Sélection et identification de modèle en temps-réel pour l’interaction au contact Homme-Robot dans une chaîne de téléopération

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Sélection et identification de modèle en temps-réel pour l’interaction au contact Homme-Robot dans une chaîne de téléopération
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Mathématiques
Spécialité de doctorat : Image Signal et Automatique

Lieu de travail
ENSIL , Parc ESTER Technopole, 16 rue Atlantis, 87068 LIMOGES CEDEX
Date Limite de candidature : 26/06/2013
Laboratoire d’accueil : XLIM/DMI

Présentation de l’équipe de recherche
Ces travaux se dérouleront au sein de l’équipe projet «Mécatronique» de l’Institut Xlim, Département Mathématiques-Informatiques. Plus particulièrement le doctorant sera intégré dans l’axe 1 de cette équipe: Estimation d’état et de paramètres de systèmes technologiques. Les verrous scientifiques et technologiques traités par cette équipe concernent:
– l’Intégrité des estimations,
– la recherche de compromis précision/robustesse par rapport aux bruits,
– la modélisation d’interfaces compliantes

Résumé de la thèse en français
Ce sujet répond à un besoin sociétal: celui de l’assistance à distance des personnes médicalement isolées et plus généralement de la collaboration homme-robot. Dans ce contexte nous voulons améliorer nos dispositifs de télé-échographie robotisée en développant un nouveau type de capteur intelligent qui sera porté en bout de bras du robot. Ce capteur aura deux fonctions clés:
1. Garantir la sécurité du contact physique robot-patient
2. Construire en temps-réel un modèle mécanique du patient qui permettra la restitution d’un rendu haptique de haute qualité pour l’expert médical distant du patient.

Outre la réalisation de ce capteur il sera nécessaire d’étudier son intégration et exploitation efficace dans la chaîne de commande du système téléopéré.

Résumé de la thèse en anglais
Medical ultrasound examination is said to be «expert-dependent» meaning that trajectories and pressures applied by the expert to the handled ultrasound transducer used to scan a patient, are dependent on the way the expert senses the stiffness of the patient tissues in correlation with the image feedback of the ultrasound scan. This fact exhibits the need of providing the medical experts with haptics feedback in the framework of a teleoperated examination. To face uncertain communication links this project aims at developing a special sensor to be shipped inside the remotely controled robot. This sensor should be able to identify in real-time the mechanical interaction between the patient and the robot by sensing force and displacements and consequently to provide high level information requiring low throughput for haptic control.
Our innovative contribution is to propose an integrated sensor which we call «impedance sensor» dedicated to select and identify in real time an interaction impedance model of the robot with its environment. Since gestures of a medical expert during the examination phase are not very fast, the interaction impedance is supposed to be slowly varying hence this model can be transmitted to the master station using secured protocol as TCP/IP without the need of a high throughput. In the framework of haptic teleoperation, this model can be exploited at the master station by an haptic interface controller simulating the mechanics of the remote environment at the slave station. Hence the medical expert can interact with the haptic interface device such as he would interact with his remote patient. For this control scheme to be fully functional and efficient some researches still have to be carried out. New innovative control laws have to be imagined and developed to exploit this sensor as well in a local loop for robot compliance adaptation as in global loop for remote haptic control.

Description complète du sujet de thèse
L’idée proposée et que nous avons mis en test depuis plusieurs années consiste à doter les petits centres médicaux et les sites médicalement isolés, de robots pouvant être manipulés à distance en temps-réel par un spécialiste médical pour réaliser une télé-échographie.
L’une des difficultés de la réalisation d’un examen à distance provient du fait que ce type d’examen est dit « expert-dépendant » signifiant ainsi que la qualité du diagnostic est grandement améliorée lorsque le praticien est en contact direct avec son patient. En effet lorsque le praticien exerce une pression sur le patient à l’aide du transducteur ultrasonore, il est alors à même de ressentir la texture et la résistance des tissus examinés ce qui lui permet de mieux cibler et orienter son examen. La problématique scientifique générale qui devra être traitée dans cette thèse se rapporte à la commande avec retour haptique du système téléopéré en intégrant des techniques adaptatives et robustes aux incertitudes et variabilités non seulement de l’environnement de travail du robot (le patient) mais également aux perturbations du canal de communication. Notamment la méthode préférentiellement ciblée sera basée sur la technique dite de « médiation de modèle » consistant non plus à transmettre des informations de forces et de positions entre le robot et le poste de contrôle à distance, mais de transmettre directement un modèle mis à jour en temps réel du comportement mécanique de la zone examinée du corps du patient.

Ces travaux de thèse devront permettre d’améliorer cette technique en traitant plusieurs verrous:
– sélection en temps réel d’un modèle optimal
– identification en temps réel des paramètres du modèle
– définition d’un protocole de téléopération adapté à la médiation de modèle- transition de modèles au niveau du rendu haptique
La première application visée est bien entendue la télé-échographie où ces travaux devront permettre d’optimiser la sécurité de l’examen à distance ainsi que la qualité du diagnostic par un fort sentiment de téléprésence. Il est reconnu que ce champ d’application sera l’un des premiers à bénéficier d’un déploiement industriel en milieu médical du fait de la non-invasivité de l’examen ultrasonore.
Outre cette application particulière, les méthodes et outils développés au cours de ces travaux devront permettre de faire référence pour les applications générales de téléopération. En effet les méthodes maintenant traditionnelles de téléopération avec retour haptique sont en perpétuelle quête de la résolution d’un compromis stabilité-transparence du système téléopéré. Ces méthodes aboutissent en général à de faibles performances sur des liens de communication à faible débit exhibant des retards de transmission importants et variables dans le temps (gigue) et soumis à des perturbations électromagnétiques induisant des erreurs dans les données numériques (réseaux sans fils). L’approche de commande avancée de type «médiation de modèle» qui sera approfondie au cours de cette thèse au travers le développement et l’exploitation d’un capteur intelligent permet de s’affranchir de ces contraintes tout en donnant à l’utilisateur un haut degré d’interactivité et d’immersion avec le site distant.

Objectifs scientifiques de la thèse

 Au terme d’un an les travaux suivants devront être réalisés:
– création d’une banque de modèles de comportement mécaniques adaptés aux différentes configurations du problème traité
– définition des algorithmes temps-réels d’identification des paramètres de ces modèles
– définition des algorithmes de prédiction pour chacun des modèles
– définition de l’architecture et des plans électroniques du capteur

 Au terme des trois années de thèse
– un prototype de capteur répondant au cahier des charges au moins dans ses parties fonctionnelles principales informatique et électronique devra être entièrement réalisé
– une campagne d’expérimentations de caractérisation et d’évaluation du capteur devra être effectuée en conditions réelles de téléopération haptique sur patient.

Compétences à l’issue de la thèse
– Expertise en robotique/ robotique médicale
– Expertise en téléopération
– Spécialiste de l’interaction homme-robot
– Spécialiste de l’identification temps-réel
– aptitude aux métiers de la recherche et développements en robotique

Mots clés (séparés par des virgules)
robotique, télémédecine, téléopération, haptique, modélisation, médiation de modèle.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Etudiant en sciences de l’ingénieur

Modalité de dépôt des candidatures
Prendre contact avec le co-directeur de thèse

Directeur de thèse
Nom: MEIZEL Prénom: Dominique
Professeur des universités (section 61 du CNU)
Adresse mail du directeur de thèse : dominique.meizel@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 0555423687

Co-directeur de thèse
Fabien Courreges
Maître de conférences section 61 du CNU
Adresse mail du co-directeur de thèse : fabien.courreges@unilim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 0671390462
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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