Design and control of a continuum endoscopic robot based on electroactive polymer actuators for bladder cancer surveillance

La chirurgie mini-invasive (MIS) est une alternative connue à la traditionnelle chirurgie ouverte. La MIS est utilisée pour diagnostiquer et traiter le cancer de la vessie durant un examen cystoscopique. La cystoscopie consiste à insérer un instrument flexible dans l'urètre pour détecter d'éventuelles lésions en parcourant la paroi vésicale. Cependant, une observation complète de cet organe peut être compromise par les incertitudes liées au facteurs humains et environnementaux. Cette incertitude pourrait être compensée par une automatisation partielle ou totale du geste cystoscopique, ce qui n'est pas le cas à l'heure actuelle. De nos jours, les avancées technologiques concernant les matériaux ont ouvert une voie nouvelle et prometteuse pour concevoir des structures intelligentes et continues adaptées aux contraintes de dimension des outils chirurgicaux. Parmi les matériaux intelligents, les polymères électrostrictifs présentent une capacité de déformation très importante, une rapidité et une précision de contrôle et un mouvement répétable et réversible. Cependant, ce mouvement nécessite des champs électriques très élevés et incompatibles avec une application In Vivo. Afin de contrecarrer cette problématique, un actionneur en multicouches à base de matériau intelligent a été proposé. Dans cette thèse, le terpolymère P(VDF-TrFE-CTFE), un relaxeur ferroélectrique de la famille des polymères électrostrictifs a été choisi pour sa capacité de déformation de près de 8%. Le grand nombre de paramètres impliqués dans cet actionneur nous a mené vers le développement d'un modèle aux éléments finis sur Abaqus afin de guider la réalisation d'un prototype expérimental. Enfin, le robot doit naviguer dans un environnement de dimension réduite, sans amer et sous l'effet de perturbations inconnues issues du mouvement de l'organe. Afin de garantir une navigation précise et en toute sécurité les modèles géométrique, cinématique et dynamique du robot ont été développés. Pour valider ces modèles, une analyse en cosimulation a été proposée, elle couple les logiciels Abaqus, Matlab et Simulink pour tester des algorithmes de commande.Minimally Invasive Surgery (MIS) is a well-known alternative to traditional open surgery. MIS is used to diagnosis and treat bladder cancer during cystoscopic examination of the bladder. Cystoscopy consists of the insertion of a flexible instrument into the bladder through the urethra to detect any lesion by performing a mapping. However, a perfect mapping of the bladder may be compromised by uncertainties related to many human and environmental factors that could be overcome by partial or total automation which is not available at the present time. Nowadays, recent advances in materials have opened a new and promising way to fulfil the surgical requirements and size constraint for the development of smart continuum structures. Among samrt materials, electrostrictive polymer exhibit exceptionally large, fast, precisely controlled, repeatable, and reversible motion, however, at the expense of large, applied voltage incompatible with in vivo medical application. To overcome these issues, a multilayered concept has been proposed. In this work, the terpolymer P(VDF-TrFE-CTFE), a relaxor ferroelectric electrostrictive polymer is studied for his large electromechanical strain. A wide range of parameters involved in the active material has led us to the development of a finite element model on Abaqus to guide the experimental development. Then, the robot must navigate inside a micro-scale environment without any landmark and under unmeasured perturbations due to organ movement. For a safe and precise navigation, kinematic and dynamic models have been built. To test and validate these models a Co-simulation procedure has been developed. This procedure coupled Abaqus and Matlab-Simulink allowing testing proposed control algorithms