Problématique

Il existe un grand nombre de méthodes d'équilibrage statique utilisées afin de reduire, voire d'annuler les efforts à fournir par les moteurs lors d'un mode de déplacement quasistatique d'un système mécanique. Parmi ces méthodes, les plus courantes sont :

• l'ajout de contrepoids ; le problème de ce type de méthode, c'est l'augmentation considérable de la masse en mouvement sur le robot et l'encombrement trop important des bras de levier utilisés
• l'ajout de ressorts ; le problème de ce type de méthode, c'est l'augmentation considérable de la taille des ressorts ajoutés sur le robot quand ce dernier doit déplacer de lourdes charges

De fait, ces méthodes sont certainement bien adaptées pour certaines applications industrielles. Mais, pour des applications de type chirurgical, ces méthodes ne sont pas bien adaptées.

C'est pourquoi la société ISIS a cherché à développer un nouveau système d'équilibrage de son manipulateur SurgiScope (Fig. 1) en partenariat avec l'INSA de Rennes. En effet, ce manipulateur, assistant le chirurgien lors d'opérations de neurochirurgie, supporte un ensemble microscope de 70 kg. Pour porter une telle masse, les efforts à fournir par les moteurs doivent être très importants, tout comme les déformations de la structure sous le poids du système embarqué sur la plate-forme. Il serait donc intéressant, dans ce cas, de trouver un système mécanique permettant de mettre en état de quasi apesanteur la plate-forme du SurgiScope, cela permettrait ainsi de diminuer considérablement les efforts moteurs, et d'améliorer aussi la précision de positionnement du mécanisme.

 

Fig. 1. Système SurgiScope proposé la société ISIS.

 

Ce problème fût l'objet de la thèse de Cédric Baradat. Mais j'ai aussi travaillé sur ce sujet en collaboration avec lui.

 

Système d'équilibrage du SurgiScope

Le solution proposée pour l'équilibrage statique du manipulateur SurgiScope est l'ajout d'un mécanisme auxiliaire entre la base et la plate-forme du manipulateur, de type pantographe (Fig. 2). Ce mécanisme totalement passif permet l'application d'une force verticale sur la plate-forme du SurgiScope, et ainsi, de réduire les efforts à fournir par les moteurs.

 

Fig. 2. Système d'équilibrage du SurgiScope.

 

Ainsi, des simulations ont montré qu'en théorie, il était possible de réduire les efforts moteurs, dans un mode de fonctionnement quasistatique, de plus de 90% dans tout l'espace de travail du manipulateur. En pratique, les expérimentations ont montré que cette diminution était de l'ordre de 80%, à cause des frottements dans le mécanisme.

De même, une étude des déformations a montré que l'on pouvait réduire les déplacements de la plate-forme, dus à l'élasticité du mécanisme, de 90% en théorie, et de 80% en pratique.

 

Pour plus d'informations sur le sujet, le lecteur peut se référer à :

C. Baradat, V. Arakelian, S. Briot et S. Guégan, « Design and Prototyping of a New Balancing Mechanism for Spatial Parallel Manipulators », Transaction of the ASME, Journal of Mechanical Design, 2008, Vol. 130, No. 7.

S. Briot, C. Baradat, S. Guégan, et V. Arakelian, « Contribution to the Improvement of the Medical Device SurgiScope®», Proceedings of the 2007 ASME International Design Engineering Technical Conferences (DETC 2007), 4-7 septembre, 2007, Las Vegas, Nevada, USA.

S. Lessard, P. Bigras, I.A. Bonev, S. Briot et V. Arakelian, « Optimum Static Balancing of a Parallel Robot for Medical 3D-Ultrasound Imaging », Proceedings of the 12th IFToMM World Congress, 18-21 juin, 2007, Besançon, France.

C. Baradat, V. Arakelian et S. Briot, « Design of a Torque-Minimizing Mechanism for the Delta Parallel Robot », Proceedings of the 20th Canadian Congress of Applied Mechanics: CANCAM 2005, pages 413-414, 30 mai - 2 juin, 2005, Montréal, Québec, Canada.