WO2006035143A1 - Dispositif robotique de positionnement et d'orientation et appareil porte-aiguille comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif robotique de positionnement et d'orientation et appareil porte-aiguille comprenant un tel dispositif Download PDF

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WO2006035143A1
WO2006035143A1 PCT/FR2005/002357 FR2005002357W WO2006035143A1 WO 2006035143 A1 WO2006035143 A1 WO 2006035143A1 FR 2005002357 W FR2005002357 W FR 2005002357W WO 2006035143 A1 WO2006035143 A1 WO 2006035143A1
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leg
platform
robotic device
controlled
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PCT/FR2005/002357
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Michel De Mathelin
Benjamin Maurin
Bernard Bayle
Jacques Gangloff
Olivier Piccin
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Institut National Des Sciences Appliquees
Institut De Recherche Sur Les Cancers De L'appareidigestif - Ircad
Universite Louis Pasteur
Centre National De La Recherche Scientifique
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Definitions

  • Robotic positioning and orientation device and needle-holder apparatus comprising such a device
  • the present invention relates to the field of robotic devices, in particular handling and / or positioning robots intended to be used in applications requiring high precision and high operational safety, for example in the context of medical or surgical procedures .
  • the invention relates to a robotic device for positioning and orientation of a platform or the like, and a needle-holder device incorporating such a robotic device.
  • Such robotic devices can operate autonomously and fully automatically (for example after a programming and / or prior learning phase of a computer control unit), semi-automatically (certain phases or operations being controlled by a operator, possibly with the help of a computer unit) or by being directly controlled by an operator by means of a suitable interface (with direct visual control or by camera / screen and with or without force feedback).
  • the general problem of the present invention is to provide a robotic device of high accuracy, small size, which can be built from simple, robust and reliable components and having great flexibility and a large number of possibilities in terms of positioning and movement.
  • the robotic device according to the invention should be able to be placed on a patient, be able to very accurately position an elongate object with respect to a given point on a surface, be able to evolve in a small volume (typically the free volume remaining in a tunnel of a CT scanner) and be compatible with an environment subject to X-rays.
  • the subject of the invention is a robotic device for positioning and orienting a platform, a similar support element or the like, provided with a marker and mobile with respect to a support base provided with a reference mark, the platform being located at a distance, preferably above, from the base and connected to the latter by first, second and third articulated leg structures forming three mechanical links in parallel, each of which consists of a series of segments or leg portions connected to each other, two by two, by joints each having at least one pivot axis, the opposite end portions of each of the three leg structures being in further connected by joints to at least one pivot axis with the platform and with the base at predetermined connection points, characterized in that the axes of pivoting respective pivot joints of the first and second leg structures with the platform, on the one hand, and the base, on the other hand, are merged so as to define a first axis of rotation common between the base and the two opposite leg structures and a second axis of rotation common between the latter and the platform,
  • FIG. functional schematic representation based on a modeling of the robotic device according to the invention FIG. 2 is a kinematic schematic representation based on the same modeling of the robotic device as that of FIG.
  • Figures 3 and 4 are schematic skeletal or wire representations of two alternative embodiments, respectively, of the first two opposing leg structures and the third leg structure, also showing the parameters controlled and controlled at each of these structures;
  • Figures 5 and 6 are views respectively in side elevation in a direction perpendicular to the (x) plane (s) of the two opposing leg structures and top of the robotic device according to the invention, the platform being removed;
  • Figures 7 to 9 are perspective views of the robotic device according to the invention in three different positions or states (the device of Figure 7 comprising a base according to an alternative embodiment of the invention);
  • Figures 10 to 12 are side perspective views of the robotic device according to the invention in three different positions or states); .
  • FIG. 13 to 16 are perspective views of the robotic device according to the invention in four different positions;
  • Figures 17 and 18 are top perspective views of the robotic device according to the invention in two different rotational positions;
  • Figure 19 is a partial sectional view at the base of the robotic device according to the invention;
  • FIG. 20 is a view similar to that of FIG. 8 of a robotic device according to the invention, provided with a base according to another variant embodiment (identical to that of the device of FIG. 7), and
  • FIG. 21 is a schematic representation of a needle-carrying apparatus comprising a robotic device according to the invention and implemented in connection with a medical imaging system.
  • FIGS. 1 to 4 illustrate, schematically (FIGS. 1 to 4) or in the form of a possible practical embodiment (FIGS. 5 to 20), a robotic device 1 for positioning and orienting a platform 2, a a like or similar support element, provided with a mark 0 f, x f, V f, z f and movable relative to a supporting base 3 provided with a Oo landmark, Xo, yo, Zo, the platform being located at a distance, preferably above, from the base and connected thereto by first, second and third articulated leg structures 4, 5 and 6 forming three mechanical links in parallel, each of which consists of a series of segments or leg portions (for leg 4: 9, 9 ', 9 ", 9"' or 9, 24, 9 "'/ for leg 5: 12, 12', 12", 12 '"or 12, 25, 12 "/ for the leg 6: 15, 15 ', 15" or 26, 15 ").
  • each of the first and second leg structures 4 and 5 is composed, while observing it in its extension from the base 3 towards the platform 2, of four leg segments
  • a first 4 of the two opposite leg structures 4, 5 comprises two pivoting articulations T and 7 "with controlled and controlled movements, preferably the articulation T connecting the second and third segments 9 'and 9" of a part and articulation
  • the second 5 of the two opposite leg structures 4 and 5 comprises a single hinge 10' pivoting controlled movement and controlled, preferably the articulation 10 'connecting the second and third segments 12' and 12 "(the other pivot joints 7, 10 and 10" being free movement).
  • each of the first and second leg structures 4 and 5 is composed, observing it in its extension from the base 3 to the platefo ⁇ ne 2, of three leg segments 9, 24, 9 "', 12, 25, 12'” connected in series, successively from the first to the third, and interconnected, two by two, by two joints 7, 7 "; 10, 10 "to pivot about axes X 1 ; X 2 perpendicular to the plane P 1 and in that the leg segments 24 and 25 consist of telescopic segments.
  • the two telescopic segments 24 and 25 are adjustable in length in a controlled manner, and that one of the pivot joints 7, 7 "; 12, 12" of the one of the first and second leg structures 4; 5 is controlled and controlled in motion (for example the hinge 7 ", the other pivot joints being free in motion).
  • the planes P and P ' are advantageously parallel, preferentially merged.
  • the axes of rotation or pivoting X 1 and X 2 are all perpendicular to the plane P containing the mechanical connection axes of the leg segments 4 and 5.
  • the first and second leg structures 4 and 5 constitute opposite and symmetrical leg structures, with pivot joints 7, 7 ', 7 "or 7, 7"; 10, 10 ', 10 "or 10, 10" respectively symmetrically located and leg segments 9, 9', 9 ", 9""or 9, 24, 9""12, 12 ', 12", 12 '"or 12, 25, 12'" of respectively identical shapes, the longitudinal axes of all the aforementioned leg segments, or at least the axes of the straight mechanical connections respectively provided by the latter, being located in the plane P and / or or the plane P ', or in a plane parallel to one of these two planes.
  • the two leg structures 4 and 5 have a completely symmetrical structure in terms of mechanical constitution and articulation possibilities.
  • the control of the pivot joints 7 ', 7 "and 10' is effected in such a way that the two parallel mechanical and kinematic links formed by the first and second opposite leg structures 4 and 5 connecting the base 3 to the platform 2 comprise three controlled parameters, namely, firstly, at the first 4 of the two leg structures 4 and 5, the distance I 1 between the axis X 1 of the pivot joint 7 connecting the first and second leg segments 9 and 9 'and the axis Xi of the pivot joint 7 "connecting the third and fourth leg segments 9" and 9'", and, ⁇ angle between the line segment connecting the two joints 7 and 7 "above and defining the length I 1 and the line segment SD connecting the last 7" of the aforementioned joints of the first leg structure 4 to the corresponding articulation 10 "of the second jam structure 5, and, secondly, at the second 5 of the two leg structures 4 and 5, the distance I 2 between the axis X 2 of the hinge 10 connecting the first and the second leg segments 12 and 12
  • connection point 6 'of the third leg structure 6 with the platform 2 is located outside the median plane O f , X 6 z f of the two other connection points 4' and 5 'of said platform 2, perpendicular to the axis of rotation A 2
  • connection point 6 "of the third leg structure 6 with the base 3 is located outside the median plane O 0 , X 0 , Z 0 of the other two connection points 4 "and 5" of said platform 2, perpendicular to the axis of rotation A 1 (see in particular Figures 1 and 2).
  • the third leg structure 6 is composed, by observing in its extension of the base 3 towards the platform 2, of three leg segments 15, 15 ', 15 "successively connected in series from the first to the third, and interconnected, two by two, by two pivot joints 13 and 13 'about axes X 3 parallel to each other.
  • the third leg structure 6 is composed, in part 'observing in its extension of the base 3 to the platform 2, two leg segments 26, 15 "assembled together by a pivot joint 13' about an axis X 3 , one 26 of the two segments of leg 26, 15 "being of telescopic type.
  • the longitudinal axes of the leg segments 15, 15 ', 15 "or 26, 15", or at least the axes of the straight mechanical connections respectively provided by these can be located in a plane or planes perpendicular (s) to the axis or pivot axes X 3 .
  • the opposite end leg segments 15 and 15 "of the third leg structure 6 are each connected by a free hinge 14, 14 'respectively to the base 3 and the platform 2.
  • the hinge 14 connecting the first segment 15 to the base 3 is of the ball type and the hinge 14 'connecting the third segment 15 "to the platform 2 is of the pivot type around an axis perpendicular to the pivot axis A 2 .
  • this third leg structure 6 can be considered, according to the above classification, as constituting a four-bar link connected to the six-bar link by a common platform 2.
  • This four-bar link defines the two remaining degrees of freedom of the device 1, namely, the position of the origin O f on a circle contained in a plane normal to the axis ⁇ i (rotation of the six-bar planar link around of the axis A 1 ), and the orientation of the vector z f around the axis ⁇ 2 (rotation of the platform around ⁇ 2 ).
  • the mechanical and kinematic connection formed by the third leg structure 6 comprises two controlled parameters, namely the distance I 3 between the center of the free articulation ball 14 and the X axis 3 of the pivot joint 13 'connecting the first and the second leg segments 26, 15 “or the second and third leg segments 15' and 15” and the angle ⁇ between the line segment connecting the two joints 14 and 13 'above and defining the distance I 3 and a line segment SD' contained in the plane containing said line segment defining the distance I 3 and parallel to (x) plane (s) containing the longitudinal axes of the segments 15, 15 ', 15 "or 26, 15” and / or corresponding mechanical connections and connecting the X axis 3 of the aforementioned pivot joint 13' to the line segment SD connecting the pivot joints 7 "and 10 "first and second uxverse leg structures 4 and 5.
  • the two pivot joints 13 and 13 ' are both controlled and controlled in motion, or that the pivot joint 13 'is controlled and controlled in motion, with the telescopic leg segment 26 adjustable in length in a controlled manner.
  • all pivoting or rotating joints 7, T, 7 ", 8, 8 ', 10, 10', 10", 11, 11 ', 13, 13', 14, 14 'consist of cylindrical joints (for example ball or needle bearings) and the hinge 14 of the ball joint type can be constituted by the juxtaposed association of three pivoting or rotating joints 16, 16 ', 16 "having axes of rotation or pivoting concurrent.
  • the distance separating the articulation 14 from the plane containing the base 3 may optionally be adjustable, for example by providing a telescopic connecting segment 14 "between this articulation and the base 3.
  • the robotic device 1 When the robotic device 1 is implemented in the investigation volume of a scanner, it can be advantageously provided that none of the constituent elements of any one of the three leg structures 4, 5 and 6 is located in the scanning plane of said scanner (plane perpendicular to the central axis of the scanograph investigation volume or to the plane of symmetry of the patient).
  • the actuators 17, 17 '; 18; 19, 19 'controlling and controlling the movements respectively of the controlled and motion-controlled joints 7', 7 ", 10 ', 13, 13' of the three leg structures 4, 5 and 6 consist of piezoelectric or ultrasonic motor assemblies.
  • the telescopic leg segments 24, 25, 26 consist of jacks electrical or piezoelectric and that the controlled and controlled movement pivot joints 7 ", 13 'consist of piezoelectric or ultrasonic motor assemblies 17', 19 '.
  • each of the motor assemblies 17, 17 ', 18, 19 and 19' may comprise an ultrasonic motor or piezoelectric associated with a gearbox, preferably harmonic excitation ("harmony drive” in English), and an incremental encoder, each of these sets being mounted in a corresponding housing and controlled in accordance with the other sets by a central control unit and control, such as a programmable computer unit, which collects the data delivered by the different coders.
  • a central control unit and control such as a programmable computer unit, which collects the data delivered by the different coders.
  • the ultrasonic motors have a large holding torque, a high torque / weight ratio, a low response time, a low dynamic response, good magnetic compatibility and no play or hysteresis.
  • the motor assemblies used may for example be of the type known under the designation USR-30 by Shinsei, available with appropriate control units incorporating power amplifiers.
  • An angular servocontrol of the motor assemblies can be achieved by providing a control loop between the encoders and said control units associated with each of said motor assemblies.
  • the control and control of the latter will be performed by a computer unit 21 on the basis of the data provided by the coders and by a real-time imaging system 22.
  • the different leg segments 9, 9 ', 9 ", 9'", 12, 12 ', 12 “, 12” “ , 15, 15 ', 15 ", 24, 25, 26, as well as the platform 2 and the base 3, are made of a rigid material and compatible with medical imaging methods, especially of the X-ray type, such as that for example a polyamide loaded with glass fibers, and the pivot joints 7, 7 ', 7 ", 8, 8', 10, 10 ', 10", 11, 11', 13, 13 'of the three structures of legs 4, 5, 6 consist of cylindrical or annular bearings.
  • said device 1 further comprises at least one piece Y of spatial referencing and multiaxial indexing, for example in the form of a cube made of a plastic material and enclosing rods opaque to X-rays (for example of a metallic material), reported preferentially at the base 3 or where appropriate at the platform 2.
  • Such referencing parts 24 are for example described by R. A. Bronn et al, in "Stereotactic frame and computer software for
  • CT-directed neurosurgical localization "(Stereotactic Framework and Software for Computer Aided Computed Tomography-Based Computerized Neurosurgical Localization), Radiol.'S Invest, vol 15, pages 308-312, 1980.
  • the platform 2 comprises one or more sites 2 'for mounting and fixing a device 23 for holding and axial displacement and controlled insertion of a needle or a similar elongated object and / or a device for producing a jet or a rectilinear beam, such as for example a laser, and the base 3 has a substantially annular shape with a central opening 3 'located below the platform 2 and lateral extensions 3 "forming legs or a support frame.
  • These mounting and fixing sites 2 may for example consist of indexing studs, housing cutouts, screw holes or the like and / or surface configurations of complementary shape to that of the device 23 to be mounted and to fix.
  • Such a device 23 for holding and moving controlled, for example a needle is described and represented in French patent application No. 05 02016 of February 28, 2005.
  • the lateral extensions 3 may, for example, extend outwardly from the central annular body of the base 3, at the three articulated anchoring points of the three leg structures 4, 5 and 6.
  • a lug 3 "or part of the support frame may further comprise a receptacle receiving wedged for the part referencing and indexing 24.
  • the base 3 may be provided with means 20 of shimmed passage and / or receiving, such as slots, grooves or the like, for fastening strips or straps (Not shown), peraiettant positioning with solidarity of the device 1 on the trunk or the abdomen of a human or animal subject, alive or not.
  • slots 20 are then formed in the opposite support lugs 3 "laterally extending the base 3 at the lower parts of the first two leg structures 4 and 5 opposite.
  • the device 1 In the context of applications of the device 1 requiring high sterility and asepsis conditions, such as in a surgical environment, it is imperative that the device 1 in its entirety meets the required criteria.
  • a first solution may consist in subjecting, systematically, between two consecutive uses, the entire device 1 to a sterilizing treatment. This solution, however, accelerates the aging of the various constituent elements, in particular joints and actuators.
  • a second solution may be to surround the device 1 in its entirety (inclusive where appropriate the device 23 for holding and moving needle) in a sealed envelope maintaining a sterile environment around said device. Nevertheless, such a solution does not allow intimate application or easy attachment of said device to the body of a patient, for example.
  • a third solution may consist in breaking down the device 1 into a first single-use and low-cost part (in contact with the patient 29) and a second reusable part surrounded by a casing providing a sterile medium.
  • the base 3 may be formed of two parts assembled in a detachable manner with indexing in rotation around its central opening 3 ', namely a first portion 27 in the form of a ring connected to the leg structures 4 , 5, 6 and a second portion 27 'delimiting the central opening 3', integrating the lateral extensions 3 "and having, around said opening 3 ', a circular groove 27" for receiving the first annular portion 27 (the second part 27 'then constitutes a single use piece).
  • said base 3 In order to be able to provide a stable positioning and an intimate contact between the base 3 and the body on which the device 1 rests, said base 3, if necessary its second constituent part 27 ', is provided on its face intended to rest on a support body 29, in particular a patient human, upholstery 28 or equivalent coating adapting to the relief of said support body in conforming shape, this complementary shape possibly being fixed after adaptation.
  • the padding 28 may for example consist of a flexible annular envelope, fixed under the portion 27 'of the base 3, filled with polystyrene beads and can be deformed by suction (creating vacuum) to take a frozen configuration corresponding to that of the bearing surface (skin of the patient).
  • the present invention also relates, as schematically shown in Fig. 21 of the accompanying drawings, to a needle holder apparatus for positioning and controlled insertion of a needle into a living subject disposed in a medical imaging apparatus 22, in particular in a cylindrical observation volume of an X-ray scanner.
  • This apparatus is characterized in that it consists of a robotic device 1 as described above and by a holding device 23 with the possibility of axial displacement. controlled, in translation and possibly in rotation, of an injection or sampling needle, said device 23 for holding and moving the needle being equipped with at least one force sensor acting in the axial direction and being mounted rigidly and indexed on the platform 2 of the robotic device 1.
  • the device 23 is mounted and fixed on the robotic device 1 at the level of the platform 2 and the latter comprises for this purpose sites 2 'indexing, fixed positioning and securing adapted, the contact between the two devices 1 and 23 preferably being of a surface nature.
  • control and control computer unit 21 are controlled by a control and control computer unit 21, in correlation with images recorded and / or taken in real time by a medical imaging device.
  • the control unit 21 and its display means are located at a distance from the imaging apparatus 22, preferably behind a protection screen.

Abstract

La présente invention concerne un dispositif robotique de positionnement et d'orientation d'une plateforme reliée à cette dernière par des structures de jambes articulées formant des liaisons mécaniques parallèles, chacune sous forme d'une chaîne cinématique sérielle d'articulations reliées entre elles par des segments ou portions de jambe. Dispositif (1) caractérisé en ce qu'il comprend trois liaisons mécaniques parallèles articulées qui sont constituées, d'une part, par deux structures de jambes (4 et 5) opposées, symétriques et coplanaires, et, d'autre part, par une troisième structure de jambe (6) située dans un plan perpendiculaire au plan contenant les structures de jambes (4 et 5), les liaisons articulées fournies par les trois structures de jambes (4, 5 et 6) autorisant un déplacement contrôlé des points appartenant à la plateforme (2) sur une surface correspondant à une calotte sphérique ou ellipsoïdale, préférentiellement sensiblement à une demi-sphère, ce en fournissant au moins cinq degrés de liberté.

Description

Dispositif robotique de positionnement et d'orientation et appareil porte-aiguille comprenant un tel dispositif
La présente invention concerne le domaine des dispositifs robotisés, en particulier les robots de manipulation et/ou de positionnement destinés à être utilisés dans des applications requérant une grande précision et une sécurité de fonctionnement élevée, par exemple dans le contexte d'interventions médicales ou chirurgicales.
Plus spécifiquement, l'invention a pour objet un dispositif robotique de positionnement et d'orientation d'une plateforme ou analogue, ainsi qu'un appareil porte-aiguille intégrant un tel dispositif robotique.
Dans de nombreux domaines, il existe une demande pour des dispositifs robotiques précis, robustes, de faible taille et disposant d'un nombre de degrés de liberté suffisant, permettant de remplacer un opérateur ou manipulateur humain en présentant les mêmes possibilités de mouvement et la même dextérité que ce dernier.
De tels dispositifs robotiques peuvent fonctionner de manière autonome et entièrement automatique (par exemple après une phase de programmation et/ou d'apprentissage préalable d'une unité informatique de commande), de manière semi-automatique (certaines phases ou opérations étant contrôlées par un opérateur, éventuellement avec l'aide d'une unité informatique) ou encore en étant directement commandés par un opérateur au moyen d'une interface adaptée (avec contrôle visuel direct ou par caméra/écran et avec ou sans retour d'efforts).
Les besoins pour de tels dispositifs robotisés sont particulièrement pressants dans les environnements de travail nocifs ou nuisibles pour l'homme. Dans le domaine médical, par exemple, on retrouve de telles conditions environnementales dans le cadre des interventions sous imagerie à rayons X, en particulier pour les procédures percutanées qui connaissent un succès croissant du fait d'un rétablissement plus rapide du patient et d'une douleur moindre causée durant l'intervention. La précision requise dans ces interventions est telle qu'elles nécessitent de réaliser l'intervention dans le champ d'investigation d'un dispositif d'imagerie à rayons X, tel que par exemple un scanographe tomographique informatisé (plus connu sous la désignation "CT scan"). De ce fait, le praticien est exposé à une dose importante et cumulative de radiations qui sont nuisibles pour sa santé.
Pour tenter de remédier à cette situation de risques aiguë, il a été proposé de mettre en oeuvre des assistants opératoires robotisés, pilotés à distance par les praticiens situés hors de la zone d'irradiation.
Toutefois, ces assistants robotisés connus ne donnent pas satisfaction. En effet, ils se présentent sous la forme de dispositifs reposant au sol ou fixés sur la table recevant le patient et coulissant en translation dans le volume d'exploration du scanographe. De ce fait, ces dispositifs robotisés connus ne peuvent suivre les mouvements respiratoires du patient et ne conviennent pas, dans le domaine des interventions percutanées, à des interventions dans la zone abdominale.
Par ailleurs, par le biais des différentes techniques d'imagerie médicale connues, il est actuellement possible de procéder à une reconstruction tridimensionnelle virtuelle automatique d'une région au moins d'un patient.
Sur la base de ces données, il est possible pour le chirurgien de planifier précisément l'acte chirurgical à exécuter et de disposer éventuellement, durant l'intervention, de la superposition sur le patient de l'image tridimensionnelle reconstruite, rendant ainsi le patient virtuellement transparent.
La mise au point d'un dispositif robotique suffisamment précis et fiable, et compatible avec l'environnement précité, pourrait permettre d'aboutir à une automatisation des gestes les plus difficiles à exécuter. Ainsi, le problème général posé à la présente invention consiste à proposer un dispositif robotique de grande précision, de faible taille, pouvant être construit à partir de composants simples, robustes et fiables et présentant une grande flexibilité et un grand nombre de possibilités en termes de positionnement et de mouvement. Préférentiellement, et en particulier dans le cadre d'une application médicale, le dispositif robotique selon l'invention devra pouvoir être placé sur un patient, être apte à positionner de manière très précise un objet allongé par rapport à un point donné sur une surface, être apte à évoluer dans un faible volume (typiquement le volume libre restant dans un tunnel d'un scanographe) et être compatible avec un environnement soumis aux rayons X. En vue de répondre au moins au problème général précité, l'invention a pour objet un dispositif robotique de positionnement et d'orientation d'une plateforme, d'un élément support similaire ou analogue, pourvue d'un repère et mobile par rapport à une embase d'appui pourvue d'un repère, la plateforme étant située à distance, préférentiellement au- dessus, de l'embase et reliée à cette dernière par des première, deuxième et troisième structures de jambes articulées formant trois liaisons mécaniques en parallèle, dont chacune consiste en une série de segments ou de portions de jambe relié(e)s entre eux, deux par deux, par des articulations présentant chacune au moins un axe de pivotement, les portions extrémales opposées de chacune des trois structures de jambes étant en outre reliées par des articulations à au moins un axe de pivotement avec la plateforme et avec l'embase en des points de liaison déterminés, dispositif caractérisé en ce que les axes de pivotement respectifs des articulations à pivot des première et deuxième structures de jambes avec la plateforme, d'une part, et l'embase, d'autre part, sont confondus de manière à définir un premier axe de rotation commun entre l'embase et les deux structures de jambes opposées et un second axe de rotation commun entre ces dernières et la plateforme, en ce que lesdits axes de pivotement communs sont coplanaires dans un plan, en ce que les axes de pivotement des articulations à pivot reliant les segments de jambe de ces deux structures de jambes sont tous parallèles entre eux et perpendiculaires à un plan donné, en ce que les deux plans précités ne sont pas mutuellement perpendiculaires, en ce que la troisième structure de jambe articulée est reliée, de manière articulée, d'une part, à la plateforme en un point de liaison non aligné avec les points de liaison des deux autres structures de jambes avec ladite plateforme et, d'autre part, à l'embase en un point de liaison non aligné avec les points de liaison des deux autres structures de jambes avec ladite embase, les liaisons articulées parallèles fournies par ces trois structures de jambes autorisant une détermination contrôlée de la position de l'origine du repère attaché à la plateforme et de l'orientation de ce dernier repère par rapport au repère attaché à l'embase, ce en fournissant au moins cinq degrés de liberté. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique fonctionnelle basée sur une modélisation du dispositif robotique selon l'invention ; la figure 2 est une représentation schématique cinématique basée sur la même modélisation du dispositif robotique que celle de la figure 1 ; les figures 3 et 4 sont des représentations schématiques squelettiques ou filaires de deux variantes de réalisation, respectivement, des deux premières structures de jambe opposées et de la troisième structure de jambe, montrant également les paramètres commandés et contrôlés au niveau de chacune de ces structures ; les figures 5 et 6 sont des vues respectivement en élévation latérale dans une direction perpendiculaire au(x) plan(s) des deux structures de jambe opposées et de dessus du dispositif robotique selon l'invention, la plateforme étant enlevée ; les figures 7 à 9 sont des vues en perspective du dispositif robotique selon l'invention dans trois positions ou états différent(e)s (le dispositif de la figure 7 comportant une embase selon une variante de réalisation de l'invention) ; les figures 10 à 12 sont des vues en perspective latérale du dispositif robotique selon l'invention dans trois positions ou états différents) ; . les figures 13 à 16 sont des vues en perspective du dispositif robotique selon l'invention dans quatre positions différentes ; les figures 17 et 18 sont des vues en perspective de dessus du dispositif robotique selon l'invention dans deux positions en rotation différentes ; la figure 19 est une vue partielle en coupe au niveau de l'embase du dispositif robotique selon l'invention ; la figure 20 est une vue analogue à celle de la figure 8 d'un dispositif robotique selon l'invention, pourvue d'une embase selon une autre variante de réalisation (identique à celle du dispositif de la figure 7), et, Ia figure 21 est une représentation schématique d'un appareil porte-aiguille comprenant un dispositif robotique selon l'invention et mis en oeuvre en relation avec un système d'imagerie médicale.
Les figures des dessins annexés illustrent, de manière schématique (figures 1 à 4) ou sous la forme d'une réalisation pratique possible (figures 5 à 20), un dispositif robotique 1 de positionnement et d'orientation d'une plateforme 2, d'un élément support similaire ou analogue, pourvue d'un repère 0f, xf, Vf, zf et mobile par rapport à une embase d'appui 3 pourvue d'un repère Oo, Xo, yo, Zo, la plateforme étant située à distance, préférentiellement au-dessus, de l'embase et reliée à cette dernière par des première, deuxième et troisième structures de jambes articulées 4, 5 et 6 formant trois liaisons mécaniques en parallèle, dont chacune consiste en une série de segments ou de portions de jambe (pour la jambe 4 : 9, 9', 9", 9"' ou 9, 24, 9"' / pour la jambe 5 : 12, 12', 12", 12'" ou 12, 25, 12"' / pour la jambe 6 : 15, 15', 15" ou 26, 15"). Ces segments ou portions sont relié(e)s entre eux, deux par deux, par des articulations présentant chacune au moins un axe de pivotement (7, 7', 7" ou 7, 7" pour la jambe 4 ; 10, 10', 10" ou 10, 10" pour la jambe 5 ; 13, 13' ou 13' pour la jambe 6), les portions extrémales opposées de chacune des trois structures de jambes étant en outre reliées par des articulations à au moins un axe de pivotement 8', 11', 14' ; 8, 11, 14 avec la plateforme 2 et avec l'embase 3 en des points de liaison 4', 5', 6' ; 4", 5", 6" déterminés. Conformément à l'invention, il est prévu : que les axes de pivotement respectifs des articulations à pivot 8', 11 ' ; 8, 11 des première et deuxième structures de jambes 4 et 5 avec la plateforme 2, d'une part, et l'embase 3, d'autre part, sont confondus de manière à définir un premier axe de rotation commun A1 entre l'embase 3 et les deux structures de jambes opposées 4 et 5 et un second axe de rotation commun Δ2 entre ces dernières et la plateforme 2, que lesdits axes de pivotement communs A1 et Δ2 sont coplanaires dans un plan P, que les axes de pivotement X1 ; X2 des articulations à pivot 7, 7', 7" ou 7, 7" ; 10, 10', 10" ou 10, 10" reliant les segments de jambe 9, 9', 9", 9'" ou 9, 24, 9'" ; 12, 12', 12", 12'" ou 12, 25, 12'" de ces deux structures de jambes 4 ; 5 sont tous parallèles entre eux et perpendiculaires à un plan donné P', en ce que les deux plans précités P et P' ne sont pas mutuellement perpendiculaires, en ce que la troisième structure de jambe articulée 6 est reliée, de manière articulée, d'une part, à la plateforme 2 en un point de liaison 6' non aligné avec les points de liaison 4', 5' des deux autres structures de jambes 4 et 5 avec ladite plateforme 2 et, d'autre part, à l'embase 3 en un point de liaison 6" non aligné avec les points de liaison 4", 5" des deux autres structures de jambes 4 et 5 avec ladite embase 3, les liaisons articulées parallèles fournies par ces trois structures de jambes 4, 5 et 6 autorisant une détermination contrôlée de la position de l'origine Of du repère Of, xf, yf, zf attaché à la plateforme 2 et de l'orientation de ce dernier repère par rapport au repère O0, X0, y0, Z0 attaché à l'embase, ce en fournissant au moins cinq degrés de liberté.
Selon une première variante de réalisation de l'invention, ressortant des figures 1 à 20 des dessins annexés, chacune des première et deuxième structures de jambes 4 et 5 est composée, en l'observant dans son extension de l'embase 3 vers la plateforme 2, de quatre segments de jambe
9, 9', 9", 9'" ; 12, 12', 12", 12'" assemblés en série, successivement du premier au quatrième, et reliés entre eux, deux à deux, par trois articulations (7, 7', 7" ; 10, 10', 10") à pivotement autour d'axes X1 ; X2 perpendiculaires au plan P'.
De manière préférée, une première 4 des deux structures de jambes opposées 4, 5 comporte deux articulations à pivotement T et 7" à mouvements commandés et contrôlés, préférentiellement l'articulation T reliant les deuxième et troisième segments 9' et 9" d'une part et l'articulation
7" reliant les troisième et quatrième segments 9" et 9'" d'autre part, et la seconde 5 des deux structures de jambes opposées 4 et 5 comporte une unique articulation 10' à pivotement à mouvement contrôlé et commandé, préférentiellement l'articulation 10' reliant les deuxième et troisième segments 12' et 12" (les autres articulations à pivotement 7, 10 et 10" étant à mouvement libre).
Selon une seconde variante de réalisation de l'invention, représentée de manière superposée avec la première variante sur les figures 3 et 4 (les segments 24 ; 25 devant être considérés comme des alternatives de construction respectivement par rapport aux paires de segments 9', 9" ; 12', 12"), chacune des première et deuxième structures de jambes 4 et 5 est composée, en l'observant dans son extension de l'embase 3 vers la platefoπne 2, de trois segments de jambe 9, 24, 9"' ; 12, 25, 12'" assemblés en série, successivement du premier au troisième, et reliés entre eux, deux à deux, par deux articulations 7, 7" ; 10, 10" à pivotement autour d'axes X1 ; X2 perpendiculaires au plan P1 et en ce que les segments de jambe 24 et 25 consistent en des segments de type télescopique.
En relation avec cette seconde variante, il peut alors être avantageusement prévu que les deux segments télescopiques 24 et 25 sont réglables en longueur de manière contrôlée, et que l'une des articulations à pivotement 7, 7" ; 12, 12" de l'une des première et deuxième structures de jambe 4 ; 5 est commandé et contrôlé en mouvement (par exemple l'articulation 7", les autres articulations à pivotement étant libres en mouvement).
Ainsi, selon la classification proposée par TSAI L. W. dans "Mechanism Design : enumeration of kinematic structures according to function" (Conception de mécanismes : énumération de structures cinématiques en accord avec leur fonction) ; Mechanical Engineering séries ; CRC Press ; 2001, les deux structures de jambes opposées 4 et 5 sous forme de chaînes parallèles forme une liaison plane à six barres. Cette liaison vise à contrôler trois degrés de liberté dans son plan, à savoir, la position du point origine 0f du repère affecté à la plateforme 2 et l'orientation du second axe de rotation Δ2 dans le plan de la liaison complexe formée par les deux structures de jambes 4 et 5.
Pour des raisons de simplicité de construction et d'optimisation de mouvement, les plans P et P' sont avantageusement parallèles, préférentiellement confondus. Dans ce cas, les axes de rotation ou de pivotement X1 et X2 sont tous perpendiculaires au plan P contenant les axes de liaison mécaniques des segments de jambe 4 et 5.
Selon une réalisation très avantageuse de l'invention, ressortant en particulier des figures 1 à 3 et 6 à 12, les première et deuxième structures de jambes 4 et 5 constituent des structures de jambes opposées et symétriques, avec des articulations à pivot 7, 7', 7" ou 7, 7" ; 10, 10', 10" ou 10, 10" localisées respectivement de manière symétrique et des segments de jambe 9, 9', 9", 9'" ou 9, 24, 9'" ; 12, 12', 12", 12'" ou 12, 25, 12'" de formes respectivement identiques, les axes longitudinaux de tous les segments de jambe précités, ou au moins les axes des liaisons mécaniques droites respectivement fournies par ces derniers, étant situés dans le plan P et/ou le plan P', ou encore dans un plan parallèle à l'un de ces deux plans. Ainsi, les deux structures de jambes 4 et 5 présentent une structure totalement symétrique en termes de constitution mécanique et de possibilités d'articulation.
Comme le montre la figure 3 des dessins annexés, la commande des articulations à pivotement 7', 7" et 10' s'effectue de telle manière que les deux liaisons mécaniques et cinématiques parallèles formées par les première et deuxième structures de jambes opposées 4 et 5 reliant l'embase 3 à la plateforme 2 comprennent trois paramètres contrôlés, à savoir, d'une part, au niveau de la première 4 des deux structures de jambes 4 et 5, la distance I1 entre l'axe X1 de l'articulation à pivotement 7 reliant le premier et le deuxième segments de jambe 9 et 9' et l'axe Xi de l'articulation à pivotement 7" reliant le troisième et le quatrième segments de jambe 9" et 9'", et, l'angle α entre le segment de droite reliant les deux articulations 7 et 7" précitées et définissant la longueur I1 et le segment de droite SD reliant la dernière 7" des articulations précitées de la première structure de jambe 4 à l'articulation correspondante 10" de la seconde structure de jambe 5, et, d'autre part, au niveau de la seconde 5 des deux structures de jambes 4 et 5, la distance I2 entre l'axe X2 de l'articulation 10 reliant le premier et le deuxième segments de jambe 12 et 12' et l'axe X2 de l'articulation 10" reliant le troisième et le quatrième segments de jambe 12" et 12'".
En vue de décaler la troisième structure de jambe 6 en dehors du plan médian, et le cas échéant de symétrie planaire, des première et seconde structures de jambes 4 et 5, de manière à limiter les interférences d'observation au niveau de ce plan d'investigation privilégiée, il peut être avantageusement prévu que le point de liaison 6' de la troisième structure de jambe 6 avec la plateforme 2 est situé en dehors du plan médian Of, X6 zf des deux autres points de liaison 4' et 5' de ladite plateforme 2, perpendiculaire à l'axe de rotation A2, et que le point de liaison 6" de la troisième structure de jambe 6 avec l'embase 3 est situé en dehors du plan médian O0, X0, Z0 des deux autres points de liaison 4" et 5" de ladite plateforme 2, perpendiculaire à l'axe de rotation A1 (voir notamment figures 1 et 2).
Similairement aux deux variantes de réalisation exposées ci- dessus en relation avec la constitution des première et seconde structures de jambes 4 et 5, deux variantes de réalisation analogues peuvent être envisagées pour la troisième structure de jambe 6. Ainsi, selon une première variante, ressortant des figures 1 à 20, la troisième structure de jambe 6 est composée, en l'observant dans son extension de l'embase 3 vers la plateforme 2, de trois segments de jambe 15, 15', 15" assemblés en série successivement du premier au troisième, et reliés entre eux, deux à deux, par deux articulations à pivotement 13 et 13' autour d'axes X3 parallèles entre eux.
Selon une seconde variante, représentée de manière superposée avec la première variante sur la figure 4 (le segment 26 devant être considéré comme une alternative de construction en remplacement des segments 15 et 15'), la troisième structure de jambe 6 est composée, en l'observant dans son extension de l'embase 3 vers la plateforme 2, de deux segments de jambe 26, 15" assemblés entre eux par une articulation à pivotement 13' autour d'un axe X3, l'un 26 des deux segments de jambe 26, 15" étant de type télescopique. Pour des raisons de simplicité de construction et d'optimisation de mouvement, il peut être prévu que les axes longitudinaux des segments de jambe 15, 15', 15" ou 26, 15", ou au moins les axes des liaisons mécaniques droites respectivement fournies par ces derniers, peuvent être situés dans un ou des plan(s) perpendiculaire(s) à l'axe ou aux axes de pivotement X3.
De manière avantageuse, et comme cela ressort des figures des dessins annexés, les segments de jambe extrémaux opposés 15 et 15" de la troisième structure de jambe 6 sont, chacun, reliés par une articulation libre 14, 14' respectivement à l'embase 3 et à la plateforme 2. Préférentiellement, l'articulation 14 reliant le premier segment 15 à l'embase 3 est du type rotule et l'articulation 14' reliant le troisième segment 15" à la plateforme 2 est du type à pivotement autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de pivotement A2.
Ainsi, cette troisième structure de jambe 6 peut être considérée, d'après la classification précitée, comme constituant une liaison à quatre barres reliée à la liaison à six barres par une plateforme 2 commune.
Cette liaison à quatre barres définit les deux degrés de liberté restants du dispositif 1, à savoir, la position de l'origine Of sur un cercle contenu dans un plan normal à l'axe Δi (rotation de la liaison planaire à six barres autour de l'axe A1), et l'orientation du vecteur zf autour de l'axe Δ2 (rotation de la plateforme autour de Δ2). Conformément à une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la liaison mécanique et cinématique formée par la troisième structure de jambe 6 comprend deux paramètres contrôlés, à savoir, la distance I3 entre le centre de l'articulation libre à rotule 14 et l'axe X3 de l'articulation à pivotement 13' reliant le premier et le second segments de jambe 26, 15" ou le deuxième et le troisième segments de jambe 15' et 15" et l'angle β entre le segment de droite reliant les deux articulations 14 et 13' précédentes et définissant la distance I3 et un segment de droite SD' contenu dans le plan contenant ledit segment de droite définissant la distance I3 et parallèle au(x) plan(s) contenant les axes longitudinaux des segments de jambe 15, 15', 15" ou 26, 15" et/ou des liaisons mécaniques correspondantes et reliant l'axe X3 de l'articulation à pivotement 13' précitée au segment de droite SD reliant les articulations à pivotement 7" et 10" des première et deuxième structures de jambe 4 et 5. En accord avec les deux variantes de réalisation de la troisième structure de jambe 6 évoquées précédemment, il peut être respectivement prévu que les deux articulations à pivotement 13 et 13' soient toutes deux commandées et contrôlées en mouvement, ou que l'articulation à pivotement 13' soient commandée et contrôlée en mouvement, avec le segment de jambe télescopique 26 réglable en longueur de manière contrôlée.
Avantageusement, toutes les articulations à pivotement ou à rotation 7, T, 7", 8, 8', 10, 10', 10", 11, 11', 13, 13', 14, 14' consistent en des articulations cylindriques (par exemple paliers à billes ou à aiguilles) et l'articulation 14 du type rotule peut être constituée par l'association juxtaposée de trois articulations à pivotement ou à rotation 16, 16', 16" comportant des axes de rotation ou de pivotement concourants.
La distance séparant l'articulation 14 du plan contenant l'embase 3 peut éventuellement être réglable, par exemple en prévoyant un segment de liaison 14" télescopique entre cette articulation et l'embase 3.
En utilisant les notations mathématiques ressortant des figures 3 et 4, il est possible de modéliser le dispositif robotique 1 selon le mode de réalisation préféré de l'invention en se basant sur les méthodes exposées dans les publications suivantes : - "A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation" (Une introduction mathématique à la manipulation robotique), Murray, R. M., Li Z., Sastry S. S., 1994, CRC Press. - "Computational aspects of the product-of-exponentials formula for robot kinematics" (Aspects calculatoires de la formule produit d'exponentiels pour la cinématique de robots), Park, F. C, 1994, IEEE Transactions on Automatic Control, 39 (3) March, pages 643-647. - Design and kinematic analysis of modular reconfigurable parallel robots" (Conception et analyse cinématique de robots parallèles reconfigurables et modulaires), Yang, G., Chen I. M., Lim, W. K., Yeo, S. H., 1999, Proceedings of the 1999 IEEE International Conférence on Robotics and Automation, pages 2501-2506. Une modélisation cinématique du dispositif robotique 1 objet de l'invention est développée et décrite dans le document suivant :
- "A PARALLEL 5 DOF POSITIONER FOR SEMI- SPHERICAL WORKSPACES" (Positionneur parallèle à 5 degrés de libertés pour des espaces de travail semi-sphériques) ; Maurin B. et al., Proceedings of DETC '04, Design Technical Engineering Conférences, Sait Lake City, USA, 28 septembre 2004, ASME, 2004.
Comme cela ressort de ce dernier document, dont le contenu est en totalité intégré à la présente par référence, le formalisme du produit local des exponentielles tel que décrit dans les publications précitées est utilisé pour simuler la cinématique du dispositif robotique 1 et une matrice jacobienne numérique approximative est utilisée pour étudier l'espace de travail et la rigidité du mécanisme formé par les structures de jambes parallèles articulées 4, 5 et 6.
Lorsque le dispositif robotique 1 est mis en oeuvre dans le volume d'investigation d'un scanographe, il peut être avantageusement prévu qu'aucun des éléments constitutifs de l'une quelconque des trois structures de jambes 4, 5 et 6 ne soit situé dans le plan de balayage dudit scanographe (plan perpendiculaire à l'axe central du volume d'investigation du scanographe ou au plan de symétrie du patient). En accord avec un mode de réalisation pratique préféré de l'invention, appliquée à la première variante précitée, les actionneurs 17, 17' ; 18 ; 19, 19' commandant et contrôlant les mouvements respectivement des articulations 7', 7" ; 10' ; 13, 13' commandées et contrôlées en mouvement des trois structures de jambes 4, 5 et 6 consistent en des ensembles moteurs piézoélectriques ou à ultrasons.
En relation avec la seconde variante précitée, il peut être prévu que les segments de jambe télescopiques 24, 25, 26 consistent en des vérins électriques ou piézoélectriques et que les articulations à pivotement à mouvement commandé et contrôlé 7", 13' consistent en des ensembles moteurs piézoélectriques ou à ultrasons 17', 19'.
Plus précisément chacun des ensembles moteurs 17, 17', 18, 19 et 19' (affectés chacun respectivement à l'une des articulations pivotantes à mouvement contrôlé T, 7", 10', 13, 13') peut comprendre un moteur ultrasonique ou piézoélectrique associé à un réducteur, préférentiellement à excitation harmonique ("harmonie drive" en langue anglaise), et à un codeur incrémental, chacun de ces ensembles étant monté dans un carter correspondant et piloté en accord avec les autres ensembles par une unité centrale de commande et de contrôle, telle qu'une unité informatique programmable, qui recueille les données délivrées par les différents codeurs.
Ce type d'ensembles moteurs est particulièrement bien adapté à une utilisation dans le cadre de l'invention. En effet, les moteurs ultrasoniques présentent un grand couple de maintien, un rapport couple/poids élevé, un faible temps de réponse, une faible réponse dynamique, une bonne compatibilité magnétique et aucun jeu ou hystérèse. Les ensembles moteurs mis en oeuvre peuvent par exemple être du type connu sous la désignation USR-30 par la société Shinsei, disponibles avec des unités de commande appropriées intégrant des amplificateurs de puissance. Un asservissement angulaire des ensembles moteurs peut être réalisé en prévoyant une boucle de contrôle entre les codeurs et lesdites unités de commande associés à chacun desdits ensembles moteurs. Bien entendu, la commande et le contrôle de ces derniers seront réalisés par une unité informatique 21 sur la base des données fournies par les codeurs et par un système d'imagerie en temps réel 22.
En vue de réduire le plus possible les perturbations induites par le dispositif robotique 1 au niveau de l'imagerie, les différents segments de jambes 9, 9', 9", 9'", 12, 12', 12", 12'", 15, 15', 15", 24, 25, 26, ainsi que la plateforme 2 et l'embase 3, sont réalisés en un matériau rigide et compatible avec les procédés d'imagerie médicale, notamment du type à rayons X, tel que par exemple un polyamide chargé en fibres de verre, et les articulations à pivotement 7, 7', 7", 8, 8', 10, 10', 10", 11, 11', 13, 13' des trois structures de jambes 4, 5, 6 consistent en des paliers cylindriques ou annulaires.
Afin de permettre une localisation spatiale permanente et précise du dispositif robotique 1 par un système d'imagerie médicale 22, ledit dispositif 1 comporte en outre au moins une pièce Y de référencement spatial et d'indexation multiaxiale, par exemple sous la forme d'un cube en un matériau plastique et renfermant des tiges opaques aux rayons X (par exemple en un matériau métallique), rapportée préférentiellement au niveau de l'embase 3 ou le cas échéant au niveau de la plateforme 2.
De telles pièces de référencement 24 sont par exemple décrites par R.A. Bronn et al, dans "Stereotactic frame and computer software for
CT-directed neurosurgical localisation" (Cadre stéréotactique et logiciel pour localisation neurochirurgicale dirigée par scanographe tomographique assisté par ordinateur), Invest. Radiol., vol. 15, pages 308-312, 1980.
En relation avec une application particulièrement avantageuse de l'invention, la plateforme 2 comporte un ou plusieurs sites 2' de montage et de fixation d'un dispositif 23 de maintien et de déplacement axial et d'enfoncement contrôlé d'une aiguille ou d'un objet allongé analogue et/ou d'un dispositif de production d'un jet ou d'un faisceau rectiligne, tel que par exemple un laser, et l'embase 3 présente une forme sensiblement annulaire avec une ouverture centrale 3' située sous la plateforme 2 et des prolongements latéraux 3" formant des pattes ou un cadre d'appui.
Ces sites de montage et de fixation 2' pourront par exemple consister en des plots d'indexation, des découpes de logement, des perforations de passage de vis ou analogues et/ou des configurations surfaciques de forme complémentaire à celle du dispositif 23 à monter et à fixer.
Un tel dispositif 23 de maintien et de déplacement contrôlé, par exemple d'une aiguille, est notamment décrit et représenté dans la demande de brevet français n° 05 02016 du 28 février 2005.
Les prolongements latéraux 3" pourront, par exemple, s'étendre vers l'extérieur, à partir du corps annulaire central de l'embase 3, au niveau des trois points d'ancrage articulés des trois structures de jambes 4, 5 et 6. Une patte 3" ou une partie du cadre d'appui pourra en outre comporter un logement de réception calée pour la pièce de référencement et d'indexation 24.
Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 20, et pour permettre une application intime et un assujettissement sûr et calé du dispositif robotique 1 sur le tronc ou l'abdomen d'un patient, l'embase 3 peut être pourvue de moyens 20 de passage et/ou de réception calée, tels que des fentes, des rainures ou analogues, pour des bandes ou sangles de fixation (non représentées), peraiettant un positionnement avec solidarisation du dispositif 1 sur le tronc ou l'abdomen d'un sujet humain ou animal, vivant ou non. Préférentiellement, des fentes 20 sont alors ménagées dans les pattes d'appui 3" opposées prolongeant latéralement l'embase 3 au niveau des parties inférieures des deux premières structures de jambes 4 et 5 opposées.
Dans le cadre d'applications du dispositif 1 requérant des conditions de stérilité et d'asepsie de niveau élevé, tel qu'en milieu chirurgical, il est impératif que le dispositif 1 dans son intégralité réponde aux critères requis .
Une première solution peut consister à soumettre, systématiquement, entre deux utilisations consécutives, l'ensemble du dispositif 1 à un traitement stérilisant. Cette solution accélère toutefois le vieillissement des différents éléments constitutifs, en particulier des articulations et des actionneurs.
Une seconde solution peut consister à entourer le dispositif 1 dans sa totalité (inclusivement le cas échéant le dispositif 23 de maintien et de déplacement d'aiguille) dans une enveloppe étanche maintenant un environnement stérile autour dudit dispositif. Néanmoins une telle solution n'autorise pas une application intime, ni une solidarisation aisée dudit dispositif sur le corps d'un patient, par exemple.
Une troisième solution peut consister à décomposer le dispositif 1 en une première partie à usage unique et à faible coût de revient (en contact avec le patient 29) et une seconde partie réutilisable et entourée d'une enveloppe fournissant un milieu stérile.
En accord avec cette troisième solution, l'embase 3 peut être formée de deux parties assemblées de manière amovible avec indexation en rotation autour de son ouverture centrale 3', à savoir une première partie 27 en forme d'anneau reliée aux structures de jambes 4, 5, 6 et une seconde partie 27' délimitant l'ouverture centrale 3', intégrant les prolongements latéraux 3" et comportant, autour de ladite ouverture 3', une rainure circulaire 27" pour la réception de la première partie 27 annulaire (la seconde partie 27' constitue alors une pièce à usage unique).
Afin de pouvoir fournir un positionnement stable et un contact intime entre l'embase 3 et le corps sur lequel repose le dispositif 1, ladite embase 3, le cas échéant sa seconde partie constitutive 27', est pourvue sur sa face destinée à reposer sur un corps support 29, notamment un patient humain, un rembourrage 28 ou un revêtement équivalent s'adaptant au relief dudit corps support en épousant sa forme, cette forme complémentaire étant éventuellement figée après adaptation.
Comme le montrent les figures 5 et 19, le rembourrage 28 peut par exemple consister en une enveloppe annulaire souple, fixée sous la partie 27' de l'embase 3, remplie de billes de polystyrène et pouvant être déformée par aspiration (création de vide) pour prendre une configuration figée correspondant à celle de la surface d'appui (peau du patient).
La présente invention concerne également, comme le montre schématiquement la figure 21 des dessins annexés, un appareil porte- aiguille, pour le positionnement et l'enfoncement contrôlé d'une aiguille dans un sujet vivant disposé dans un appareil d'imagerie médicale 22, en particulier dans un volume d'observation cylindrique d'un scanographe à rayons X. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il est constitué par un dispositif robotique 1 tel que décrit ci-dessus et par un dispositif 23 de maintien avec possibilité de déplacement axial contrôlé, en translation et éventuellement en rotation, d'une aiguille d'injection ou de prélèvement, ledit dispositif 23 de maintien et de déplacement d'aiguille étant équipé d'au moins un capteur de force agissant en direction axiale et étant monté rigidement et de manière indexée sur la plateforme 2 du dispositif robotique 1.
Le dispositif 23 est monté et fixé sur le dispositif robotique 1 au niveau de la plateforme 2 et cette dernière comporte à cet effet des sites 2' d'indexation, de positionnement calé et de solidarisation adaptés, le contact entre les deux dispositifs 1 et 23 étant préférentiellement de nature surfacique.
Ces deux dispositifs sont pilotés par une unité informatique de commande et de contrôle 21, en corrélation avec des prises de vue enregistrées et/ou prises en temps réel par un appareil d'imagerie médicale
22 et en coopération éventuellement avec un serveur et des moyens d'amplification.
L'unité de pilotage 21 et ses moyens de visualisation sont situés à distance de l'appareil d'imagerie 22, préférentiellement derrière un écran de protection.
Un tel appareil est décrit plus en détail dans les deux publications suivantes : - "Needle tip positioning on the abdomen with a novel stereotaxic robotic assistant", B. Maurin et al., Computer-Aided Médical Interventions: tools and applications, Conférence SURGETICA, Chambéry, France, janvier 2005. - "A parallel robotic System with force sensors for percutaneous procédures under CT-guidance" (Système robotique parallèle avec des capteurs de force pour des procédures percutanées sous guidage CT), Benjamin Maurin et al., Médical Image Computing and Computer-Assisted Intervention - MICCAI 2004, pages 176-183, Saint-Malo, France, octobre 2004.
Les contenus de ces deux publications sont intégrés en totalité dans la présente description par référence.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1) Dispositif robotique de positionnement et d'orientation d'une plateforme, d'un élément support similaire ou analogue, pourvue d'un repère (Of, Xf, yf, Zf) et mobile par rapport à une embase d'appui pourvue d'un repère (Oo, X0, yo> zo)> la plateforme étant située à distance, préférentiellement au-dessus, de l'embase et reliée à cette dernière par des première, deuxième et troisième structures de jambes articulées formant trois liaisons mécaniques en parallèle, dont chacune consiste en une série de segments ou de portions de jambe relié(e)s entre eux, deux par deux, par des articulations présentant chacune au moins un axe de pivotement, les portions extrémales opposées de chacune des trois structures de jambes étant en outre reliées par des articulations à au moins un axe de pivotement avec la plateforme et avec l'embase en des points de liaison déterminés, dispositif (1) caractérisé en ce que les axes de pivotement respectifs des articulations à pivot (8', 11' ; 8, 11) des première et deuxième structures de jambes (4 et 5) avec la plateforme (2), d'une part, et l'embase (3), d'autre part, sont confondus de manière à définir un premier axe de rotation commun (A1) entre l'embase (3) et les deux structures de jambes opposées (4 et 5) et un second axe de rotation commun (Δ2) entre ces dernières et la plateforme (2), en ce que lesdits axes de pivotement communs (A1 et Δ2) sont coplanaires dans un plan (P), en ce que les axes de pivotement (X1 ; X2) des articulations à pivot (7, 7', 7" ou 7, 7" ; 10, 10', 10" ou 10, 10") reliant les segments de jambe (9, 9', 9", 9'" ou 9, 24, 9'" ; 12, 12', 12", 12'" ou 12, 25, 12'") de ces deux structures de jambes (4 ; 5) sont tous parallèles entre eux et perpendiculaires à un plan donné (P'), en ce que les deux plans précités (P) et (P') ne sont pas mutuellement perpendiculaires, en ce que la troisième structure de jambe articulée (6) est reliée, de manière articulée, d'une part, à la plateforme (2) en un point de liaison (6') non aligné avec les points de liaison (4', 5') des deux autres structures de jambes (4 et 5) avec ladite plateforme (2) et, d'autre part, à l'embase (3) en un point de liaison (6") non aligné avec les points de liaison (4", 5") des deux autres structures de jambes (4 et 5) avec ladite embase (3), les liaisons articulées parallèles fournies par ces trois structures de jambes (4, 5 et 6) autorisant une détermination contrôlée de la position de l'origine (Of) du repère (Of, xf, yf, zf) attaché à la plateforme (2) et de l'orientation de ce dernier repère par rapport au repère (O0, X0, y0, Z0) attaché à l'embase (3), ce en fournissant au moins cinq degrés de liberté.
2) Dispositif robotique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des première et deuxième structures de jambes (4 et 5) est composée, en l'observant dans son extension de l'embase (3) vers la plateforme (2), de quatre segments de jambe (9, 9', 9", 9'" ; 12, 12', 12", 12'") assemblés en série, successivement du premier au quatrième, et reliés entre eux, deux à deux, par trois articulations (7, 7', 7" ; 10, 10', 10") à pivotement autour d'axes (X1 ; X2) perpendiculaires au plan (P1).
3) Dispositif robotique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des première et deuxième structures de jambes (4 et 5) est composée, en l'observant dans son extension de l'embase (3) vers la plateforme (2), de trois segments de jambe (9, 24, 9'" ; 12, 25, 12'") assemblés en série, successivement du premier au troisième, et reliés entre eux, deux à deux, par deux articulations (7, 7" ; 10, 10") à pivotement autour d'axes (Xi ; X2) perpendiculaires au plan (P') et en ce que les segments de jambe (24 et 25) consistent en des segments de type télescopique.
4) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les plans (P et P') sont confondus. 5) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et deuxième structures de jambes (4 et 5) constituent des structures de jambes opposées et symétriques, avec des articulations à pivot (7, 7', 7" ou 7, 7" ; 10, 10', 10" ou 10, 10") localisées respectivement de manière symétrique et des segments de jambe (9, 9', 9", 9'" ou 9, 24, 9'" ; 12, 12', 12", 12'" ou 12, 25, 12'") de formes respectivement identiques, les axes longitudinaux de tous les segments de jambe précités, ou au moins les axes des liaisons mécaniques droites respectivement fournies par ces derniers, étant situés dans le plan (P) et/ou le plan (P'), ou encore dans un plan parallèle à l'un de ces deux plans.
6) Dispositif robotique selon la revendication 2 ou l'une quelconque des revendications 4 et 5, pour autant qu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce qu'une première (4) des deux structures de jambes opposées (4, 5) comporte deux articulations à pivotement (71 et 7") à mouvements commandés et contrôlés, préférentiellement l'articulation (7') reliant les deuxième et troisième segments (91 et 9") d'une part et l'articulation (7") reliant les troisième et quatrième segments (9" et 9'") d'autre part, et en ce que la seconde (5) des deux structures de jambes opposées (4 et 5) comporte une unique articulation (10') à pivotement à mouvement contrôlé et commandé, préférentiellement l'articulation (10') reliant les deuxième et troisième segments (12' et 12"). 7) Dispositif robotique selon la revendication 3 ou l'une quelconque des revendications 4 et 5, pour autant qu'elle se rattache à la revendication 3, caractérisé en ce que les deux segments télescopiques (24 et 25) sont réglables en longueur de manière contrôlée, et en ce que l'une des articulations à pivotement (7, 7" ; 12, 12") de l'une des première et deuxième structures de jambe (4 ; 5) est commandé et contrôlé en mouvement.
8) Dispositif robotique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les deux liaisons mécaniques et cinématiques parallèles formées par les première et deuxième structures de jambes opposées (4 et 5) reliant l'embase (3) à la plateforme (2) comprennent trois paramètres contrôlés, à savoir, d'une part, au niveau de la première (4) des deux structures de jambes (4 et 5), la distance (I1) entre l'axe (X1) de l'articulation à pivotement (7) reliant le premier et le deuxième segments de jambe (9 et 9') et l'axe (X1) de l'articulation à pivotement (7") reliant le troisième et le quatrième segments de jambe (9" et 9'"), et, l'angle (α) entre le segment de droite reliant les deux articulations (7 et 7") précitées et définissant la longueur (I1) et le segment de droite (SD) reliant la dernière (7") des articulations précitées de la première structure de jambe (4) à l'articulation correspondante (10") de la seconde structure de jambe (5), et, d'autre part, au niveau de la seconde (5) des deux structures de jambes (4 et 5), la distance (I2) entre l'axe (X2) de l'articulation (10) reliant le premier et le deuxième segments de jambe (12 et 12') et l'axe (X2) de l'articulation (10") reliant le troisième et le quatrième segments de jambe (12" et 12"').
9) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le point de liaison (6') de la troisième structure de jambe (6) avec la plateforme (2) est situé en dehors du plan médian (Of, X6 zf) des deux autres points de liaison (4' et 5') de ladite plateforme (2), perpendiculaire à l'axe de rotation (Δ2), et en ce que le point de liaison (6") de la troisième structure de jambe (6) avec l'embase (3) est situé en dehors du plan médian (O0, X0, Z0) des deux autres points de liaison (4" et 5") de ladite plateforme (2), perpendiculaire à l'axe de rotation (A1).
10) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la troisième structure de jambe (6) est composée, en l'observant dans son extension de l'embase (3) vers la plateforme (2), de trois segments de jambe (15, 15', 15") assemblés en série successivement du premier au troisième, et reliés entre eux, deux à deux, par deux articulations à pivotement (13 et 13') autour d'axes (X3) parallèles entre eux.
11) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la troisième structure de jambe (6) est composée, en l'observant dans son extension de l'embase (3) vers la plateforme (2), de deux segments de jambe (26, 15") assemblés entre eux par une articulation à pivotement (13') autour d'un axe (X3) et en ce que l'un (26) des deux segments de jambe (26, 15") est de type télescopique.
12) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les axes longitudinaux des segments de jambe (15, 15', 15" ou 26, 15"), ou au moins les axes des liaisons mécaniques droites respectivement fournies par ces derniers, sont situés dans un ou des plan(s) perpendiculaire(s) à l'axe ou aux axes de pivotement (X3). 13) Dispositif robotique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les segments de jambe extrémaux opposés (15 et 15") de la troisième structure de jambe (6) sont, chacun, reliés par une articulation libre (14, 14') respectivement à l'embase (3) et à la plateforme (2), et en ce que l'articulation (14) reliant le premier segment (15) à l'embase (3) est du type rotule et en ce que l'articulation (14') reliant le troisième segment (15") à la plateforme (2) est du type à pivotement autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de pivotement (Δ2).
14) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la liaison mécanique et cinématique formée par la troisième structure de jambe (6) comprend deux paramètres contrôlés, à savoir, la distance (I3) entre le centre de l'articulation libre à rotule (14) et l'axe (X3) de l'articulation à pivotement (131) reliant le premier et le second segments de jambe (26, 15") ou le deuxième et le troisième segments de jambe (15' et 15") et l'angle (β) entre le segment de droite reliant les deux articulations (14 et 13') précédentes et définissant la distance (I3) et un segment de droite (SD') contenu dans le plan contenant ledit segment de droite définissant la distance (I3) et parallèle au(x) plan(s) contenant les axes longitudinaux des segments de jambe (15, 15', 15" ou 26, 15") et/ou des liaisons mécaniques correspondantes et reliant l'axe (X3) de l'articulation à pivotement (13') précitée au segment de droite (SD) reliant les articulations à pivotement (7" et 10") des première et deuxième structures de jambe (4 et 5).
15) Dispositif robotique selon la revendication 10 et la revendication 14, caractérisé en ce que les deux articulations à pivotement (13 et 13') sont toutes deux commandées et contrôlées en mouvement.
16) Dispositif robotique selon la revendication 11 et la revendication 14, caractérisé en ce que l'articulation à pivotement (13') est commandée et contrôlée en mouvement et en ce que le segment de jambe télescopique (26) est réglable en longueur de manière contrôlée.
17) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que l'articulation (14) du type rotule est constituée par l'association juxtaposée de trois articulations à pivotement ou à rotation (16, 16', 16") comportant des axes de rotation ou de pivotement concourants.
18) Dispositif robotique selon la revendication 6 et /ou la revendication 15, caractérisé en ce que les actionneurs (17, 17' ; 18 ; 19, 19') commandant et contrôlant les mouvements respectivement des articulations (T, 7" ; 10' ; 13, 13') commandées et contrôlées en mouvement des trois structures de jambes (4, 5 et 6) consistent en des ensembles moteurs piézoélectriques ou à ultrasons.
19) Dispositif robotique selon les revendications 7 et 16, caractérisé en ce que les segments de jambe télescopiques (24, 25, 26) consistent en des vérins électriques ou piézo-électriques et en ce que les articulations à pivotement à mouvement commandé et contrôlé (T, 13') consistent en des ensembles moteurs piézoélectriques ou à ultrasons (17', 19'). 20) Dispositif robotique selon la revendication 18 ou la revendication 19, caractérisé en ce que chacun des ensembles moteurs (17, 17', 18, 19, 19') comprend un moteur ultrasonique ou piézoélectrique associé à un réducteur, préférentiellement à excitation harmonique, et à un codeur incrémental, chacun de ces ensembles étant monté dans un carter correspondant et piloté en accord avec les autres ensembles par une unité centrale de commande et de contrôle, telle qu'une unité informatique programmable, qui recueille les données délivrées par les différents codeurs.
21) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que les segments de jambes (9, 9', 9", 9'", 12, 12', 12", 12'", 15, 15', 15", 24, 25, 26), ainsi que la plateforme (2) et l'embase (3), sont réalisés en un matériau rigide et compatible avec les procédés d'imagerie médicale, notamment du type à rayons X, tel que par exemple un polyamide chargé en fibres de verre, et en ce que les articulations à pivotement (7, T, 7", 8, 8', 10, 10', 10", 11, 11', 13, 13') des trois structures de jambes (4, 5, 6) consistent en des paliers cylindriques ou annulaires.
22) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce (T) de référencement spatial et d'indexation multiaxiale, par exemple sous la forme d'un cube en un matériau plastique et renfermant des tiges opaques aux rayons X, rapportée préférentiellement au niveau de l'embase (3).
23) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la plateforme (2) comporte un ou plusieurs sites (T) de montage et de fixation d'un dispositif (23) de maintien et de déplacement axial et d'enfoncement contrôlé d'une aiguille ou d'un objet allongé analogue et/ou d'un dispositif de production d'un jet ou d'un faisceau rectiligne, tel que par exemple un laser, et en ce que l'embase (3) présente une forme sensiblement annulaire avec une ouverture centrale (3') située sous la plateforme (2) et des prolongements latéraux (3") formant des pattes ou un cadre d'appui. 24) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que l'embase (3) est pourvue de moyens (20) de passage et/ou de réception calée, tels que des fentes, des rainures ou analogues, pour des bandes ou sangles de fixation, permettant un positionnement avec solidarisation du dispositif (1) sur le tronc ou l'abdomen d'un sujet humain ou animal, vivant ou non.
25) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que l'embase (3) est formée de deux parties assemblées de manière amovible avec indexation en rotation autour de son ouverture centrale (3'), à savoir une première partie (27) en forme d'anneau reliée aux structures de jambes (4, 5, 6) et une seconde partie (27') délimitant l'ouverture centrale (3'), intégrant les prolongements latéraux (3") et comportant, autour de ladite ouverture (3'), une rainure circulaire (27") pour la réception de la première partie (27) annulaire.
26) Dispositif robotique selon l'une quelconque des revendications 1 à 25, caractérisé en ce que l'embase (3), le cas échéant sa seconde partie constitutive (27'), est pourvue sur sa face destinée à reposer sur un corps support (29), notamment un patient humain, un rembourrage (28) ou un revêtement équivalent s'adaptant au relief dudit corps support en épousant sa forme, cette forme complémentaire étant éventuellement figée après adaptation.
27) Appareil porte-aiguille, pour le positionnement et l'enfoncement contrôlé d'une aiguille dans un sujet vivant disposé dans un appareil d'imagerie médicale, en particulier dans un volume d'observation cylindrique d'un scanographe à rayons X, caractérisé en ce qu'il est constitué par un dispositif robotique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 26 et par un dispositif (23) de maintien avec possibilité de déplacement axial contrôlé, en translation et éventuellement en rotation, d'une aiguille d'injection ou de prélèvement, ledit dispositif de maintien étant équipé d'au moins un capteur de force agissant en direction axiale et étant monté rigidement sur la plateforme (2) du dispositif robotique, et en ce que ces deux dispositifs sont pilotés par une unité informatique de commande et de contrôle (21), en corrélation avec des prises de vue enregistrées et/ou prises en temps réel par un appareil d'imagerie médicale (22).
PCT/FR2005/002357 2004-09-24 2005-09-22 Dispositif robotique de positionnement et d'orientation et appareil porte-aiguille comprenant un tel dispositif WO2006035143A1 (fr)

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