Robotique & Mécatronique

L'équipe

Responsable : BELHARET Karim
    NOMFONCTIONLABORATOIRE
    David DELOUCHEECPRISME
    Mouna SOUISSIECPRISME
    Karim BELHARETECPRISME
    Yi YuECPRISME
    Walid AMOKRANEDoctorantPRISME
    Azaddien ZARROUKDoctorantPRISME
    Manel ABBESDoctorantePRISME / NOCS (Tunisie)
    Tarik KROUBIDoctorantUMMTO (Algérie)
    Julien THUILIERDoctorantPRISME

    Thèmes

    Les activités menées dans le premier axe de ce thème visent à développer les aspects liés à la modélisation et à la commande de systèmes robotiques au sens large. Afin d’assurer une amélioration globale d’applications robotiques, ce développement est mené sur les aspects mécatronique, d’architecture et de commande. Deux échelles distinctes de systèmes robotiques sont considérées, l’échelle micro-robotique et l’échelle macro-robotiques ainsi que les interactions entre les deux mondes.  Les applications visées ont concerné la robotique médicale.

    Nous traitons donc la modélisation multi-physique et non-linéaire des interactions de micro-robots, actionnés par des champs magnétiques dans un environnement visqueux (vaisseaux sanguins, cochlée…). Cela nécessite le développement de modèles dynamiques numériques et analytiques. Ces modèles prennent en compte les caractéristiques du fluide, les caractéristiques des micro-robots et celle de la source d’actionnement.

    Le deuxième axe s’intéresse à la mise en place d’outils de diagnostic qui repose sur l’utilisation d’observateurs. Cela nécessite la connaissance du modèle mathématique du système à surveiller. La performance d’un tel outil de diagnostic dépend directement de la précision du modèle. Il est nécessaire de prendre en compte à l’aide de l’algèbre à intervalles, les différentes variations normales du système (ex : variation d’une résistance électrique en fonction de la température) afin de ne pas créer des fausses alarmes (qui ne résultent pas de défaut affectant notre système).

    La détection de défaut basée sur l’utilisation de modèles peut être divisée en deux étapes principales : la génération de résidus et la prise de décision. Les signaux d’entrée et de sortie du système sont utilisés pour générer un résidu qui met en évidence la présence d’un défaut. Ensuite, les résidus sont analyses pour décider s’il y a ou non présence de défaut, sur quelle composante du système il est intervenu (localisation) et pour déterminer la nature du défaut et sa cause (identification).

    Groupes d’expertise

    Modélisation, conception et commande des systèmes robotiques

    Scientifiques

    • Modélisation multi-physiques des systèmes robotiques
    • Développement d’actionneurs magnétiques pour la manipulation à distance d’objets micrométriques dans le corps humain
    • Commande des systèmes robotiques

    Techniques

    • Simulation du comportement dynamique des systèmes robotiques (micro-robot magnétique, bras manipulateur…) sous Matlab
    • Simulation numérique des phénomènes multi-physiques (fluide, magnétisme, mécanique…) avec le logiciel COMSOL Multiphysics
    • Conception CAO des systèmes mécatroniques avec le logiciel SolidWorks
      Simulation et dimensionnement de systèmes robotique avec le logiciel ADMAS

    Applicatives

    • Pour des applications médicales : développement de techniques de délivrance de médicament dans corps humain (projet CochleRob en collaboration avec le CHU de Dijon)

    Les projets de recherche

    • MICROROBModélisation et Commande d’un Micro-cathéter Robotique délivrant des Vecteurs Thérapeutiques pour la Stimulation Neuronale lors d’un AVC.

    Description : l’objectif de ce projet est de contribuer au développement de procédures innovantes pour le ciblage et le traitement de diverses maladies du cerveau (maladie de Parkinson, AVC, etc.).

    La maladie de Parkinson est causée par la perte progressive de neurones. Les zones du cerveau touchée par la maladie de Parkinson peuvent notamment être affectée par de nombreux petits accidents vasculaires cérébraux (AVC) qui se produisent au fil du temps, on parle alors de « Parkinson vasculaire ».

    Ces diverses pathologies sont une cause importante de mortalité dans le monde. Les traitements thérapeutiques sont classiquement basés soit sur des médicaments, ou soit par des procédures chirurgicales.

    Les traitements médicamenteux possèdent généralement des effets secondaires majeurs, et ont du mal à franchir la barrière hémato-encéphalique.

    Les techniques chirurgicales restent, quand cela est possible, la stratégie la plus efficace. Toutefois, l’utilisation manuelle des outils de chirurgie minimalement invasive (eg. Cathéter) restent limitée à des zones facilement accessibles du cerveau. Pour améliorer le traitement de ces maladies du cerveau, une première proposition concerne l’amélioration d’une part de la modélisation des interactions de ces outils dans le système cérébral ; et d’autre part de leur contrôle. Pour cela, des micro-cathéters pouvant être magnétiquement contrôlés ont été proposé, comme illustré sur la figure ci-contre.

    La seconde stratégie, consiste à tirer profit de ces micro-cathéters pour injecter une flottille de nanorobots pour un traitement neurologique encore plus précis et fiable.

     

    • COCHLEROB 1Développement d’un actionneur magnétique pour l’injection et le guidage de particules magnétique dans la cochlée.

    Description : Le but du projet consiste à contribuer au développement de procédures innovantes pour l’administration ciblée de médicaments dans l’oreille interne (voir Figure 3), devenue un challenge dans les traitements des surdités neurosensorielles. Dans le cadre de ce projet nous nous intéressons au développement d’une technique d’administration de médicaments intra-cochléaire en utilisant des nanoparticules magnétiques et un système d’injection et de guidage robotisé.

    Un aimant permanent ne permet que d’attirer des particules magnétiques vers lui non pas d’exercer une force de poussée sur ces dernières. Pour utiliser un seul aimant permanent pour l’injection des particules magnétiques à travers la RWM, il faut positionner l’aimant de l’autre côté de la tête. Et cela augmente considérablement la taille de l’aimant permanent capable d’injecter les nanoparticules magnétiques.

    L’actionneur magnétique à base d’aimants permanents que nous avons proposé est capable de générer à la fois une force d’attraction et une force de poussée. Cet actionneur est composé de deux aimants permanents fixés à l’aide d’une structure mécanique pour former une configuration particulière. Cette configuration permet de générer 5 points de Lagrange ou la force magnétique est nulle. Le point L2 nous intéresse particulièrement pour l’application envisagée. En effet les forces magnétiques de poussée et d’attraction converge vers ce point ce qui lui donne la particularité d’être stable. L’existence d’un point stable, permet d’exploiter cet actionneur pour le guidage de particules magnétiques en boucle ouverte et ne pas avoir recours à une modalité d’imagerie pour la localisation des particules magnétiques.

     

    • COCHLEROB 2Développement d’une plateforme robotique le guidage et le positionnement de l’actionneur magnétique autour de la tête d’un patient.

    Description : L’objectif du projet consiste à proposer une plateforme robotique pour l’injection et le guidage de particules magnétiques dans la cochlée. Cette plateforme est composée d’un actionneur magnétique, d’un manipulateur robotique et d’un système de localisation optique.

    Actionneur magnétique : Le rôle de l’actionneur magnétique sera de fournir une force motrice nécessaire au déplacement des particules magnétiques suivant une trajectoire rectiligne prédéfinie. Il est composé de deux aimants permanents dont on pourra contrôler, en temps réel, le degré d’inclination afin de moduler les forces d’attraction-répulsion à l’origine du déplacement des nanoparticules magnétiques.

    Manipulateur robotique : L’actionneur magnétique 1D est connecté à l’effecteur d’un robot manipulateur industriel afin de pouvoir réaliser des tâches robotiques de manipulation dans l’espace 3D. Le mouvement physique de l’organe terminal du robot est réalisé dans l’espace articulaire du robot. Le manipulateur robotique permettra de manipuler magnétiquement les particules dans l’espace de la cochlée du patient, suivant un trajet géométrique défini par des séquences de positions intermédiaires.

    Système de vision et de navigation assisté par ordinateur : Dans la plateforme que nous proposons, la position et l’orientation de l’actionneur magnétique seront contrôlés simultanément en prenant en compte des perturbations extérieures occasionnées par les mouvements de la tête du patient. Cet objectif est atteint à l’aide d’un système de navigation micro-optique assisté par ordinateur.

     

    Diagnostic basé modèle des systèmes incertains interconnectés en réseau

     

    Scientifiques

    • Diagnostic des systèmes incertains interconnectés en réseau

    Techniques

    • Simulation des systèmes avec un réseau de communication sous Matlab

    Applicatives

    • Industrie du futur dans le cadre de l’internet des objets (IoT)

    Les projets de recherche

    • SdF IO – Sûreté de Fonctionnement pour le contrôle/commande de systèmes : Internet des Objets.

    Description : L’objectif de ce projet SdF-IO vise à développer des outils d’expertise de systèmes intégrants des Objets Internet. Ce projet doit permettre de garantir la sûreté de fonctionnement d’un système, intégrant, l’optimisation et le diagnostic au fil de l’eau des échanges numériques (contrôle-commande, flux vidéo, flux audio, …).

    La tendance actuelle est l’utilisation d’un média unique de communication Ethernet : le “Full IP”.

    Les travaux développés dans le cadre du projet SdF-IO ont été mise en œuvre sur la mini usine présente sur le site d’HEI campus Centre. La mini usine permet de réaliser le thermo-moulage de pièces plastiques à partir de granulés de polyéthylène, leur conditionnement en boite, ainsi que leur emballage dans un carton. Cette ligne de production est entièrement automatisée et supervisée.

    Le recyclage de matière première est géré par un broyeur qui détruit les pièces non conformes sous forme de granulés (granulés qui seront réutilisables). Cette ligne de production est composée de cinq modules : EcolInject, EcolBox, EcolRegul, Ilot Robot, Superviseur. La figure suivante présente une vue 3D de cette mini usine.

    La première tâche effectuée a porté sur la mise en place d’une base de données permettant de rendre disponible les différentes données de la mini usine d’HEI échangées sur le réseau Ethernet.

    L’analyse de cette mini usine a permet de mettre en évidence que ses performances sont liées à celle des deux colliers de chauffe qui permettent de faire fondre la matière nécessaire aux moulages de jetons.

    Pour pouvoir connaitre le modèle mathématique représentant le fonctionnement de ces colliers de chauffe, une identification a dû être réalisée.

    Ce modèle est nécessaire à la mise d’un outil de diagnostic basé sur l’utilisation d’un observateur à mémoire finie (FMO) afin de détecter les dysfonctionnements pouvant être engendrés par le réseau de communication à savoir : perte de paquets, retard, duplication, congestion… mais également de connaitre l’évolution de la température des colliers de chauffe à tout moment afin de détecter le plus tôt possible une dérive pouvant affecter la qualité de fabrication des jetons.

    La figure suivante montre les effets d’une ou plusieurs perte(s) pouvant ainsi créer une instabilité notamment sur la régulation de la température des colliers de chauffe qui engendre une mauvaise production.

    Les résultats ainsi obtenus, montrent qu’il est important de détecter les éventuels dysfonctionnements sur le réseau de communication. En effet, ces dysfonctionnements ont un impact sur le bon fonctionnement du système étudié pouvant aller jusqu’à créer une instabilité du système en provoquant ainsi une dégradation importante de la mission d’un système.

     

    • IoT – CIA – dataConfidentialité, intégrité et disponibilité des données dans le cadre de l’Internet des objets.

    Description : L’arrivée des objets communicants dans le monde industriel a provoqué la quatrième révolution industrielle, appelée Industrie du futur ou Industrie 4.0. L’efficience et la fiabilité des systèmes de production est au cœur des préoccupations actuelles. Dans ce contexte, il est incontournable de mettre en place une politique de maintenance prédictive et proactive.

    Le projet IoT – CIA – data vise en particulier à garantir l’intégrité et la fiabilité des informations numériques au cours de leur cycle de vie dans le cadre d’un environnement SCADA (Système de Contrôle et d’Acquisition de Données). Dans ces conditions, nous nous proposons tout d’abord de classifier les types de défauts (c’est à dire perte de paquets, délai de transmission aléatoire, pannes…) et, lorsque possible, de proposer des solutions pour les résoudre ou de réduire leur fréquence d’occurrence.

    Deuxièmement, nous concevrons un outil de diagnostic et d’expertise capable de détecter ces défauts et/ou de prédire leur apparition. Finalement, il s’agira de coupler cet outil sur un système expert temps réel permettant de surmonter et/ou prévenir les défauts détectés et d’obtenir un suivi du vieillissement d’un composant ou groupe de composants constituant le système à surveiller.

    Les développements actuellement menés dans les Laboratoires LIFO et PRISME devront permettre de pouvoir disposer d’une maîtrise complète du système (contrôle-commande, surveillance, diagnostic et pronostic).

    La figure suivante présente le démonstrateur (système haptique fonctionnant en maître esclave relié par un réseau de communication) qui sera développé durant ce projet. Sur la base de ce système haptique, nous pourrons construire une plateforme de tests et d’essais pour la mise en œuvre des outils de supervision de l’intégrité et de la fiabilité du réseau et ainsi du système. Ce type de systèmes qui permettent de télé opérer est un des outils clés de l’industrie du futur.