Conception et modélisation modulaire d'un robot bio-inspiré extensible pour l'accès aux tumeurs dans le cerveau

The aim of this work, which was part of a research programme to develop a minimally invasive multirobotic neurosurgery system for cerebral tumour ablation, was the design and modelling of a robot that can be deployed inside the brain, along curved trajectories, with no free space surrounding its structure nor any natural guide to help its progression. After definition of the deployment task, a state of the art search found a wide range of systems, from which a bio-inspired continuum design based on the elephant's trunk was selected. The modular robot approach was defined and geometrically modelled by combining a cinematic chain with the continuum mobility of the robot. A deployment strategy, based on an ordered succession of local extensions/retractions for an iterative elongation of the robot, was formalised for the generic case of N modules, then validated with plans of simulations of robots composed of 1 to 3 modules (trajectory following error less than 1 mm). The agar gel (whose texture is close to that of the brain) study model was used to estimate the penetration efforts of the robot in the brain, and CAD to construct a demonstrator robot on springs. A human/machine interface was programmed to simulate and control the robot, and tests were conducted to validate certain aspects of the deployment. A second, pneumatically actuated, demonstrator will be constructed to carry out a comparative study of the two prototypes. While there is room for improvement in some areas, the preliminary results are encouraging. Collaborative works with specialists from different fields should make it possible to optimize the deployment robot.Intégrés dans un projet de développement d'un système multit-robots de neurochirurgie mini-invasive pour l'ablation de tumeurs, ces travaux ont pour objectif la conception et modélisation d'un robot déployable dans le cerveau, selon des trajectoires curvilignes, sans espace libre autour de sa structure et sans guide naturel pour aider à sa progression. Après définition de la tâche de déploiement, un état de l'art recense un large panel de concepts et une évaluation sélectionne un concept continu bio-inspiré des trompes d'éléphant. La solution modulaire du robot est définie et modélisée géométriquement en associant une chaîne cinématique aux mobilités continues du robot. Une statégie de déploiement, reposant sur une succession ordonnée d'extensions/rétractions locales pour une élongation itérative du robot est formalisée pour le cas générique à N modules, puis validée par des plans de simulations de robots ayant 1 à 3 modules (erreur de suivi inférieure à un mm). Sur un modèle d'étude de gels d'agar (texture proche du cerveau), les efforts de pénétration du robot dans le cerveau sont estimés, puis la conception CAO et la programmation d'un démonstrateur à ressorts sont réalisées. Une interface homme/machine, simulant et commandant le robot, est programmée et des tests sont effectués pour valider certains aspects du déploiement. Un deuxième démonstrateur actionné pneumatiquement est à finaliser pour procéder à une étude comparative des deux prototypes. Même si des perspectives d'amélioration restent à explorer, les résultats obtenus sont encourageants. Un travail collaboratif entre spécialistes de différents domaines devrait conduire à l'optimisation de ce robot de déploiement