée sur un bras de robot industriel, humanoïde, ou de service, ou constituer une orthèse / prothèse adaptable au membre supérieur d'une personne, génération d'efforts relativement importants (au moins de l'ordre de ceux fournis par la main humaine), instrumentation en capteurs (mesure de forces internes, perception des efforts d'interaction avec le milieu environnant), - apparence humaine. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a été conçue pour remédier aux inconvénients des dispositifs de l'art antérieur exposés ci-dessus.

A cette fin, il est proposé, selon la présente invention, une structure mécatronique flexible utilisable dans un ensemble cinématique, l'ensemble cinématique étant destiné à interagir, être disposé sur ou introduit dans le corps d'un patient, la structure flexible pouvant être actionnée depuis des moyens de commande par des moyens d'actionnement. La structure flexible est constituée d'au moins un élément flexible et d'au moins un actionneur connecté aux moyens d'actionnement. L'actionneur est fixé à l'élément flexible de façon à pouvoir soumettre l'élément flexible à un mouvement déclenché par les moyens de commande. Un but de la présente invention est de proposer, grâce à cette structure mécatronique flexible, un dispositif apte à atteindre une zone opératoire d'accès difficile (par exemple nécessitant le contournement d'autres organes et/ou nécessitant le passage par des voies naturelles sinueuses), voire impossible avec les outils ou systèmes existants (outils droits ou limités à quelques degrés de mobilité en extrémité d'une tige droite, au détriment du diamètre minimal, de l'ordre de 5 mm). Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant de réaliser dans une zone opératoire une tâche chirurgicale complexe (anastomose, suture, ablation, résection, agrafage, manipulation, découpe, y compris la vision), rendue possible par un outil offrant une grande dextérité, à plusieurs degrés de mobilités (prolongeant ainsi la main du chirurgien) et de section de très faible diamètre (inférieur ou égal à 5 mm). Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif performant, approprié à la stérilisation et au jetable, capable de produire des forces relativement importantes. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif qui n'est pas dangereux pour les tissus environnants et/ou les tissus opérés: par sa souplesse relative couplée à la mesure des efforts d'interaction de l'outil avec cet environnement, via des mesures proprioceptives et/ou extéroceptives, et le couplage avec un système de contrôle électronique pour le commander et le rendre plus sûr pour le patient (limitation automatique des efforts appliqués par le dispositif). Encore un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif manipulable manuellement par le chirurgien, téléopéré via une interface physique dédiée (bras maître, éventuellement à retour d'effort), ou utilisé à l'aide d'un bras de robot chirurgical. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif modulable, du fait qu'il peut être constitué d'un assemblage de cellules élémentaires indépendantes et découplées pouvant être associées à façon et actionnées sélectivement. Encore un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant de répondre à un besoin chirurgical en réduisant les coûts d'exploitation de certains outils robotisés, liés à leur conception complexe, chère et peu appropriée à la stérilisation. Encore un autre objet de l'invention est de fournir, grâce à cette structure flexible un membre artificiel. Un bon exemple d'un membre artificiel complexe est constitué par une main. Pour pouvoir surmonter les limitations des mains artificielles actuelles et ainsi disposer de systèmes robotiques pour la préhension / manipulation dextre, adaptés notamment aux domaines d'application mentionnés, la présente invention propose une nouvelle brique technologique mécatronique (structure mécanique et actionnement / mesure) qui permet la réalisation de doigts / mains robotiques / artificiels, possédant simultanément ces performances : - une bonne dextérité (architecture cinématique et nombre de degrés de mobilité suffisamment importants pour réaliser des gestes complexes), - un haut niveau d'intégration mécatronique (encombrement réduit des doigts et de la main, légèreté), - mesure de forces proprioceptives, - génération d'efforts relativement importants combinés à une souplesse structurelle. Cette brique technologique est un bloc flexible constitué d'une structure flexible (qui utilise la déformation du matériau structurel pour 30 réaliser des mouvements) et d'au moins un actionneur localisé (ou faiblement déporté). Le bloc flexible, 25 choisi ici pour produire un mouvement de flexion, peut constituer une articulation de doigt. Le ou les actionneurs peuvent être intégrés au bloc flexible, ou être faiblement déportés (par exemple, dans les phalanges ou la paume de la main). Un bloc flexible peut être combiné à des éléments flexibles pour réaliser des degrés de mobilité actionnés, des degrés de liberté passifs (élastiques) ou des degrés de mobilité couplés. Les figures 31A et 31B montrent un exemple de réalisation de main robotique dont les articulations sont constituées de blocs flexibles de type flexion. Cette brique technologique permet donc de faciliter l'intégration mécatronique (limitation du nombre de pièces mécaniques, simplification de l'assemblage), et rend donc possible l'obtention de systèmes possédant un nombre important de mobilités commandées sélectivement, pour atteindre la dextérité voulue.

De conception intégrée, ces systèmes peuvent donc être compacts, légers, de bas coût, voire esthétiques. Ils rendent possibles une énergie et un contrôle-commande embarqués, ce qui leur donne la portabilité nécessaire pour pouvoir être facilement adaptés au bout d'un bras de robot ou attachés au bout du bras d'une personne. Par ailleurs, l'utilisation d'une structure flexible (monolithisme structurel) permet d'éviter les problèmes fonctionnels et de fiabilité rencontrés habituellement dans les systèmes articulés et transmissions mécaniques (jeu, frottement), et la rend sensible aux efforts extérieurs. Cela permet la mesure de forces proprioceptives avec une bonne fiabilité (capteurs intégrés au plus proche des articulations). Ainsi, par exemple, dans le cas où l'actionneur est un muscle à changement de volume de type fluidique, d'une part les puissances mécaniques produites sont importantes, et d'autre part la connaissance du changement de volume commandé et la mesure de la pression dans le circuit fluidique permettent, à l'aide d'un modèle comportemental de la structure flexible et de l'actionneur, d'estimer précisément les efforts extérieurs qui s'appliquent sur le système (interaction avec l'utilisateur et/ou l'environnement). Ceci permet d'obtenir un système relativement puissant dont le fonctionnement est fiable et sûr, ce qui est recherché notamment pour les applications de manipulation d'objets fragiles ou pour les prothèses / orthèses, où le dispositif ne doit pas être dangereux pour l'utilisateur et/ou son environnement. Cette sécurité est obtenue par la mesure et le contrôle des efforts appliqués et/ou d'interaction avec l'utilisateur / l'environnement, mais aussi du fait de la souplesse structurelle naturelle inhérente à la technologie mécanique utilisée pour construire le système. En utilisant la mesure de déplacements et forces internes et externes, le système de contrôle électronique permet également d'obtenir une commande des doigts/mains garantissant la maîtrise d'une manipulation dextre, fiable et versatile, s'adaptant à la tâche.

L'invention a pour objet une structure mécatronique flexible pour un ensemble cinématique, la structure étant reliée à au moins une de ses extrémités à des moyens de commande aptes à déclencher, par l'intermédiaire de moyens d'actionnement, un mouvement d'une partie flexible de la structure. La structure est caractérisée en ce que la partie flexible comprend au moins un bloc flexible constitué d'au moins un élément flexible et d'au moins un actionneur connecté aux moyens d'actionnement déclenchant un mouvement de la partie flexible de la structure, l'actionneur étant fixé à l'élément flexible de façon à pouvoir soumettre l'élément flexible à un mouvement déclenché par les moyens de commande.

La partie flexible de la structure peut comprendre au moins un bloc flexible supplémentaire et/ou au moins un élément flexible supplémentaire de façon à conférer plusieurs degrés de mobilité au dispositif, le ou les blocs flexibles supplémentaires et le ou les éléments flexibles supplémentaires pouvant être associés en série, en parallèle ou de façon arborescente avec le bloc flexible. Un élément flexible supplémentaire associé en série, en parallèle ou de façon arborescente avec le bloc flexible peut transmettre un couple ou un mouvement de rotation dans la structure, produit par un actionneur. Il peut s'agir d'un ressort ou d'un arbre flexible. L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un élément constitué de l'agencement solidaire de plusieurs formes de base flexibles choisies parmi une poutre, une barre, une colonnette, une lame, une languette, une poutre courbe, une barre courbe, une colonnette courbe, une lame courbe, une languette courbe, un arceau, une hélice, une spirale et un arbre flexible. Par exemple, une forme de base flexible en X peut être obtenue en agençant deux poutres droites connectées en leur milieu ou quatre poutres droites connectées à leurs extrémités. Dans cet agencement, chaque forme de base flexible choisie est positionnée avec une orientation d'angle compris entre 0 et 360° par rapport à l'axe longitudinal de l'élément flexible (ou de la structure flexible). L'agencement, les matériaux et les dimensions de chaque forme de base au sein de l'élément flexible peuvent être optimisés de façon que l'élément flexible possède des performances mécaniques visées, par exemple en termes de raideur mécanique, de force et/ou de couple transmissible et/ou d'amplitude de mouvement.

L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un élément induisant un mouvement de flexion dans la partie flexible de la structure. L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un élément induisant un mouvement de rotation dans la partie flexible de la structure. L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un élément induisant un mouvement de translation dans la partie flexible de la structure.

L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un élément induisant un mouvement couplé dans la partie flexible de la structure, combinant au moins deux mouvements choisis parmi : une flexion, une rotation et une translation. L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un outil chirurgical.

L'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire peut être un élément constituant un guidage flexible. L'actionneur, éventuellement couplé à un système de transmission mécanique (par exemple comportant un fil, un câble, une tringle, un ressort ou un arbre flexible), peut être choisi parmi un fil ou une bande en alliage à mémoire de forme, un actionneur à mémoire de forme, un moteur électromagnétique, un actionneur piézoélectrique, un moteur à ultra-sons, un actionneur magnétostrictif et un actionneur à polymère électro-actif. L'actionneur peut être un actionneur à changement de volume, éventuellement associé à un réservoir connexe ou local. Il peut comprendre un tube étanche et souple, contenant un matériau à changement de volume, et une gaine ou un élément de rigidification entourant le tube ou noyé dans la paroi du tube et contraignant radialement la déformation du tube dans une direction transversale à l'axe longitudinal de l'actionneur, et en relation avec la déformation longitudinale de l'actionneur.

La structure peut comprendre en outre une articulation de rotation comprenant un axe et un muscle à changement de volume enroulé en hélice autour de l'axe et solidaire, par une première extrémité, dudit axe et, par une deuxième extrémité, de la structure, le muscle à changement de volume étant apte à entraîner l'axe en rotation sous l'effet d'une commande. L'actionneur à changement de volume et/ou son réservoir peut comprendre une seringue, un piston, un vérin ou un soufflet. L'actionneur à changement de volume peut être un actionneur fluidique. Un réservoir fermé contenant du fluide nécessaire pour le fonctionnement de l'actionneur fluidique peut être déporté et connecté à l'actionneur par un tube d'alimentation en fluide, ce tube étant souple. Un capteur de pression peut être associé à l'actionneur à changement de volume pour mesurer la pression interne à l'actionneur à changement de volume et en déduire les efforts d'interaction entre la structure et son environnement, et/ou un capteur de déformation peut être associé à l'élément flexible pour mesurer son état de déformation et en déduire les efforts d'interaction entre la structure et son environnement.

Les moyens d'actionnement ou de commande de l'actionneur peuvent être choisis parmi des moyens d'actionnement ou de commande manuels ou des moyens d'actionnement ou de commande motorisés. La structure peut comprendre au moins un bloc flexible ou un élément flexible montable, démontable, jetable ou interchangeable.

La structure peut être équipée d'au moins un capteur externe, apte à renseigner un utilisateur sur une température, un courant électrique, un mouvement effectué ou un effort produit par un composant de la structure sur son environnement. Ce capteur externe peut être un capteur choisi parmi un capteur de force mono-axe ou multi-axe mesurant une force de cisaillement et/ou de serrage, ou un capteur tactile mesurant une force de contact, exercée par un ou plusieurs éléments de la structure (outil chirurgical ou autre bloc flexible de la structure), sur son environnement (organe, région du corps d'un patient ou objet manipulé). La structure peut comprendre un système de contrôle recevant des données d'au moins un capteur pour contrôler et/ou limiter le mouvement et/ou les efforts produits par le dispositif sur son environnement. L'invention a aussi pour objet un dispositif chirurgical pour réaliser des gestes chirurgicaux exigeant une grande dextérité sur un organe ou une région du corps d'accès difficile et dans des conditions mini-invasives, comprenant une structure telle que définie ci-dessus, la première extrémité de la structure étant une extrémité proximale pour le dispositif, la structure pouvant comprendre à son extrémité distale un outil chirurgical et/ou un moyen d'exploration apte à être actionné depuis les moyens de commande par des moyens d'actionnement.

Les moyens de commande de ce dispositif chirurgical peuvent être choisis parmi une poignée à actionnement mécanique ou motorisé, une interface de téléopération, éventuellement à retour d'effort, ou un bras de robot chirurgical. Un moyen de visualisation peut être fixé à l'extrémité distale de la structure. L'invention a encore pour objet un membre artificiel comprenant au moins une articulation comprenant la structure telle que définie ci-dessus, la première extrémité de la structure étant une extrémité proximale pour un patient ou un robot. Les moyens de commande de ce membre artificiel peuvent alors être des moyens de commande électroniques, éventuellement à retour d'effort. Les moyens de commande électroniques peuvent être des moyens mettant en oeuvre des techniques et/ou signaux d'électroencéphalographie et/ou des techniques et/ou signaux d'électromyographie.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un élément flexible pouvant être utilisé, dans la structure flexible selon l'invention, pour conférer une flexion unidirectionnelle à un degré de mobilité, - la figure 2 représente un élément flexible pouvant être utilisé, dans la structure flexible selon l'invention, pour conférer une flexion bidirectionnelle à un degré de mobilité, - la figure 3 représente un élément flexible pouvant être utilisé, dans la structure flexible selon l'invention, pour conférer une flexion bidirectionnelle à un degré de mobilité, - les figures 4A et 4B illustrent un premier exemple d'élément flexible permettant de conférer à la structure flexible selon l'invention un degré de mobilité en translation selon l'axe longitudinal du dispositif, - les figures 5A et 5B illustrent un deuxième exemple d'élément flexible permettant de conférer à la structure flexible selon l'invention un degré de mobilité en translation selon l'axe longitudinal du dispositif, - les figures 6A et 6B illustrent un premier exemple d'élément flexible utilisable dans la structure flexible selon l'invention pour lui conférer un degré de mobilité de rotation propre d'angle fini, - la figure 7 illustre un deuxième exemple d'élément flexible utilisable dans la structure flexible selon l'invention pour lui conférer un degré de mobilité de rotation propre d'angle fini, - les figures 8 et 9 montrent chacune un élément flexible utilisable dans la structure flexible selon l'invention et constitué par un ressort hélicoïdal permettant de transmettre un couple ou une rotation d'angle infini le long de la structure flexible et à travers d'autres blocs ou éléments flexibles, - la figure 10 montre un dispositif chirurgical selon l'invention en cours d'utilisation chez un patient, - la figure 11 représente un autre exemple d'éléments flexibles utilisables dans la structure flexible selon l'invention pour la transmission découplée de deux rotations ou couples de façon coaxiale, - les figures 12A et 12B illustrent un modèle de pince flexible utilisable dans le dispositif chirurgical selon l'invention, - les figures 13A et 13B illustrent un modèle de pince porte-aiguille flexible utilisable dans le dispositif chirurgical selon l'invention, - la figure 14 représente, vu en perspective, un muscle fluidique de type McKibben, - la figure 15 représente un détail du muscle fluidique représenté à la figure 14, - les figures 16A à 16C montrent des exemples de tresses utilisables pour le muscle fluidique représenté à la figure 14, - les figures 17 et 18 montrent deux configurations possibles du système d'alimentation fluidique pour la commande du mouvement de l'élément décrit à la figure 1 et comprenant un muscle fluidique de type McKibben, - la figure 19 est une vue en coupe longitudinale d'un actionneur à changement de volume utilisable pour la structure flexible mécatronique selon l'invention, - les figures 20 et 21 montrent des blocs flexibles constitués par des éléments flexibles équipés de deux muscles fluidiques de type McKibben, utilisables pour la structure flexible mécatronique selon l'invention, - les figures 22A à 22D illustrent un bloc flexible à deux degrés de mobilité (une flexion et une rotation distale), utilisable pour la structure flexible mécatronique selon l'invention, - les figures 23A et 23B montrent deux blocs flexibles, chacun possédant un degré de mobilité (de flexion), connectés en série, à travers lesquels passe un organe de transmission d'une rotation distale, pour former un ensemble utilisable pour la structure flexible mécatronique selon l'invention, - la figure 24 montre un autre exemple de deux blocs flexibles indépendants connectés en série pour former un ensemble utilisable pour la structure flexible mécatronique selon l'invention, à travers lesquels passe un organe de transmission d'une rotation distale, - les figures 25A et 25B montrent deux autres blocs flexibles indépendants connectés en série pour former un ensemble utilisable pour la structure flexible mécatronique selon l'invention, à travers lesquels passent un organe de transmission d'une rotation relative du second bloc par rapport au premier bloc et un organe de transmission d'une rotation distale, - les figures 26A et 26B représentent un bloc flexible de type outil comprenant une pince

flexible et son actionneur, utilisable dans le dispositif chirurgical selon l'invention, - les figures 27A et 27B représentent un bloc flexible de type outil comprenant une pince porte- aiguille flexible et son actionneur, utilisable dans le dispositif chirurgical selon l'invention, - les figures 28A à 28C représentent différentes vues d'une partie d'un dispositif chirurgical selon la présente invention, - les figures 29A et 29B représentent une partie d'un dispositif chirurgical selon la présente invention, - la figure 30 représente un bloc flexible à un degré de mobilité en rotation utilisable dans la structure flexible mécatronique selon la présente invention, - les figures 31A et 31B représentent une main artificielle selon la présente invention, la figure 31A représente la main artificielle avec des doigts tendus tandis que la figure 31B représente la main artificielle avec un doigt légèrement plié.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention va d'abord être décrite dans son application à la constitution d'un dispositif chirurgical pour réaliser des gestes chirurgicaux exigeant une grande dextérité sur un organe ou une région du corps d'accès difficile et dans des conditions mini-invasives. Elle va ensuite être décrite dans son application à la réalisation d'une main artificielle.

Les nouvelles articulations et les outils distaux du dispositif sont obtenus par l'utilisation d'éléments structurels flexibles, en remplacement d'articulations mécaniques classiques (qui sont constituées généralement de pièces rigides articulées entre elles pour obtenir un mouvement relatif). Ces éléments permettent de produire des flexions d'angles importants pouvant même dépasser 90°, des rotations, des translations, ou toute autre cinématique. Les matériaux employés pour réaliser ces éléments flexibles peuvent être métalliques, polymères, super-élastiques, à mémoire de forme, intelligents, etc. Ces nouvelles articulations et ces outils distaux peuvent rester passifs ou être actionnés. L'assemblage du dispositif lors de sa fabrication se trouve facilité, car les éléments flexibles peuvent être réalisés dans un unique bloc de matière (par usinage ou moulage). Les actionneurs ne sont plus forcément déportés à la base du dispositif, mais peuvent être aussi localisés au voisinage des éléments flexibles. On parle alors de blocs flexibles de type articulation ou de type outil. Les actionneurs utilisés peuvent être des actionneurs fluidiques, par exemple des pistons, des vérins ou des actionneurs de type McKibben. Ils permettent de disposer d'une importante puissance mécanique, compatible avec les efforts à fournir, en comparaison des actionneurs plus classiques, qui pour le même encombrement ne fournissent pas des efforts suffisants. Ils peuvent répondre à de fortes contraintes de stérilité, du fait des matériaux employés et de l'utilisation possible de fluide physiologique. L'utilisation de capteurs de pression du fluide contenu dans le circuit hydraulique de l'actionneur permet, en outre, la mesure des forces proprioceptives de l'actionneur, dont la caractéristique (la réponse) permet d'estimer les efforts d'interaction de la partie intracorporelle du dispositif avec son environnement. Ces actionneurs fluidiques peuvent être alimentés par un circuit fluidique fermé (pas d'utilisation de compresseur externe à l'outil), qui peut être commandé par une action mécanique du chirurgien (par exemple, par l'intermédiaire d'une seringue), ou par l'utilisation de différents types d'actionneurs embarqués. Ce système peut être localisé à chaque articulation ou intégré dans une autre partie du dispositif (tige, poignée, _). A titre de variante, le fluide peut être remplacé par un matériau à changement de volume (par exemple une cire) ou on peut utiliser un actionneur localisé ou déporté, relié à l'élément flexible par un mécanisme de transmission (par exemple une tringle, un câble, un ressort de transmission de rotation/couple, etc.) ou un actionneur du type fil ou bande en alliage à mémoire de forme. Les éléments flexibles peuvent aussi être directement réalisés en matériau actif (par exemple à mémoire de forme), intégrant ainsi la fonction actionnement directement à la structure mécanique, l'alimentation en puissance étant généralement électrique.

Un bloc flexible de type articulation ou de type outil (composé d'un élément structurel flexible et d'un actionneur) constitue un élément de base pouvant être associé facilement (« plugg-in ») avec d'autres blocs flexibles ou éléments flexibles de différentes façons et selon différentes combinaisons, pour obtenir une cinématique choisie ou la dextérité voulue en fonction de l'application visée et/ou constituer un instrument versatile.

Description d'un dispositif chirurgical La solution proposée par l'invention permet de combiner la haute mobilité telle que rencontrée dans les systèmes de type endoscopes, qui peuvent se conformer à la géométrie sinueuse de l'intérieur du corps humain (ou animal) à opérer, et la puissance mécanique fournie habituellement par des outils chirurgicaux ou médicaux de conception classique droite (utilisant des articulations rigides et des transmissions par câbles ou bielles), tout en présentant une section de très faible diamètre (avec un potentiel de réduction d'échelle), permettant un accès mini-invasif, au travers d'incisions faites par des trocarts mais aussi par voies naturelles (voies transluminales). La solution technique proposée par l'invention permet en outre de mesurer par proprioception et extéroception les efforts d'interaction du dispositif avec les tissus. Couplé avec un système de contrôle électronique permettant de limiter automatiquement les efforts appliqués par tout ou partie du dispositif sur son environnement, ceci rend le système plus sûr pour le patient (limitation des efforts de serrage d'une pince, limitation des efforts de contact du dispositif avec la paroi d'un organe, etc.). Couplé avec une poignée de commande ou plus généralement une interface physique de pilotage à retour d'effort, ceci rend le système plus facile à utiliser par le chirurgien (qui retrouve ainsi une partie des informations sensorielles perdues du fait des pertes, perturbations et interférences mécaniques produites par l'utilisation des instruments laparoscopiques de conception classique). Des éléments flexibles de type ressort hélicoïdal (ou soufflet, manchon flexible, _) peuvent être utilisés pour transmettre une rotation ou un couple de la base du dispositif vers la base d'un bloc ou élément choisi (articulation numéro « n » ou outil distal) à travers un nombre quelconque, pouvant être important, de blocs ou d'éléments flexibles intermédiaires. Plusieurs de ces rotations peuvent être considérées, mais leur nombre sera limité par l'encombrement induit par l'intégration des différents ressorts de façon parallèle ou coaxiale. Ces éléments flexibles permettent de transmettre des rotations d'angle très important (de plusieurs tours, voire infini), la limitation étant celle du moteur ou de l'actionneur commandant le mouvement. La structure mécatronique peut être pourvue d'une pince ou dispositif porte-aiguille par exemple. Ces éléments stériles/stérilisables peuvent être associés à la fabrication ou en cours d'utilisation en salle d'opération. Ce concept permet donc aussi de produire des effecteurs interchangeables, jetables (par une stérilisation en usine) et potentiellement de bas coût. Les outils montés à l'extrémité du dispositif peuvent être des outils classiques, ou des blocs ou éléments flexibles de type outils, dont la structure est flexible (pince, porte-aiguille, ciseaux, etc.), actionnés localement ou de façon déportée par le même type d'actionneurs que ceux des blocs flexibles de type articulation).

Enfin, le dispositif peut être soit manipulé manuellement par le chirurgien (dispositif monté à l'extrémité d'une poignée de commande), soit téléopéré via une interface physique dédiée (bras maître), soit utilisé monté à l'extrémité d'un bras de robot chirurgical (possibilité de contrôle assisté par ordinateur). Une des applications visées par la présente invention est la réalisation de gestes divers en chirurgie mini-invasive. Un exemple type concerne la réalisation commandée manuellement d'une suture à l'aide d'un outil terminal de type porte-aiguille, d'une aiguille et d'un fil de suture. Cette application peut être élargie à toute opération mini-invasive nécessitant d'agir avec un outil sur un tissu, en environnement d'encombrement limité et d'accès très difficile, et ce, à coût réduit (sans nécessiter l'utilisation d'un robot coûteux). En outre, du fait de l'intégration de l'actionnement au plus près de la structure des articulations et de leurs performances en effort et déplacement, les cellules élémentaires de type articulation de flexion peuvent aussi être facilement intégrées à des prothèses de membres (main, genoux, etc.) alimentées et commandées électriquement. Le dispositif selon la présente invention comprend un ou plusieurs éléments monolithiques flexibles. Tous ces éléments peuvent contenir différentes formes de base, à titre d'exemple des poutres, des barres, des lames droites, courbes ou semi-circulaires. Ces éléments peuvent être, selon les performances requises, optimisés du point de vue de leur raideur, de la force transmissible et des courses atteignables. Des éléments flexibles, intégrés entre les moyens de commande (poignée ou interface robotique par exemple) et l'outil distal, et agencés et positionnés dans l'espace, permettent un ou plusieurs mouvements selon n'importe quel axe orienté par rapport à l'axe longitudinal du dispositif. Ces éléments flexibles ont une double fonction. Une première fonction résulte du fait qu'ils confèrent la structure flexible les différents degrés de mobilité. Une deuxième fonction résulte de leur géométrie interne qui permet : soit le guidage d'autres éléments flexibles qui, de manière découplée, sont dédiés à la transmission de rotations/couples à travers l'axe longitudinal du dispositif, soit le passage de fils ou tubes pour l'alimentation en puissance (électrique ou fluidique) vers les éléments situés en aval, soit pour la délivrance des médicaments, pour aspirer, soit pour permettre l'intégration en leur sein d'actionneurs, etc_ Les figures 1, 2 et 3 illustrent quelques exemples d'éléments flexibles, utilisables par la présente invention, et qui permettent des mobilités de flexion.

La figure 1 montre un élément flexible 10 constitué de trois arceaux 11 en série, deux arceaux consécutifs étant reliés par une partie de liaison 12. L'élément 10 présente deux faces 13 et 14 situées aux extrémités de l'élément flexible, selon l'axe longitudinal de l'élément flexible. La face 13 sera par exemple la face distale de l'élément flexible lorsqu'il est incorporé la structure flexible. La face 14 sera alors la face proximale de l'élément flexible. La figure 1 montre l'élément flexible 10 en position non fléchie et en position fléchie. Cet élément peut être utilisé pour conférer une flexion unidirectionnelle produisant un degré de mobilité. On remarque que les faces distale et proximale et que les parties de liaison 12 sont percées de trous 15 dont l'axe est parallèle à l'axe longitudinal de l'élément flexible. Les parties de liaison 12 peuvent aussi servir de butées pour limiter la flexion. Comme il a été dit plus haut, cet élément flexible permet le guidage d'autres éléments du fait que les trous 15 permettent, par exemple, le passage de moyens de transmission d'une commande ou de puissance (pour l'alimentation). La figure 2 montre un élément flexible 20 comprenant trois anneaux 21 disposés successivement selon l'axe longitudinal de l'élément flexible. Deux anneaux successifs sont reliés par des colonnettes 22. Sur cette figure, toutes les colonnettes sont situées dans un même plan, mais cette disposition n'est pas toujours obligatoire. La figure 2 montre l'élément flexible 20 en position non fléchie et en positions fléchies à gauche et à droite. Cet élément peut être utilisé pour conférer une flexion à un degré de mobilité bidirectionnelle. On remarque que cet élément permet également le guidage d'autres éléments puisque son volume creux intérieur permet, par exemple, le passage de moyens de transmission de commande ou de puissance. L'élément flexible 20 présente deux faces 23 et 24 situées aux extrémités de l'élément flexible, selon son axe longitudinal. La face 23 sera par exemple la face distale et la face 24 la face proximale. La figure 3 montre un élément flexible 30 comprenant trois plateaux 31 disposés successivement selon l'axe longitudinal de l'élément flexible. Deux plateaux successifs sont reliés par des pièces inclinées flexibles 32 et 33 disjointes. La liaison se fait d'un côté de l'un des plateaux au côté opposé de l'autre plateau. Cet élément peut être utilisé pour conférer une flexion à un degré de mobilité bidirectionnelle. La figure 3 montre l'élément flexible 30 en position non fléchie et en positions fléchies à gauche et à droite.

Des éléments flexibles, intégrés dans le dispositif entre les moyens de commande (par exemple une poignée) et l'outil distal, permettent des degrés de mobilité en translation. De tels éléments sont illustrés par les figures 4A, 4B et 5A, 5B. Ces éléments permettent de transformer un mouvement de traction (respectivement de compression) dirigé selon un axe dans le sens négatif (respectivement dans le sens positif de cet axe) en mouvement d'expansion dans le sens positif de cet axe (respectivement de contraction, dans le sens négatif de cet axe). Le facteur de conversion dépend des caractéristiques géométriques de l'élément flexible. Ces éléments flexibles jouent le rôle d'inverseur de mouvement combiné à un rôle de réduction ou d'amplification de la norme du déplacement actionneur. D'autres éléments non représentés permettent d'amplifier ou de réduire la norme du déplacement actionneur sans inverser le mouvement. La figure 4A montre un premier exemple d'élément flexible 40 permettant un degré de mobilité en translation. Cet élément comprend une partie 41 fixée partiellement la structure flexible (partie proximale) et une partie distale 42 dont le mouvement est commandé par l'actionneur (celui-ci agit sur la partie 43 de l'élément flexible 40). La partie distale 42 est reliée à un élément suivant de la structure qui peut être un outil. Le schéma de la figure 4B illustre le fonctionnement de l'élément flexible. Ce schéma montre un déplacement en translation dans le sens opposé au mouvement de l'actionneur.

La figure 5A montre un deuxième exemple d'élément flexible 50 permettant un degré de mobilité en translation. Cet élément comprend une partie 51 fixée la structure flexible (partie proximale) et une partie distale 52. La référence 53 désigne la partie de l'élément flexible 50 reliée à l'actionneur. Le schéma de la figure 5B illustre le fonctionnement de l'élément flexible. Le dispositif peut aussi comprendre des éléments flexibles, intégrés entre les moyens de commande (par exemple une poignée) et l'outil distal du dispositif, permettant des degrés de mobilité en rotation selon l'axe longitudinal du dispositif. La figure 6A montre un premier exemple d'élément flexible produisant une articulation de rotation propre d'angle fini. L'élément flexible 60, montré au repos sur la figure 6A où il est associé à une pièce rigide 64 en forme de sifflet, comprend deux plateaux circulaires et disposés parallèlement entre eux : un plateau proximal 61 et un plateau distal 62.

Les deux plateaux sont reliés par des languettes élastiques inclinées 63 disposées à leur périphérie. L'actionnement de l'élément flexible 60 peut être obtenu par un actionneur passant par un trou central du plateau 61 et relié au plateau 62.

La figure 6B montre l'élément flexible 60 en position déformée. La déformation a été obtenue par affaissement des languettes élastiques 63 sous l'effet d'un actionneur relié au plateau 62 et produisant une action de rotation. La rotation du plateau 62 de l'élément flexible 60 est bien visible en comparant l'orientation de la pièce 64 installée sur le plateau 62. La figure 7 montre un deuxième exemple d'élément flexible produisant une articulation de rotation propre d'angle fini, l'élément flexible étant au repos. Cet élément flexible monolithique 70 est constitué de deux éléments flexibles élémentaires 60 (voir la figure 6A) superposés et solidaires. L'actionnement de l'élément flexible 70 peut être obtenu par un actionneur passant à l'intérieur des éléments flexibles élémentaires 60 et relié au plateau supérieur de l'élément flexible élémentaire supérieur. Le dispositif selon l'invention peut aussi comprendre d'autres éléments flexibles, intégrés entre les moyens de commande (par exemple une poignée) et l'outil distal du dispositif selon l'invention, ces éléments flexibles pouvant être guidés partiellement à l'intérieur des autres éléments flexibles ou à l'extérieur en entourant ces éléments flexibles. Des exemples de tels éléments flexibles sont représentés sur les figures 8 et 9. Ils peuvent être utilisés pour transmettre une rotation d'angle infini ou un couple le long de l'axe longitudinal du dispositif selon l'invention ou le long des éléments flexibles à travers lesquels ils passent.

La figure 8 montre un élément flexible constitué par un ressort hélicoïdal 80 avec section du fil circulaire (voir la partie agrandie de la figure). La figure 9 montre un élément flexible constitué par un ressort hélicoïdal 90 avec section de fil rectangulaire (voir la partie agrandie de la figure). La figure 10 montre un dispositif chirurgical 100 selon l'invention en cours d'utilisation à travers un patient 101. Le dispositif 100 comprend une poignée de commande 102 prolongée par une tige 103 sur laquelle est monté un moteur 104 destiné à entraîner en rotation un élément flexible tel que ceux représentés sur les figures 1 à 7, 12A à 13B, 17, 18 et 20 à 30 par l'intermédiaire d'un élément flexible tel que ceux représentés sur les figures 8, 9 et 11. A partir de l'interface 105 entre l'extérieur et l'intérieur (patient), la tige 103 se prolonge par une structure 106 terminée par un outil distal 107. Le fait que la structure 106 est traversée en tout ou partie par un ou plusieurs éléments flexibles tels que ceux représentés sur les figures 8 ou 9 permet un transfert de couple à partir du moteur 104 à travers plusieurs éléments flexibles qui constituent la structure 106, en particulier des éléments de flexion. La figure 11 représente un exemple de structure flexible 110 comprenant un premier élément flexible 111, constitué par un ressort, disposé librement à l'intérieur d'un deuxième élément flexible 112 constitué aussi par un ressort, mais qui est plus court que le premier. Une telle structure permet de transmettre de façon coaxiale deux rotations découplées, la première rotation entraînant en mouvement, via le ressort 111, un élément (non représenté sur la figure 11) situé en aval de l'élément (non représenté sur la figure 11) mû par la seconde rotation (ressort 112). Le dispositif chirurgical peut comprendre d'autres éléments flexibles ou non, jouant le rôle d'outil distal et associés avec les autres éléments flexibles (par exemple de flexion, de translation, de rotation ou de transmission de rotation/couple). Les figures 12A, 12B et 13A, 13B montrent deux exemples d'outils flexibles, en perspective (figures 12A et 13A) et de face (figures 12B et 13B). Les figures 12A et 12B illustrent un modèle de pince monolithique flexible 120 comprenant deux mors rigides 121 et 122. La figure 12B montre la fermeture de la pince sous l'action de l'actionneur. Les figures 13A et 13B illustrent un modèle de pince porte-aiguille flexible 130. La figure 13B montre l'ouverture de la pince porte-aiguille sous l'action de traction produite par l'actionneur. Le dispositif peut aussi comprendre un ou plusieurs actionneurs/transducteurs fluidiques, déportés ou intégrés localement au niveau des degrés de mobilité du dispositif pour commander le mouvement des éléments flexibles. Un actionneur fluidique va maintenant être décrit en relation avec les figures 14, 15, 16A, 16B et 16C. La figure 14 représente, en perspective, un muscle fluidique de type McKibben destiné à servir d'actionneur fluidique. Cet actionneur fluidique est composé par une membrane élastique (non visible sur la figure 14 mais référencée 141 sur la figure 15), fermée et étanche. La membrane 141 est en forme de tube fermé à ses extrémités par des plots 142 et 143 destinés à transmettre les forces produites par le muscle fluidique. La référence 144 désigne un orifice d'entrée d'un fluide (air, eau, huile, fluide physiologique, etc .) . La membrane 141 est recouverte par un élément 145 qui contraint son expansion radiale de telle façon qu'elle soit en relation avec sa contraction axiale. Il peut s'agir d'une gaine tressée réalisée avec des fils non extensibles qui forment entre eux un angle O. Des exemples de telles tresses sont représentés sur les figures 16A à 16C. Les matériaux pour la membrane peuvent être par exemple des polymères ou élastomères (silicone, latex, etc.). Les matériaux pour l'élément qui contraint l'expansion radiale de la membrane 141 de telle façon qu'elle soit en relation avec sa contraction axiale peuvent être par exemple des polymères, des matériaux organiques, des métaux ou des matériaux minéraux (PET, Nylon, fibre de verre, fibre de carbone, etc.). Quand le volume du fluide à l'intérieur de la membrane 141 est incrémenté, le volume de celle-ci augmente ainsi que la pression, à la façon d'un ballon en poussant radialement la gaine tressée. La gaine, non extensible, réagit contre cette augmentation de volume en modifiant l'angle du tressage 0 dans le but de maintenir sa forme cylindrique. Comme la membrane extensible et la gaine sont connectées aux extrémités, et sous pression, le muscle raccourcit en augmentant légèrement son diamètre et produit une force de traction si le muscle est fixé à une charge mécanique résistive. Le dispositif selon l'invention peut comporter un ou plusieurs systèmes d'alimentation en fluide pour alimenter sélectivement chaque actionneur fluidique. Le système d'alimentation peut être composé d'un réservoir et de ses moyens d'actionnement. La commande peut être manuelle ou obtenue par des moyens électriques, thermoélectriques, piézoélectriques, mécaniques, des matériaux à mémoire de forme, des matériaux intelligents, des matériaux à changement de volume ou de phase, ou d'autres. Dans le but d'une intégration du système d'alimentation à l'instrument, il sera mis en oeuvre en circuit fluidique fermé. Ce système peut être utilisé déporté (sur la tige ou la poignée, etc.) ou intégré localement en étant placé à côté des actionneurs fluidiques et des structures flexibles à commander. Les figures 17 et 18 montrent deux configurations possibles du système d'alimentation fluidique pour la commande de l'élément flexible 10 décrit à la figure 1. La figure 17 représente un bloc flexible 170 constitué de l'élément flexible 10 et d'un actionneur fluidique 140 tel que représenté sur la figure 14. L'actionneur fluidique 140 a au moins l'une de ses extrémités fixées à au moins l'une des extrémités respectives de l'élément flexible 10. Ainsi, sous l'effet d'une commande, l'actionneur fluidique ou muscle 140 peut raccourcir et provoquer la flexion de l'élément flexible 10 comme montré sur la partie droite de la figure 1. On remarque que les trous 15 de l'élément flexible 10 ont un diamètre suffisamment grand pour permettre l'expansion radiale du muscle 140.

Dans le cas du bloc flexible 170 représenté à la figure 17, le système d'alimentation en fluide (constitué de l'ensemble des éléments 171, 172 et 173) de l'actionneur est intégré au bloc flexible. La référence 171 désigne un réservoir de fluide qui communique avec l'intérieur du muscle 140. La référence 172 désigne un actionneur du réservoir. La référence 173 désigne un capteur de pression pour la mesure de la pression du fluide à l'intérieur du circuit fluidique du muscle (ici, à l'intérieur du réservoir 171). Dans le cas du bloc flexible représenté à la figure 18, le système d'alimentation en fluide est déporté par rapport au bloc flexible 170. Un tuyau flexible d'alimentation en fluide 181 relie l'intérieur du muscle 140 au système d'alimentation 182 déporté dans la tige, la poignée ou à l'extérieur. Un capteur de pression peut être intégré à différents endroits dans le circuit fluidique. La figure 19 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de muscle de type McKibben utilisable pour le dispositif selon l'invention. Le muscle 190 est actionné au moyen d'un matériau à changement de volume. Il est constitué d'une gaine tubulaire 191 (membrane flexible et étanche, et dont l'expansion radiale est en relation avec sa contraction axiale, comme pour le muscle de type McKibben), par exemple une gaine tressée en fibres de carbone noyée dans du latex, bouchée à ses deux extrémités par des bouchons 192. L'étanchéité peut être obtenue par exemple au moyen de joints 193. Le volume interne du muscle, éventuellement complété d'un réservoir connexe, est rempli d'un matériau à changement de volume 194, par exemple en cire. L'actionnement du muscle est obtenu par exemple par passage d'un courant électrique dans le fil conducteur 195 qui, en s'échauffant, va provoquer le changement de volume du matériau 194, donc son expansion ou sa contraction. Cet actionnement peut être obtenu par d'autres moyens, par exemple chimiques, thermiques,_ Un ou plusieurs capteurs de pression peuvent être intégrés localement au niveau des actionneurs/transducteurs fluidiques ou à changement de volume pour mesurer de façon proprioceptive (c'est-à-dire in situ) le changement de pression à l'intérieur de chaque actionneur fluidique ou à changement de volume et estimer les efforts d'interaction avec l'environnement. Sur la figure 17, un tel capteur de pression a été représenté sous la référence 173. Un ou plusieurs capteurs de pression et/ou de force multiaxes ou tactiles peuvent être intégrés localement au niveau des effecteurs (par exemple des pinces, des porte-aiguilles, etc.) ou en périphérie des éléments du dispositif (tige, éléments flexibles, etc. _) pour mesurer de façon extéroceptive les efforts d'interaction avec l'environnement (par exemple la force de serrage d'une pince, une force de cisaillement), ou un effort multiaxial de contact avec des organes voisins. Ces capteurs, ou des capteurs de déformation, peuvent aussi être intégrés localement au niveau des structures flexibles pour estimer l'état du dispositif par mesure proprioceptive.

Un ou plusieurs moteurs peuvent être déportés hors de la partie distale et/ou intracorporelle du dispositif pour transmettre une rotation axiale, éventuellement via une structure flexible, comme illustré par la figure 10.

Le dispositif selon l'invention est conçu sous forme modulaire, différents blocs flexibles de base fournissant les différents degrés de souplesse (éléments flexibles passifs) ou de mobilité (blocs flexibles actionnés). Les figures 17 et 18 donnent l'exemple d'un bloc flexible de type articulation avec un degré de mobilité en flexion unidirectionnelle. Les figures 20 et 21 montrent deux exemples de bloc flexible de type articulation avec un degré de mobilité en flexion bidirectionnelle. La figure 20 montre un élément flexible 20 (déjà montré sur la figure 2) équipé de deux muscles fluidiques 140 (déjà montrés sur la figure 14) pour fournir un bloc flexible 200. Les muscles 140 relient au moins l'un des anneaux inférieur et supérieur de l'élément flexible 20 en traversant l'anneau central.

La figure 21 montre un élément flexible 30 (déjà montré sur la figure 3) équipé de deux muscles fluidiques 140 (déjà montrés sur la figure 14) pour fournir un bloc flexible 300. Les muscles 140 relient au moins l'un des plateaux inférieur et supérieur de l'élément flexible 30 en traversant le plateau central. Les blocs flexibles du dispositif selon l'invention peuvent être dotés d'un degré de mobilité en rotation dans la partie distale et donc acquérir deux degrés de mobilité (flexion et transmission de couple/rotation). Les figures 22A à 22D illustrent un bloc flexible 220 à deux degrés de liberté (flexion et transmission de couple/rotation). Ce bloc flexible est du type 170 représenté aux figures 17 et 18, c'est-à- dire comprenant un élément flexible 10 et un muscle 140. Il comprend en outre un ressort hélicoïdal 80 disposé entre les faces 13 et 14 de l'élément flexible 10 et entourant l'actionneur fluidique. Un outil distal figuré sous la forme d'un sifflet 222 par souci d'explication est fixé du côté de la face distale 13 de l'élément flexible 10 (voir les figures 22B à 22D) et monté solidairement avec le ressort 80. Sur ces figures, quand la base du ressort côté face 14 fait un quart de tour, l'outil distal 222 tourne aussi d'un quart de tour tout en laissant la possibilité à l'élément flexible 10 de fléchir. Plusieurs blocs flexibles peuvent être connectés en série et néanmoins permettre une rotation distale par l'utilisation d'un élément flexible de transmission de rotation. C'est ce que montrent les figures 23A et 23B où deux blocs flexibles 170 sont montés solidairement en série avec un décalage angulaire de 90°. Associés en parallèle à un ressort de transmission de rotation 80, ils forment un ensemble 230 qui produit deux flexions dans des plans différents et permet la transmission d'une rotation distale. La figure 24 montre un autre exemple de connexion en série de deux blocs flexibles 200 permettant une transmission de couple distal fournissant un ensemble 240. Un ressort 80 traverse les deux blocs flexibles 200 et est fixé à un plateau supérieur pour entraîner en rotation un outil distal (non représenté sur la figure) monté sur ce plateau. L'un des avantages de la présente invention réside dans la possibilité d'ajouter un degré de mobilité en rotation en série (par exemple placé entre deux articulations de flexion ou de translation). Les figures 25A et 25B montrent deux blocs flexibles connectés en série, avec transmission de couple distal et rotation relative entre les blocs flexibles 200, et fournissant un ensemble 250. On utilise deux ressorts concentriques: un premier ressort 251 (ici ressort intérieur) commande le degré de rotation distale, un deuxième ressort 252 (ici ressort extérieur) commande la rotation du bloc flexible supérieur 200. Dans ce cas la rotation peut être d'angle infini. On peut aussi utiliser, entre les deux articulations de flexion, une articulation flexible de rotation (comme sur les figures 6A, 6B et 7). Dans ce cas, la rotation sera d'angle fini. Les figures 26A à 27B illustrent deux exemples de blocs flexibles de type outil, c'est-à-dire des blocs résultant de l'association d'un outil flexible et d'un actionneur. Les figures 26A et 26B montrent un bloc flexible de type outil 260 comprenant une pince flexible 120 commandée par un actionneur fluidique 262 placé à l'intérieur d'un manchon de protection 263. Sur la figure 26B, le manchon de protection 263 est représenté en coupe de façon à montrer l'actionneur fluidique 262. Sous l'action de l'actionneur 262 (voir la figure 26B), les mors 261 de la pince se rapprochent comme indiqué par les flèches. Les figures 27A et 27B montrent un bloc d'outil 270 comprenant un porte-aiguille flexible 271 commandé par un actionneur fluidique 272 placé à l'intérieur d'un manchon de protection 273. Sur la figure 27B, le manchon de protection 273 est représenté en coupe de façon à montrer l'actionneur fluidique 272. Sous l'action de l'actionneur 272 (voir la figure 27B), les deux mors 274 du porte-aiguille s'écartent comme indiqué par les flèches.

A titre illustratif, les figures 28A à 28C représentent différentes vues d'une partie d'un dispositif chirurgical selon l'invention comprenant un ensemble 230 (voir la figure 23A) associé à un bloc flexible de type outil 260 comprenant une pince 120 (voir les figures 26A et 26B) dont l'actionneur est intégré localement. Ce dispositif possède deux degrés de mobilité en flexion unidirectionnelle avec une transmission de rotation/couple distal qui permet la rotation de la pince 120 selon l'axe du dispositif.

Les figures 29A et 29B représentent une partie d'un dispositif chirurgical selon l'invention comprenant un ensemble 250 (voir les figures 25A et 25B) associé à un bloc flexible de type outil 260 (voir les figures 26A et 26B) comprenant une pince 120. Ce dispositif possède deux degrés de mobilité en flexion bidirectionnelle avec en plus une transmission de rotation/couple distal (qui permet de faire pivoter l'outil) et une rotation relative des blocs flexibles. Sur la figure 29B, l'ensemble est montré partiellement en coupe. La figure 30 représente un bloc flexible de type articulation de rotation 280 utilisant un muscle fluidique enroulé autour d'un axe. Cette articulation est constituée d'un muscle 281 enroulé en hélice autour d'un axe 282 qui contraint le diamètre intérieur de l'hélice à rester constant. L'ensemble constitué par l'axe 282 et le muscle 281 est inséré dans un tube rigide 283 montré en coupe longitudinale. L'extrémité inférieure du muscle 281 est fixée au tube 283 alors que son extrémité supérieure est fixée à l'axe 282.

Ainsi, lors de sa contraction, le muscle produit un mouvement de rotation relative de l'axe 282 par rapport au tube rigide 283, selon leur axe commun. L'articulation comprend aussi deux ressorts en spirale 284 et 285 reliant l'axe au tube et servant de guidage flexible de l'axe 282 par rapport au tube 283. D'autres organes de guidage flexibles peuvent être utilisés. Cependant, il est préférable de ne pas avoir recours à des roulements ou des paliers, pour rester compact, léger, stérilisable et de bas coût. Les ressorts 284 et 285 permettent également d'exercer une force de rappel élastique lors de l'allongement du muscle. Contrairement aux éléments flexibles décrits par exemple sur les figures 1 à 7 (fonctions de translation, flexion, rotation et mouvements couplés), ces guidages flexibles ne servent pas à transformer le mouvement de l'actionneur, mais à le guider. Le dispositif peut être pourvu d'une membrane externe très souple permettant d'isoler de l'extérieur les éléments et les blocs flexibles, les actionneurs, les câbles d'alimentation électrique et la connectique.

Description d'une main artificielle Les figures 31A et 31B représentent une main artificielle selon la présente invention. La figure 31A représente la main artificielle avec des doigts tendus tandis que la figure 31B représente la main artificielle avec un doigt légèrement plié. La main artificielle 300 représentée sur les figures 31A et 31B comprend cinq doigts. Les doigts comprennent des blocs flexibles à actionneurs localisés 170 (voir la figure 17) entre chaque phalange 301. La première phalange du pouce est également reliée au reste de la main par un bloc flexible 170. Les phalanges 301 intègrent les éléments 171, 172 et 173 visibles sur la figure 17, c'est-à-dire un réservoir de fluide 171, un actionneur du réservoir de fluide 172 et un capteur de pression 173 pour la mesure de la pression du fluide à l'intérieur du réservoir 171. On remarque que pour le pouce c'est le reste de la main qui intègre les éléments 171, 172 et 173 du bloc flexible 170 reliant la première phalange du pouce au reste de la main.

Claims (30)

1. REVENDICATIONS1. Structure mécatronique flexible pour un ensemble cinématique, la structure étant reliée à au moins une de ses extrémités à des moyens de commande aptes à déclencher, par l'intermédiaire de moyens d'actionnement, un mouvement d'une partie flexible de la structure, caractérisée en ce que la partie flexible comprend au moins un bloc flexible constitué d'au moins un élément flexible (10, 20, 30, 60, 70) et d'au moins un actionneur (140, 190) connecté aux moyens d'actionnement déclenchant un mouvement de la partie flexible de la structure, l'actionneur étant fixé à l'élément flexible de façon à pouvoir soumettre l'élément flexible à un mouvement déclenché par les moyens de commande.
2. 2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle la partie flexible de la structure comprend au moins un bloc flexible supplémentaire et/ou au moins un élément flexible supplémentaire de façon à conférer plusieurs degrés de mobilité au dispositif, le ou les blocs flexibles supplémentaires et le ou les éléments flexibles supplémentaires pouvant être associés en série, en parallèle ou de façon arborescente avec le bloc flexible.
3. 3. Structure selon la revendication 2, dans 30 laquelle un élément flexible supplémentaire associé ensérie, en parallèle ou de façon arborescente avec le bloc flexible transmet un couple ou un mouvement de rotation dans la structure, produit par un actionneur.
4. 4. Structure selon la revendication 3, dans laquelle l'élément flexible supplémentaire transmettant un couple ou un mouvement de rotation est un ressort ou un arbre flexible.
5. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire est un élément constitué de l'agencement solidaire de plusieurs formes de base flexibles choisies parmi une 15 poutre, une barre, une colonnette, une lame, une languette, une poutre courbe, une barre courbe, une colonnette courbe, une lame courbe, une languette courbe, un arceau, une hélice, une spirale et un arbre flexible. 20
6. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire est un élément (10, 20, 30) induisant un mouvement de 25 flexion dans la partie flexible de la structure.
7. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire 30 est un élément induisant un mouvement de rotation dans la partie flexible de la structure. 10
8. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire est un élément induisant un mouvement de translation dans la partie flexible de la structure.
9. 9. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire est un élément induisant un mouvement couplé dans la partie flexible de la structure, combinant au moins deux mouvements choisis parmi : une flexion, une rotation et une translation.
10. 10. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire est un outil chirurgical.
11. 11. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément flexible ou, éventuellement, l'élément flexible supplémentaire est un élément constituant un guidage flexible. 25
12. 12. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle l'actionneur, éventuellement couplé à un système de transmission mécanique, est choisi parmi : un fil ou une bande en 30 alliage de mémoire de forme, un actionneur à mémoire de forme, un moteur électromagnétique, un actionneur20piézoélectrique, un moteur à ultra-sons, un actionneur magnétostrictif et un actionneur à polymère électroactif.
13. 13. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle l'actionneur est un actionneur à changement de volume (140), éventuellement associé à un réservoir connexe ou local.
14. 14. Structure selon la revendication 13, dans laquelle l'actionneur à changement de volume, ou son réservoir, comprend une seringue, un piston, un vérin ou un soufflet.
15. 15. Structure selon la revendication 13, dans laquelle l'actionneur à changement de volume comprend un tube étanche et souple, contenant un matériau à changement de volume, et une gaine ou un élément de rigidification entourant le tube ou noyé dans la paroi du tube et contraignant radialement la déformation du tube dans une direction transversale à l'axe longitudinal de l'actionneur, et en relation avec la déformation longitudinale de l'actionneur.
16. 16. Structure selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans laquelle l'actionneur à changement de volume est un actionneur fluidique (140).
17. 17. Structure selon la revendication 16, dans laquelle un réservoir fermé contenant du fluide nécessaire pour le fonctionnement de l'actionneur fluidique est déporté et connecté à l'actionneur par un tube d'alimentation en fluide, ce tube étant souple.
18. 18. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant en outre une articulation de rotation (280) comprenant un axe (282) et un muscle à changement de volume (281) enroulé en hélice autour de l'axe (282) et solidaire, par une première extrémité, dudit axe (282) et, par une deuxième extrémité, de la structure, le muscle à changement de volume (281) étant apte à entraîner l'axe (282) en rotation sous l'effet d'une commande.
19. 19. Structure selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, dans laquelle un capteur de pression (173) est associé à l'actionneur à changement de volume (140) pour mesurer la pression interne à l'actionneur à changement de volume, et en déduire les efforts d'interaction entre la structure et son environnement, et/ou un capteur de déformation est associé à l'élément flexible pour mesurer son état de déformation et en déduire les efforts d'interaction entre de la structure et son environnement.
20. 20. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans laquelle les moyens d'actionnement ou de commande de l'actionneur sont choisis parmi des moyens d'actionnement ou de commandemanuels ou des moyens d'actionnement ou de commande motorisés.
21. 21. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans laquelle la structure comprend au moins un bloc flexible ou un élément flexible montable, démontable, jetable ou interchangeable.
22. 22. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, équipée d'au moins un capteur externe, apte à renseigner un utilisateur sur une température, un courant électrique, un mouvement effectué ou un effort produit par un composant de la structure sur son environnement.
23. 23. Structure selon la revendication 22, dans laquelle le capteur externe est un capteur choisi parmi un capteur de force mono-axe ou multi-axe mesurant une force de cisaillement et/ou de serrage, ou un capteur tactile mesurant une force de contact, exercée par un ou plusieurs éléments de la structure (outil chirurgical ou autre bloc flexible de la structure) sur son environnement (organe, région du corps d'un patient ou objet manipulé).
24. 24. Structure selon l'une des revendications 19, 22 ou 23, comprenant un système de contrôle recevant des données d'au moins un capteur pour contrôler et/ou limiter le mouvement et/ou lesefforts produits par le dispositif sur son environnement.
25. 25. Dispositif chirurgical (100) pour réaliser des gestes chirurgicaux exigeant une grande dextérité sur un organe ou une région du corps d'accès difficile et dans des conditions mini-invasives, comprenant une structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, la première extrémité de la structure étant une extrémité proximale pour le dispositif, la structure pouvant comprendre à son extrémité distale un outil chirurgical (120, 130) et/ou un moyen d'exploration apte à être actionné depuis les moyens de commande par des moyens d'actionnement.
26. 26. Dispositif chirurgical selon la revendication 25, dans lequel les moyens de commande sont choisis parmi une poignée à actionnement mécanique ou motorisé, une interface de téléopération, éventuellement à retour d'effort, ou un bras de robot chirurgical.
27. 27. Dispositif chirurgical selon l'une des revendications 25 ou 26, dans lequel un moyen de visualisation est fixé à l'extrémité distale de la structure.
28. 28. Main artificielle comprenant au moins un doigt comprenant la structure selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 5 à 9, 11 à 17 et 19 à 24, lapremière extrémité de la structure étant une extrémité proximale pour un patient ou un robot.
29. 29. Main artificielle selon la revendication 28, dans laquelle les moyens de commande sont des moyens de commande électroniques, éventuellement à retour d'effort.
30. 30. Main artificielle selon la revendication 29, dans laquelle les moyens de commande électroniques sont des moyens mettant en oeuvre des techniques et/ou signaux d'électroencéphalographie et/ou des techniques et/ou signaux d'électromyographie.