P28 Modélisation d'un robot chirurgical déformable pour la simulation et le contrôle : Différence entre versions

Version du 13 octobre 2014 à 15:06

Charlotte BRICOUT & Nathan MARTIN

Élèves Ingénieurs à Polytech Lille

Projet de Fin d'Etudes (PFE)

Contexte du projet de fin d'études

Dans le cadre d'un projet commun avec le King's College de Londres, l'équipe Shacra de l'INRIA de Lille va travailler pendant 2 ans sur un projet de robot déformable. L'objectif est de contrôler des robots non-rigides qui pourraient faire progresser la chirurgie non invasive. A terme, le laboratoire envisage de créer un endoscope pneumatique. Actuellement, les robots sont de types pneumatiques et le contrôle est effectué en emplissant ou vidant des volumes d'air. Le projet pourrait évoluer avec un contrôle hydraulique qui serait plus précis grâce à une mesure de l'eau injectée dans les cavités.

Description des missions à réaliser

Les objectifs du projet sont :

- Développer un modèle FEM (Finite Element Method) du robot sur la plateforme logicielle SOFA

- Faire un prototype pneumatique simplifié de l'endoscope afin de valider le contrôle du robot par le biais d'une simulation informatique. Pour mener à bien le projet, une partie de contrôle bas-niveau des régulateurs de pression sera nécessaire

- Valider le modèle sur le robot développé au King's College de Londres

- Faire une étude de faisabilité pour passer de la technologie pneumatique à hydraulique

Matériel à disposition

Le logiciel SOFA

SOFA est une plate-forme de recherche et développement dédiée aux simulations physiques interactives et en particulier à la simulation médicale. La plate-forme regroupe de nombreux algorithmes issus de domaines de recherche variés. Des modèles de nature différente peuvent être combinés de façon à produire des simulations complexes qui restent compatibles avec des temps de calcul optimaux.

Le logiciel Blender

Blender est un logiciel libre de modélisation, d’animation et de rendu en 3D. Il dispose de fonctions avancées de modélisation, de sculpture 3D, de texturage, d’animation 3D et de rendu. Le logiciel prend en charge diverses simulations physiques telles que les particules, les corps rigides, les corps souples et les fluides.

Journal de Bord

Semaine 1

Pour démarrer notre projet, nous avons commencé par élaborer un environnement de travail complet:

- Pour travailler depuis Polytech : Installation sur nos machines personnelles des logiciels Blender et SOFA

- Pour travailler depuis l'INRIA : Etablissement d'une convention et obtention des accès au bâtiment du laboratoire

Lors de la première séance complète, nous avons pris en main Blender. Ce logiciel va nous permettre de modéliser un prototype simplifié de l'endoscope.

Semaine 2

Une fois le robot entièrement modélisé sur Blender, on génère un modèle sous le format ".obj" afin d'effectuer le maillage. Le prototype modélisé sous Blender contient des cavités très fines rendant le processus de maillage impossible sur le logiciel SOFA. Le nombre de nœuds nécessaires au maillage du prototype est trop important et nos machines ne supportent pas les calculs. Un nombre de tétraèdres moins important ne fait pas apparaître les cavités sur le prototype maillé. Après plusieurs tentatives de maillage vaines avec SOFA, nous avons décidé de travailler avec le logiciel GID.

Semaine 3

Sur GID, il est nécessaire de modéliser à nouveau le prototype du robot. Une fois le modèle terminé, nous réalisons un maillage avec un nombre de nœuds moins importants qu'auparavant mais le prototype n'est pas maillé correctement. Si l'on augmente le nombre de nœuds et par conséquent, le nombre de tétraèdres, le logiciel ne supporte pas les calculs.

Le prochain objectif est de prendre contact avec l'équipe du King's College pour connaître les possibilités de modification du prototype qui permettraient un maillage correct du modèle.

Semaine 4

Après discussion avec le King's college, notre modèle est validé. Par ailleurs, nous avons décidé de multiplier par deux les dimensions du robot afin de faciliter la conception du prototype physique. A présent, notre travail se scinde en deux parties.

La première partie consiste à modéliser deux prototypes sur GID avec des nombres d'éléments différents:

- un modèle précis pour évaluer les besoins en pression (entre 5000 et 6000 noeuds)

- un modèle allégé pour que la simulation avec SOFA reste fluide

La seconde partie consiste à mettre en simulation le prototype exporté de GID au format ".msh". Ce fichier mesh contient les coordonnées des points et les éléments de l'objet maillé. A partir de ce mesh, on cherche à générer un fichier au format ".xml" afin que les données contenues dans le mesh soient exploitables dans une scène Sofa. Pour ce faire, on utilise un script existant qui génère le fichier souhaité. Enfin, on rédige un fichier ".scn" qui va permettre de mettre en mouvement le prototype modélisé auparavant.