CA2272040A1 - Systeme de camera d'observation robotisee pour utilisation en salle d'operation - Google Patents

Abstract

Le système de téléprésence/caméra d'observation robotisé développé au Campus Notre-Dame du Centre Hospitalier de l'Université de Montréal, a pour but de permettre l' observation à distance des activités d'une salle d'opération et plus spécifiquement d' accéder à diverses vues du site opératoire. Le système est composé principalement d'un manipulateur permettant de déplacer horizontalement une caméra au-dessus du site opératoire. Le bras robotique est couplé à un système de contrôle qui agit sur une caméra à sa partie distale. Le système de contrôle de la caméra permet d'en changer l'azimut, l'inclinaison horizontale, la longueur focale ainsi que la grosseur de champ d'observation. Le système complet possède 5 degrés de liberté pour permettre la plus grande flexibilité tout en demeurant simple d'utilisation. Chaque degré de liberté est contrôlable indépendamment. Pour simplifier l'utilisation à distance du système, une interface robotique spéciale a été développée pour déplacer le bras robotique: et positionner la caméra à l'endroit désiré. L'interface est spécialisée en ce qu'il est possible de fixer constamment une cible dans l'espace tridimensionnel de la salle d'opération alors qu'on déplace la caméra pour changer de point de vue. Les calculs des paramètres donnant la cible et le point de vue désiré se font automatiquement et presqu'en temps réel à partir de l'interface graphique. Les paramètres sont calculés à partir des équations cinématiques directes et inverses du système robotique.

Description

SYSTEME DE CAMERA D'OBSERVATION ROBOTISEE POUR UTILISATION EN
SALLE D'OPERATION
INTRODUCTION
Avec l'âvenue du réseau Internet offrant des services à des prix toujours plus abordables, la demandé et le développement. des technologies de télécommunication sont en croissance exponentiélle. Les développements technologiqûes en télécommunication ont favorisé la formation plusieurs comités et réseaux locaux et mondiaux de télémédecine, notamment le comité canadien de télémédecine au Canada et le comité mondial de télécommunicâtions.
La télémédecine est donc une technologie d' actualité.
Le Canada est membre du G7 et joue un rôle actif dans le développement des technologies de télécommunication au niveau du réseau rrnondial de cômmunication, et ceci également dans le domainé de la télémédecine.
Ä féchelle.canadienne, la conjoncture économique actuel fait en sorte que les réseaux de .
santé provinciaux se penchent vers les technologies qui permettent de réduire les coûts reliés à la dispensation des soins. . La télémédecine est une de ces technologies qui offre des .
options intéressantes pour réduire les coûts en permettant d'échanger des informations, de faire du téléenseignement, de la téléconsultation et même de la recherche: Ä
cet effet on péut citer les projets pilotes de téléconsultation et formation médicale permanente (FMP) à
distance dans les réseaux de santé du Québec, de l'Ontario, du Nouveau Brunswick, de la Nouvelle Écosse, de l'Alberta et ailleurs dans l'Ouest canadien. De plus, il existe des efforts importants dans certains centres hospitaliers.canadiens pour faciliter l'accès aux soins. On sité par exemple l'Hôpital pour enfants de Toronto qui offre des services de consûltation à
distance aux enfants par le biais de sa "clinique video".basée sur un Réseau Numérique à
Intégration de Services (RNIS: normé pour la transmission de données numériques).
Ail Québec présentement il existe un projet qui vise à implanter un réseau inter-régional de télémédecine entre trois hôpitaux régionaux (Centre hospitalier de Rouyn-Noranda, Centre

2 hospitalier régional de Lanaudière à Joliette, Centre hospitalier Sainte-Marie de Trois-Rivières) lesquels sont reliés par RNIS au Campus Hôtel-Dieu du CHUM à
Montréal.
Le projet pilote a débuté en septembre 1996 et a été utilisé pour des séances de FMP et des réunions multidisciplinaires du personnel. Une deuxième phase du projet, qui englobe aussi des applications de téléconsultation, a débuté en mars 1997.
Le Centre Hospitalier de l'Université de Montréal (CHUM) à aussi des besoins en télémédecine tant sur le plan local que sur le plan éloigné. Notamment avec ses trois campus éloignés les uns des autres, l'accessibilité visuelle d'une salle d'opération située sur un autre campus est impossible sans déplacement et la consultation à distance est impossible.
Face à cette situation, un système permettant d'observer à distance les activités de la salle d'opération et plus spécifiquement du site opératoire serait une solution intéressante..
Comment y parvenir?
Une revue de littérature à permis d'identifier qu'au laboratoire Lawrence Berkley de l'Université de Californie un système appelé Spectro-Microscopy Collaboratory permet d'observer et d'entreprendre des expériences dans un laboratoire situé à
distance. Le système de visualisation permet de sélectionner différentes caméras dans la salle d'expérience et permet également de changer leur orientation selon les besoins (Sachs et al., 1995). Ce système est aussi utilisé présentement par l'L;fniversité Wisconsin-Milwaukee pour réaliser des expériences qui se déroulent dans le laboratoire Lawrence Berkley situé en Californie.
D' autre part, un autre système a été développé à l'Université de Tokyo en collaboration avec des chercheurs de l'Hôpital National de Fukuyama (Mitsuishi et al., 1995). D
s'agit d'un système robotique très complexe permettant l'observation et le contrôle à
distance d'un robot chirurgical. Le système est composé d'un manipulateur du type esclave et d'un .
microscope opératoire également esclave qui se déplace en accord avec la pointe de l'outil

3 utilisé par le manipulateur. Le système a été utilisé avec succès et a permis de réaliser l'anastbmose d'un vaisseau sanguin inférieur à I mm de diamètre chez le rat (Mitsuishi et al., 1997).
Ces technologies du domaine de la télérobotique et de la téléprésence sont évoluées mais ne conviennent pas directement aux besoins d'une salle d'opération. En effet ces solutions robotiques sont trop complexes et coûteuses pour être applicables et rentables en salle d' opération.
Notre but a donc été de développer un système relativement simple et peu coûteux permettant d'observer à distance les activités de la salle et en particulier de voir le site opératoire. Le premier chapitre présente les facultés du problème alors que dans le deuxième chapitre, on discute du processus de design du système proposé. Les chapitres 3, 4 et 5 traitent respectivement de la conception mécanique, électrique ainsi que l'asservissement du système. Le sixième chapitre touche à la partie robotique et contrôle du système tandis que le septième chapitre discute des caractéristiques du système complété.

4 CHAPI'CRE 1:
SITUATION D1J PROBL~ME
1.1 Problématique en salle d'opération Le CHLJM est constitué des campus St-Luc, Hôtel-Dieu et Notre-Dame. Sur ces 3 campus il y a plusieurs salles d'opération, chacune équipée pour répondre à un besoin spécialisé.
Dans une salle d'opération, la grande majorité des activités sont axées sur le patient. Le patient est situé sur la table d'opération, normalement centrée dans la salle.
Ä ceci s'ajoute une panoplie d'équipement biomédicaux qui doivent tous pouvoir interagir à un moment donné avec le patient pendant la procédure. Les équipement typiques retrouvés dans la salle qui entourent le patient sont les suivants - appareils de monitoring;
- table à anesthésie incluant un ventilateur;
- des lampes chirurgicales, table opératoire;
unités d'électro-chirurgie;
- chariots endoscopique, microscope opératoire, système de circulation extra-corporelle etc...
En plus des équipements, le patient est également entouré d'une équipe chirurgicale nombreuse. L'équipe chirurgicale de la salle comprend normalement - un chirurgien, un assistant chirurgien et une infirmière de la spécialité
qui entreprennent directement la procédure;
- un anesthésiste et un inhalothérapeute qui s'occupent de l'anesthésie et de la ventilation du patient;

- 2-4 infirmières supplémentaires de support logistique pour s'assurer du bon déroulement de la procédure.
L'équipe d'un centre hospitalier universitaire est plus nombreuse en raison du volet formation. En plus de l'équipe chirurgicale citée ci-dessus, on peut retrouver dans une salle:
- un ou deux résidents en chirurgie.
- un ou deux étudiants de l'externat en chirurgie.
- un résident en anesthésie.
Alors que quelques étudiants de médecine prennent part directement dans la procédure, d'autres en observent le déroulement: Pour réduire l'encombrement de la salle tout en permettant l'observation des activités qui s'y déroulent, certaines,salles sont équipées d'une salle d'observation. Cette salle d'observation, attenante à la salle d'opération par l'intermédiaire d'une baie vitrée, ne permet par contre pas l'observation directe du site opératoire.
Ä titre d'illustration; la figure 1.1 schématise la salle d'opération "N" du campus Notre-Dame. On remarque que l'espace est réduit et est rendue diffcile pour l'observation du site opératoire si l'on ne veut pas interférer avec l'équipement illustré et l'équipe médicale (liste à la droite de la figure 1.1 ).

Tablc à anesthésie Monitoring I ÉQUIPE:
ventilateur \ /v i 1 inhalothtapeutc 1 anesthsiste 1 rsident )~',lectrochirugie ansthesie Ngatoscope1 1 chirurgien ~ 1-2 csident(s) I I '~Li"~'~l chin~rgien \ 1-2 todiant(s) externat 1 infirmitrc 1-2 infirmières) de Caméra 2 Zone stérile.
Chariot endo/laparo Caméra 1-0 Salle d'observation (Zone non-stérile) ran ct contralc méral ou Caméra2 Figure 1.1: Illustration schématique de la Salle "N" du campus Notre-Dame 1.2 Contraintes associées à l'utilisation d'une caméra en salle d'opération Pour faciliter aux observateurs la vue du site opératoire, deux caméras ont été installées à
l'intérieur de la salle et reliées à un écran situé dans la salle d'observation. L'une est située au coin sud-est de la salle et l'autre est attachée à une des lampes opératoires et se déplace avec elle (caméra 1 et 2 figure 1.1). Le type de caméra utilisé dans la salle est présenté à
la section 1.3.3.

i Les images obtenues avec ces caméras sont bonnes. La flexibilité des caméras (azimut, inclinaison, agrandissement "zoom"), leur facilité d'utilisation, leur poids léger, et leur haute résolution permettent une observation adéquate de ce qui se passe au niveau du site opératoire.
Le système actuel comporte par contre des désavantages. Au début de l'opération, les lampes opératoires sont orientées de telle sorte qu'elles éclairent directement le site opératoire pour minimiser l'ombre. Mais par la suite, les lampes bougent très peu pendant la procédure et la caméra qui y est fixée devient stationnaire comme celle dans le coin de la salle. Selon la position initiale de la caméra et la position des membres de l'équipe, il est parfois impossible d'obtenir une vue directe (non obstruée) du site opératoire même si c'est l'image de la caméra 1 qui est présentée sur l'écran.
1.3 Matériel utilisé
1.3.1 Logiciel Le logiciel utilisé pour faire la commande, l'acquisition ainsi que la commande du système est le Logiciel Labview. Labview utilise un langage de programmation graphique, le " G "
pour créer des programmes sous forme de diagramme bloc ("block diagram form").
Ce langage est particulier parce qu'if permet de construire des " instruments virtuel ", c'est-à-dire des instruments de laboratoire sur ordinateur appelé VI ("VI :virtual instrument"). La structure des instruments virtuels peut être divisée en~ deux grandes parties : une fenêtre interactive appelée le panneau avant ("front panel") qui simule le panneau avant de l'instrument, et une fenêtre de code source (diagramme bloc en code " G ") "
associé " à la fenêtre interactive. Chaque VI peut avoir ses propres " VI " comme sous routine. Le langage est alors hiérarchique et modulaire. La hiérarchie et les modules seront expliqués plus loin dans le rapport.

1.3.2 Équipements La carte d'acquisition utilisée est la carte DA(~card-1200 de National Instrument. La carte comporte 8 entrées et 2 sortie analogiques avec une résolution de 12 bits, 24 entrées/sorties numériques et 3 compteurs de 16 bits. Le logiciel et la carte d'acquisition sont montés sur un ordinateur portable IBM Pentium 133 MI~Iz.
1.3.3 Système de caméra Le système de caméra utilisé est le modèle WV-CS404 de Panasonic. La caméra et l'unité
panoramique sont illustrés à la figure 1.2.
Figure 1.2 : Caméra et unité panoramique Le système est composé d'une boîte de contrnle et de deux caméras couleur CCD
(1/3") Les caméras CCD ont une résolution de 480 lignes, un rapport signal bruit de 48 dB et sont chacune montées sur une urüté panoramique avec lentille motorisée 10:1 (5-50 mm) intégrée. Les mouvements permis par l'unité panoramique sont une rotation azimut infinie ("endless pan") et une inclinaison de 0 à 90 degrés ("tilt") qui passe d'une position horizontal à une position verticale. La caméra et l'unité panoramique sont illustrés à la figure 1.2.

1~

CONCEPTION DU SYST~ME
2.1 Processus de design Le design du système a été fait en considérant les besoins suivants :
observation des activités de la salle, observation directe du site opératoire et extension de ces capacités à un poste de contrôle situé sur un autre campus du CHCJM ou un autre centre hospitalier.
Les technologies pour transmettre des images ont fait un Band pas avec l'avènement des technologies multimédia à base PC et se résument à l'utilisation d'un protocole de transmission pour transmettre à distance les images vidéo captées localement par le système, et à l'utilisation d'un protocole qui permet le contrôle à distance d'un système robotique.
La solution est d'autant plus simplifiée par l'utilisation d'un système basé
sur PC.
Le système de caméras utilisé dans la salle "N" donne de bonnes indications sur la direction à prendre pour réaliser les deux autres composantes du problème. La performance du système de caméras actuel est impeccable pour l'observation des activités de la salle. La caméra 1 permet l'observation complète des activités de la salle "N" et on peut même dire qu'elle sert de baie vitrée sur la salle d'opération (comme la salle d'observation) pour un observateur à distance. De plus, on peut ajuster son azimut, son inclinaison et sa largeur du champ de vue.
La caméra 2 située sur la lampe opératoire donne le point de vue d'une personne virtuelle située à l'intérieur de la salle. Cette caméra permet alors l'observation des activités de la salle et donne une excellente vue des divers équipements de la salle. Sous certaines conditions, la caméra donne en direct d'excellentes vues du site opératoire dépendant de son emplacement initial ainsi que de la position des membres de l'équipe chirurgicale. En bref le problème du système total actuel consiste à ne pouvoir observer le site opératoire tout au cours des procédures chirurgicales. On doit alors résoudre le problème du positionnement et de l'orientation de cette caméra dans l'espace.
2.1.1 Design du mécanisme pour faire déplacer le bras Une étude de marché a permis de constater que la caméra Panasonic du système actuel était l'une des plus compacte, légère et flexible. Ses mécanismeç ir~te_rn__ès pe_r_m__ettent farilP_m_-Pnt de l'orienter et de changer la grandeur du champ de vue. Il est alors avantageux d'utiliser cette caméra dans le nouveau système ce qui permet d'économiser temps et argent pour le prototype à développer.
Une fois le choix de la caméra fixé, le problème se résume à trouver le système ou mécanisme permettant de déplacer cette caméra de façon à obtenir la meilleure vision possible du site opératoire sans interférer avec les activités de l'équipe chirurgicale.
2.1.2 Contraintes physiques Le mécanisme pour déplacer la caméra devra pouvoir s' adapter à plusieurs types de salle d'opération, y compris celles de faibles dimensions. Le mécanisme ne devrait pas entrer en collision ou contact avec l'équipement médical et les lampes opératoires et ne devrait interférer avec les membres de l'équipe chirurgicale que minimalement. Les contraintes physiques sont donc:
- les dimensions de la salle - les dimensions des lampes opératoires, de la table - et la position changeante de l'équipe chirurgicale 2.1.3 Contraintes au champ de vue de la ciüle Lorsqu'on se place au dessus du site à partir du plafond de la salle on peut visualiser deux " couches " d'obstacles à la vue. La première représente le système de lampes opératoires et la deuxième plus mobile représente l'équipe chirurgicale qui entoure le site opératoire.
Étant donnée la grande flexibilité des lampes opératoires (5 à 6 degrés de liberté), il est possible pour les lampes d'atteindre la couche. inférieure du modèle.
Certaines parties des couches se superposent. Le principe est illustré à la figure Z.1 A.
Chacune des couches comporte ses propres ouvertures sur la cible. Pour atteindre la cible ou visualiser la cible directement à partir d'une caméra au plafond il faut alors passer à
travers les deux couches d'obstacles. Le champ de vision possible ou le chemin qui permet d'atteindre la cible est une droite qui passe par les ouvertures de chaque couche d'obstacles.
Un point de vue acceptable peut alors être représenté par une forme conique partant de la cible jusqu'à la caméra en passant par les ouvertures de chaque couche. La figure 2.1 B
présente une vue d' oiseau du système avec les cônes.
Comment positionner la caméra pour pouvoir observer le site opératoire à
partir d'un champ de vue (cône), ou comment faire pour maximiser le nombre de solutions passibles ou champ de vue possible sur la cible avec un mécanisme relativement simple?
2.1.4 Synthèse L'analyse du problème se sépare en deux parties : quel mécanisme faut-il utiliser pour déplacer la caméra? Où placer ce mécanisme pour qu'il soit le plus e~cace possible à
l'atteinte de la cible?

2.1.5 Mécanismes possibles Le mécanisme doit être assez flexible pour obtenir le point de we désiré sans devenir trop lourd à opérer ou à construire. Ce mécanisme doit être compact pour éviter l'interférence avec l'équipe médicale ou tout obstacle de la salle.
La caméra utilisée actuellement pour le système est très flexible. Elle possède deux degés de liberté en rotation (azimut et inclinaison) ainsi qu'un degré de liberté
qu'on peut appeler virtuel qui est la longueur focale (combinée à l'agandissement du système). Ce dernier degé de liberté est intéressant en ce qu'il permet un déplacement vertical virtuel et permet d'éliminer un degé de liberté du système mécanique. On peut choisir parmi des systèmes de déplacement à un ou deux degés de liberté qui permettent le déplacement de la caméra sur un plan horizontal.
Le système le plus simple est un système de rails placé au plafond de la salle (voir figure 2.2 A). Ce système à un degé de liberté, est peu flexible et permet. seulement le déplacement de la caméra sur une trajectoire délimitée par le système de rails. Ce mécanisme peut être amélioré par l'ajout d'une deuxième série de r<~ils perpendiculaire à la première série (figure 2.2 B). Ce système; nommé table X-Y, possède deux degés de liberté mais est encombrant et serait très difficilement adaptable à la salle et aux obstacles de la salle d'opération.
Des systèmes plus performants mais également plus complexes sont les systèmes robotiques.
Plusieurs configurations à deux degés de liberté existent pour le déplacement dans un plan, deux configurations semblent plus pertinentes au problème : système robotique planaire R-R
et système robotique planaire R-P.
Le mécanisme planaire R-R (rotation-rotatian) est un mécanisme simple à deux tiges. Ce mécanisme flexible mais non le plus compact est plus difficile à manipuler entre les obstacles I$
de la salle car il nécessite plus d'attention pour le contrôle. De plus il existe une redondance dans ce système, c'est-à-dire qu'il existé plusieurs configurations des membrures possibles pour obtenir la même cible. La figure démontre les deux configurations (deux combinaisons d'angles des membrures) possibles du manipulatéur R-R pour l'atteinte de la même cible (voir figure 2.2 C).
A B
C .D
Figure 2.2 : A. Rail simple, B. Table X-Y, C. Mécanisme R-R, D. Mécanisme P-R.

Le mécanisme planaire P-R (prismatique rotatif) est un mécanisme simple à une tige sans redondance. Le mécanisme est dit polaire parce que la position de son outil peut être déterminée directement à partir de son orientation et de son rayon. Le contrôle du système est alors plus simple. Le mécanisme prismatique peut être conçu pour être très compact.
Le mécanisme est illustré à la figure 2.2 D.
2.1.5 Position du mécanisme dans la salle La flexibilité du système global repose non seulement sur le mécanisme choisi mais également sur sa position à l'intérieur de la salle d'opération. Le système optimal est la combinaison du mécanisme choisi et de la posïtion stratégique qui offre le plus de points de vue sur la cible. Par la définition des contraintes physiques et à la vue de la cible, on remarque qu'il est avantageux de choisir un mécanisme et une position qui évitent le plus possible les lampes opératoires.
Les lampes opératoires sont des systèmes généralement composés d'un bras mécanique articulé sur lequel vient s'attacher une lampe. Les systèmes ont plusieurs degrés de libertés (4 à 6) et permettent alors une grande flexibilité de mouvement pour positionner la lampe au dessus du site opératoire. Plusieurs bras indépendants peuvent exister sur un même système, chacun supportant sa propre lampe.
Le point le plus intéressant de ces systèmes est que les bras occupent tous le même axe central. Cette configuration réduit considérablement l'encombrement de la salle et par un dimensionnement particulier des membrures des lampes indépendantes, minimise la possibilité de collisions entre elles. L'axe central du système semble être intéressant pour le montage.

2.1.6 Solution choisie : mécanisme rotatif prismatique planaire La configuration choisie est le système robotique rotatif prismatique planaire à deux degrés de liberté monté sous les lampes opératoires comme le démontre la figure 2.3.
Le mécanisme est monté sur l'axe central des lampes et permet le déplacement de la caméra sur un plan horizontal selon un angle et un rayon variable. Ce mécanisme est avantageux car il peut se refermer sur lui même (comme un pointeur prismatique) pour devenir compact et éviter les obstacles, tout en ayant la capacité d'augmenter sa distance de l'axe de rotation d'un facteur de 2 ou plus.
La position sur Taxe central sous les lampes opératoires est stratégique car elle permet d'éviter la couche d'obstacle à la vue (couche 1 ) que représentent les lampes et leur bras pour maximiser le champ de vision au-dessus du site opératoire. Comme on peut le voir à la figure 2.4, les nouveaux cônes de vision obtenus par le positionnement stratégique du mécanisme sont plus grands pour faciliter l'emplacement de la caméra.
La position sur l'axe central devient doublement stratégique parce qu'elle permet d'éviter les obstacles physiques qui peuvent exister au plafond. De plus par un dimensionnement optimum du système, cet emplacement permet le déplacement du système caméra bras robotique avec le minimum d'encombrement ou interférence avec les lampes.
D'autres part, ces considérations ne limitent en aucun cas l'emplacement du système ailleurs dans la salle d'opération (au plafond par exemple).

Bras robotique Central iE- , Longueur maximum i , i , Longueur minimum ' Caméra ';
Longueur première membrure lampe ~;
;, Bras position étendue Bras position ''- rétrécie Figure 2.3 : Configuration choisie.

Na C~
Partie de la lampe encore dans le champ eau Figure 2.4 : Nouveaux cônes de vision avec grandeur de champ augmentée.

3.1 Conception La conception mécanique du système a porté sur la partie rotative et sur la partie prismatique du système. Les deux parties sont distinctes car elles ont été conçues pour fonctionner indépendamment l'une de l'autre. En effet, la modification/re-conception/reconstruction d'un des mécanismes n'engendre pas nécessairement la même action pour l'autre composante du système. Le schéma du bras robotique et des mécanismes de la caméra sont illustrés à la figure 3.1.
Axe central caméra (azimut) Axe central bras robotique L. variable -bras mbotiquc Axe inclinaison cambra L. focale Figure 3.1: Bras robotique permettant de déplacer la caméra CA~02272040 1999-OS-13 Essentiellement il s'agit d'un bras robotique sur lequel vient s'attacher une caméra à son extrémité. Les degrés de liberté sont illustrés par des axes et des flèches sur la figure 3.1 et permettent de positionner la caméra au-dessus du site opératoire.
Les travaux d'usinage et d'assemblage des pièces et composantes mécaniques du prototype ont été faits entièrement à l'atelier mécanique du service de radio-oncologie du campus Notre-Dame. La matière première du protatype est l'aluminium standard T-6061.
Ce matériel a été choisi pour sa légèreté, sa solidité et pour sa facilité
d'usinage.
Le mécanisme est excentrique pour faciliter la conception et permettre au système d' être plus compact en hauteur et en longueur à sa position rétrécie. Le système a été
dimensionné en fonction des contraintes physiques telles que les dimensions de la salle, du système de lampes opératoires ainsi que de la caméra utilisée.
Les dimensions du bras sont illustrées à la figure 3.2. La longueur minimale du bras avec la caméra (65.1 cm (25.65")) permet le déplacement du système à l'intérieur de la membrure la plus courte du système de lampe. La largeur et la hauteur du système à sa partie rotative centrale sont respectivement d'environ 26.8 cm (10.5 ") par 14 cm (5.5 ") (partie rotative), et diminue à 10.1 cm (4.0") par 11.4 ( 4.5") à sa partie prismatique. Le bras est conçu pour maximiser l'espace disponible et minimiser l'interférence pour l'équipe chirurgicale en positionnant les mécanismes le plus près possible des lampes opératoires.
Le rayon maximal atteint par le bras est de 110 cm (43.2") et est limité
seulement par les limites du mécanisme prismatique disponible. La figure 3.3 illustre les positions planaires qu'il est possible d'atteindre avec le bras.

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~C1~~,~ C~;~: ~r~,, 0.1 ~~~ 1~,0 ~f _~__-___-_ .
_ __ __.___ 1!uê de d~ svus Figure 3.2 : Dimensions du bras et de la caméra.

R Max = 110.0 cm Zone accessible par caméra / ~ ~-- R Min. = 76.6 cm Figure 3.3: Espace de travail du bras.
3.2 Partie prismatique du système La maximisation du champ de vue ainsi que la flexibilité du mécanisme rotatif prismatique repose sur l'élongation maximale de Ia membrure prismatique. Le mécanisme idéal est celui qui est compact à sa position rétrécie, tout en permettant la plus grande élongation possible de sa membrure. Un compromis compacité-longueur maximale du mécanisme doit être fait pour obtenir une stabilité et une rigidité en configuration "porte à faux".
Pour faciliter la conception et la fabrication, un système simple de rails se doublant en longueur a été
accouplé à deux poutres en " U " (figure 3.4).

Poutre KU" no 2 Figure 3.4: Poutres en "U" reliées par un mécanisme de rails coulissants permettant le glissement d'une sur l'autre.
Les rails choisis peuvent supporter la charge de la caméra ainsi que celle de la poutre en U
avec un facteur de sécurité d'environ 4. Les rails sont conçus pour supporter des charges verticales importantes, mais tolèrent difficilement les forces horizontales ainsi que les forces de torsion axiales appliquées sur elles. Les poutres en U servent de squelette rigide au système de rails choisi. Un agencement face à face des poutres, donne un espace où placer les mécanismes de déplacement, moteurs et fils divers du système et de la caméra.
Des poutres aux dimensions désirées n'étaient pas disponible commercialement, on en a fabriqué à partir de plaques d'aluminium 8.9 cm par 6 mm (3.5" par'/4") et 10.2 cm par 3 mm (4" par 1/8"), qui ont été assemblées par des boulons de machinage.

, CA 02272040 1999-OS-13 3.3 Mécanisme de translation prismatique Le mécanisme de translation prismatique est illustré à la figure 3.5.
L'extension du bras se fait à l'aide d'une vis-sans-fin placée dans l'espace séparant les deux poutres. Un écrou est fixé à la poutre inférieure et est déplacé par la vis-sans-fin fixée sur la poutre supérieure par des roulements à billes. Les dimensions du système de poutres permet de placer le moteur et le mécanisme de la vis-sans-fin sur deux axes parallèles. Le moteur et la vis, accouplés par une chaîne et des engrenages, sont cachés entre les deux poutres et permettent alors au système d'être plus compact en longueur. Les poutres se glissent lune près de l'autre tout en évitant le moteur et les mécanismes internes.
La flexibilité d'un accouplement chaîne-engrenage permet facilement par une modification du rapport d'engrenage; de modifier la vitesse d'extension du système et ainsi d'accommoder une multitude de types de moteurs. La vitesse estimée d'élongation du mécanisme est d'environ 3.8 cm/s (1.5 "/s).
3.4 Partie rotative du bras Le mécanisme de rotation du bras autour de son axe est critique puisqu'il supporte la partie prismatique et la charge de tout le système. En effet, la rigidité de la partie prismatique et du système total repose sur la stabilité et la solidité de la partie rotative.
Le système rotatif supporte non seulement une charge verticale (gravité) mais un couple très important lors de l'extension maximale du bras robotique. Un couple de roulement conique est alors nécessaire pour supporter les charges axiales et radiales du système. La figure 3.6 illustre le mécanisme avec les roulements.

Moteur Vis sans fin ,____., r _.f _ ;._ ~ i ' - ~ ~ ~ o ~A
' ,__________________________ ~~ , A

.____~
Coupe B-B
'~ ~ .._ Rails Chane et engrenage Camra Vue de devant Rails coulissants Coupe A-A: Position rétrécie C, Écrou fixé sur Interrupteurs / poutre inférieure Coupe A-A: Position allongée Figure 3.5 : Mécanisme de translation prismatique. A. Vue de côté et de devant du mécanisme démontrant l'agencement de la vis-sans-fin, du moteur, des poutres et de la caméra.
B. Vue de dessus position rétrëcie du mécanisme. C. Vue de dessus position allongée du mécanisme.

Roulements coniques ~'~e de rotation (voir détail A) Moteur fixé 1~ Plaque de support sur plaque ._.___.______ ,-____ ~, , ~, , ______.______,_+, , ____________ ,~ , _____________~_ , ____~
Plaque de Mécanisme de support Caméra désengagement ________________ _________._______,__.--, ,~ , , Engrenage mobile Arbre fixe Détail A
Figure 3.6 : Mécanisme de rotation du bras autour de son axe. A. Vue de côté
et de devant du bras et du mécanisme de rotation. B. Vue de dessus du mécanisme avec engrenages. C. Détail des roulements coniques et de l' arbre fixe.

3.5 Mécanisme de rotation Le mécanisme de rotation peut être résumé comme suit : un engrenage est fixé
solidement à l'axe central de la lampe et est alors ancré à la salle d'opération. Le moteur ainsi que la partie rotative sur laquelle il est attaché, pivotent autour de l'engrenage fixe (voir figure 3.6).
Le système rotatif - prismatique peut alors être démonté entièrement de la base sur lequel il est attaché (lampe ou autre attache) sans séparation de ses composantes mécaniques internes. Un accouplement chaîne-engrenage, comme pour la partie prismatique, permet un ajustement du rapport d'engrenage et ainsi de la vitesse du système pour un moteur donné.
La vitesse de rotation du système est d'enviran 10°/s.
3.6 Sécurité partie rotative / mécanisme passif du bras.
Par mesure de sécurité, un système de glissement ("slip clutch") a été
incorporé à
l'accouplement engrenage - moteur du système rotatif. Un obstacle ou tout autre force qui vient s'opposer au déplacement du système engendre un glissement de l'accouplement sans causer de dommage au système ou à son environnement. Le mécanisme de glissement rend également le mécanisme rotatif passif dans les cas ou un membre de l' équipe opératoire veut déplacer manuellement la caméra.
3.7 Dynamique du système L' étude dynamique est nécessaire pour le dimensionnement des moteurs du système ainsi que pour le calcul des rapports d'engrenage des systèmes. L'étude dynamique comprend le calcul des paramètres suivants - Statiques: Masses et moments d'inertie des composantes - Dynamique: Estimation des couples, vitesses et rapports d'engrenages des mécanismes La masse et le moment d'inertie du système ont été estimés avant l'assemblage du prototype et tiennent compte de la masse de toutes les composantes. Le moment d'inertie du système a été calculé selon l'axe de rotation du mécanïsme rotatif et pour une élongation maximale de la partie prismatique avec la caméra. La masse de la caméra est connue (2 Kg) , mais a été augmentée à 4.54 Kg à des fin de sécurité et pour accommoder différents types de caméras. Les paramëtres statiques estimés des composantes majeures sont donnés au tableau 3.1, le total de chaque rangée tient compte de toutes les composantes du système.
Tableau 3.1 : Masses et moments d'inertie du système PrismatiqueRotative Camra Total systme Masse (Kg) 6.55 10.00 4.54 20.74 Moment d'inertie 1.97 0.07 7.09 9.13 (Kg~m2) Tableau 3.2 : Paramètres dynamiques Prismatique Rotative Couple estim (N ~ 97.04 29.44 cm) Vitesse estime 3.81 cm/s 10/s Rapport d'engrenage 1:1.34 (pas de vis 1:4.8 estim = 3.81 cm) Vitesse sortie moteur90 RPM 8 RPM

II est très difficile d'estimer les forces précises engendrées par les charges, les forces de fi-iction et modifications possibles au cours de la construction du prototype non assemblé.
Les forces sont alors estimées en utilisant un facteur de sécurité de 2'. Le calcul des rapports d'engrenage de la parle cinématique peut seulement être confirmé après le choix des moteurs et de leur boîte d'engrenage ("gear motor"). Les paramètres des mécanismes sont résumés dans le tableau 3.2. Les dessins d'usinage du bras robotique sont présentés à
l' annexe A. Les calculs détaillés de conception mécanique sont disponibles dans le Rapport de Stage Interne situé au Campus Notre-Dame du CHUM.
3.8 Résultats des mécanismes usinés La figure 3.7 illustre le mécanisme rotatif prismatique assemblé. Le système est montée sur une table et est alors en position inversée (tête en bas). La caméra et l'unité panoramique illustrées à la figure 1.2 du chapitre 1, seront montées à l'extrémité droite du bras illustré
sur la figure 3.7. Les mécanismes de déplacement sont illustrés à la figure 3.8. Le mécanisme de vis-sans-fin est situé à la gauche de la figure 3.8 tandis que le mécanisme de rotation est situé à la droite de cette même figure.
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~ . ~ agi. i 6 yi.C~ . . ~';,";~ ~~ 3 ~Y~~ï.~'a t ~' 3s ~. w~-;~~i~,, r r' ~c ~ i ...~~x.~ r~rc t _ ~ .,~ -.. v3 F
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Figure 3.7 : Bras robotique en position étendue Figure 3.8 : Mécanismes de déplacement du bras robotique.

PARTIE ÉLECTRIQUE
4.1 Conception électrique On s'intéresse ici à la composante électrique du système laquelle donne vie au système mécanique et permet l'asservissement et l'intégration des parties robotiques (logiciel) du système final. La conception électüque comprend 1 choix et dimensionnement des moteurs électriques.
2 choix des amplificateurs.
3 capteurs de position des membrures du système.
4.2 Chois du type de moteur électrique On a choisit des servomoteurs DC à brosses car ce type de. moteur s'apprête bien à
l'asservissement et offre une plage de couples qui correspond bien à ceux demandés pour déplacer le bras robotique. De plus, étant danné le matériel informatique et l'équipement disponible, un système servomoteur amplificateur est plus facilement concevable et moins dispendieux qu'un système de moteur à pas ("step motor").
4.2.1 Dimensionnement des moteurs Le dilnénsionnement du moteur consiste à choisir celui qui permettra de déplacer la charge selon les paramètres définis sans l'endommager ou détériorer les composantes du système.
Les paramètres et conditions d'opération à définir sont les suivants - les couples nécessaires ("peak torque") pour l'accélération et le déplacement de la charge, - le profil de vitesse de la charge , - le cycle de travail ("duty cycle") du système, - les conditions d'environnement du système (température d'opération, extérieur etc..), - la vitesse et le rapport d'engrenage du moteur.
En général ces paramètres demeurent fixes tout au long des calculs de dimensionnement parce qu'ils donnent les caractéristiques mécaniques du système. D'autres paramètres varient en fonction des spécifications du moteur choisi et ont un impact sur les couples acceptables permis. La--procédure de dimensionnement peut alors devenir itérative. La procédure suivie se trouve à la section suivante.
4.2.2 Procédure suivie Le profil de vitesse, le cycle de travail ainsi que les couples mécaniques nécessaires pour accélérer la charge sont analysés en premier car ils demeurent constants et sont considérés dans tous les calculs du dimensionnement.
A. Définition du profil de vitesse La méthode la plus couramment utilisée pour effectuer un déplacement delta point à point ("point-to-point") est le profil trapézoïdale" 1/3 " (voir figure 4.1). Dans ce profil, les temps d'accélération et de décélération ainsi que le temps de plateau sont tous égaux. Pour les deux mécanismes rotatif et prismatique, les temps d'accélération à vitesse maximale sont fixés à une seconde. Avec les vitesses des mécanismes du système actuel, les temps de plateaux peu coûteux en énergie, ainsi que les temps de pause inexistants pour le profil utilisé, seront beaucoup plus longs. Le calcul ajoute alors un facteur de sécurité au dimensionnement du système.

GJ
w max.
t/3 2t/3 t temps Figure 4.1 : Profil de vitesse trapézoïdale des moteurs. w représente la vitesse angulaire du moteur, a = accélération.
B. Calcul des couples mécaniques Les couples mécaniques nécessaires demeurent constants tout au long du problème et sont calculés en tout début. De plus ce calcul facilite le choix du premier moteur dans la procédure itérative. Pour faire le calcul du couple continuel requis, on additionne chacun des couples élémentaires dans les conditions les plus défavorables. Le couple total mécanique est calculé comme étant la somme des couples nécessaires pour accélérer la charge et du couple nécessaire pour vaincre les forces de fi-iction.
L'équation s'écrit:
T~ = J~ x a + Friction avec J~ = inertie de la charge, a = accélération angulaire, Friction = couple nécessaire pour déplacer la charge.
C. Études des courbes de performance du moteur Les deux courbes de performance les plus utilisées pour le dimensionnement des moteurs sont les courbes de vitesse et de courant exprimées en fonction du couple de la charge. La figure 4.2 illustre la courbe de vitesse en fonction du couple.
Zone d'opération continuelle u m _.
...
r~
;t-- Zone d'opération --.~; Couple d'arrét intermittente ' ~ ~l torque ~
Couple moteur Figure 4.2 : Courbe de performance Couple-Vitesse . CA 02272040 1999-OS-13 Ä des fins de sécurité, les moteurs doivent être dimensionnés et choisis par rapport à leur couple continuel permis (zone continuelle d'opération) et non par rapport au couple maximum calculé. Le couple maximum ne devrait être utilisé que pour des applications " intermittentes " à faible cycle de travail. De plus, puisqu'il est très difficile d'estimer précisément le couple continuel nécessaire, il est recommandé par les fabricants d'utiliser un facteur de sécurité d'environ 1.33 à 1.75.
Courant maximum ;
Zone d'opération continuelle u ~
..
Zone d'opération -~ Couple d'arrét intermiüente ; ~'~ torque") Couple moteur Figure 4.3 : Courbe de performance Couple - Courant La figure 4.3 illustre la courbe Couple-Courant du moteur superposé à la courbe Couple-Vitesse précédente. D'après la courbe, on remarque que pour de faibles couples, le courant demandé est faible et la vitesse du moteur est alors élevée. Le courant maximum est atteint au couple de calage du moteur. L'inverse de la pente de la courbe de courant donne la constante de couple du moteur (Kt). Cette constante varie en fonction du moteur choisi.
D. Processus itératif Les méthodes de dimensionnement des moteurs varient considérablement selon les manufacturiers de moteurs. Les moteurs qu'on a choisi sont de la compagnie Pittman; leur méthode a alors été utilisée. Le processus itératif est le suivant et est répété pour les deux moteurs du système.
a. C6oia d'une série de moteurs En général, les manufacturiers séparent leur moteurs en famille ou série de moteurs selon les dimensions et plages de couples fournies. Le choix de la première itération se fait en comparant le couple maximum mécanique demandé avec la série de courbes de performance fournies par le manufacturier. C'est à cette étape qu'on obtient les paramètres variables du dimensionnement des moteurs correspondant à la série et au moteur choisi. Les paramètres variables sont PKO constante du moteur :

JM : inertie du moteur TM : friction interne du moteur TPR impdance thermique :

b. Calcul des couples En utilisant le profil de vitesse défini pour l'application, les couples nécessaires pour chaque période du profil de vitesse sont calculés.
Période d'accélération Couple total = Couple pour accélérer le système + Friction T--(J~+J,,~)xa+F~+F,,~
J~, JM = inertie de la charge et du moteur a = accélération angulaire F~ F,,~ = couple de friction de la charge et de friction interne du moteur Période plateau Couple total= Friction T2=F~+F"~
Période de décélération Couple total = Couple pour décélérer le système - Friction T =-(J~+JM)xa-(F~+F,,~) c. Calcul du couple RMS
Le couple RMS est alors calculé. On calcule ce couple à l'aide de la formule suivante.

~(T,. * t.) Tirnrs -~(t;) d. Validation du chois de moteur Normalement le couple continuel permis n'est pas indiqué sur la courbe de performance du moteur. Ce couple est calculé à partir de l'équation donné par le manufacturier du moteur.
Cette équation tient compte des paramètres du moteur choisi (PKO, TPR, T,"), de la température ambiante Ta,;,b, ainsi que la vitesse RMS du moteur. K et C sont des constantes de conversion.
T (155-Tamb)-TM S *K*PKO-T
coNr = TPR C
On valide le choix en comparant le couple :luviS au couple continuel permis du moteur.
Lorsque cette condition n'est pas respectée, on doit recommencer le processus itératif.

e. Choie du bobinage du moteur La tension maximale qu'un moteur peut recevoir dépend de son bobinage. Le bobinage est choisi en se basant sur le couple et la vitesse qui donnent la tension maximale. Cette situation se produit à la fin de la période 1 du profil de vitesse. On utilise l'équation suivante:
E
KT-TL+TM+S
PKC~ K
Le bobinage avec la constante de couple Kt la plus près de celle calculée est alors choisi.
f. Calculs des courants et tensions maximums Cette dernière étape sert de vérification au choix de bobinage pour s'assurer que la tension maximale ne soit pas dépassée pour les couples calculés lors des dü~érentes périodes du profil de vitesse. Cette étape est également utile pour faciliter le choix des amplificateurs.
Le courant se calcule par la formule suivante:
I- T
Kt avec T - couple de la période Kf - constante de couple du moteur choisi La tension se calcule pour chaque période:
E=IxR~+K,xa ".o,.
i« V V
I - courant Rt rsistance du moteur -K, constante emf ("back e;mf - constant") w - vitesse du moteur 4.2.3 Moteurs choisis Les caractéristiques des moteurs choisis sont données dans le tableau 4.1. Les calculs détaillés de dimensionnement des moteurs sont disponibles dans le Rapport de Stage Interne situé au Campus Notre-Dame du CHUM.
Tableau 4.1 : Caractéristiques des moteurs choisis Prismatique Rotati Bobinage (V) 24 24 Couple maximum (N~m)56.5 19.6 Courant maximum (A) 9.34 2.88 Vitesse de sortie 71.0 7.68 (RP1V1) Rapport d'engrenage 65.5:1 728:1 4.3 Choia des amplificateurs Le servo amplificateur sert à faire un conditionnement de signal en ce qu'il convertit un signal de basse énergie provenant du contrôleur (ou carte de commande), en un signal de haute énergie nécessaire pour faire la commande (alimentation) du servo moteur.
Les amplificateurs choisis pour le système sont: du type PWM ("Pulse Width Modulation").
Contrairement à un amplificateur linéaire qui envoie une tension linéaire, l' amplificateur PWM envoie au moteur une série d'ondes carrées à module fixe. L'amplificateur modifie la puissance envoyée au moteur par un changement de la longueur de l' onde carrée envoyée ("Pulse width"). Ce type d'amplificateur est très efficace (jusqu'à 98 %) et génère très peu de chaleur. Ces systèmes génèrent par contre du bruit dans la bande MW et VHF
du spectre lequel peut être diminué par blindage ou par filtre:
Tableau 4.2 : Caractéristiques des amplificateurs Type d'amplificateur AMC PWM Modle 25 A8 Tension d'alimentation (V) 20-80 Courant maximum (A) t 25 Courant continu (A) t 12.5 Tension d'entre (commande) t 5.0 (V) La capacité de l'amplificateur doit être choisie selon la plus grande demande en tension et en courant du moteur. Dans le cas présent deux amplificateurs de même capacité
ont été
choisis pour faciliter la calibration et fc;ntretien. Leur capacité a également été

surdimensionnés pour assurer une longue durée de vie et pour assurer une plus grande flexibilité du système dans le cas d'une modification de moteur (fort possible avec un prototype). Les caractéristiques de l' amplificateur figurent dans le tableau 4.2.
4.4 Capteurs de position Pour connaître la position du bras et de la caméra en tout moment, il est nécessaire d'inclure un système de feedback en position sur chacun des segments du bras. La méthode la plus courante pour encoder la position angulaire ~ou linéaire d'une membrure est le couplage mécanique de celui-ci avec un encodeur optique (précis) , un potentiomètre de précision (grossier) ou un résolveur (très précis). Pour' être interprétés par le contrôleur numérique (microprocesseur), les signaux sont convertis sous format numérique. Cela implique la lecture du pbtentiomètre et du résolveur par un convertisseur analogique numérique et la lecture de l'encodeur optique par un compteur. Le système actuel comporte â la fois des potentiomètres et un encodeur optique. Le résolveur est un mécanisme très précis et dépasse largement la précision mécanique possible du système actuel.
4.4.1 Encodeur optique Les encodeurs optiques convertissent un déplacement rotatif en une série d'impulsions. Les encodeurs possèdent un disque rotatif, une source de lumière (diode) ainsi qu'un photodétecteur. Le disque est monté sur un arbre rotatif et possède une piste codée (série de fentes) uniformément espacées près de aa circonférence permettant le passage de la lumière. Lors d'une rotation de l'arbre, la lumière traverse les fentes du disque générant ainsi une série d'impulsions lumineuses qui sont captées et transformées en impulsions électriques par le photodétecteur.

Photodétecteur Source de lumière A
Disque rotatif Figure 4.4 : Encodeur optique L'encodeur optique rotatif possède normalement deux signaux de sortie montés en " quadrature " c'est-à-dire déphasés de 90 degrés pour obtenir une information sur la position et la vitesse. La plupart des encodeurs possède également un marqueur à zéro ("zero marker"). Les encodeurs optiques ne:. donnent pas une information absolue sur la position et nécessite alors un point de référence de départ pour pouvoir se positionner. Ce genre de système nécessite ainsi une procédure d'initialisation lors de la mise en marche du système. Le moteur monté sur le mécanisme actuel de vis-sans-fin est équipé
d'un encodeur optique. Connaissant les rapports d'engrenage, la position (delta) du système peut être déterminée.
4.4.2 Potentiomètres de précision Le potentiomètre de précision est un mécanisme de positionnement absolu. La position du système est alors connue lorsque le système est mis en marche. Le potentiomètre est composé d'une résistance alimentée en tension Ya (ex: 0-SV) et d'une brosse mobile qui est en contact direct avec la résistance. Lorsque la brosse du potentiomètre se déplace, la tension à sa sortie varie de Ia valeur de la tension à une extrémité de la résistance (OV) à la valeur d'alimentation de son autre extrémité (:SV).
Vi sortie Figure 4.5 : Potentiomètre de précision La précision du potentiomètre dépend de la qualité du signal d'alimentation du système ainsi que de l'impédance des câbles. En général, les conversions analogique/numérique engendrent une perte de résolution de 1 à 2 bits. Des potentiomètres sont accouplés à la vis-sans-fin ainsi qu' à la partie rotative du système.
Normalement les robots utilisent une .combinaison potentiomètre-résolveur. Le potentiomètre donne la position grossière du système tandis que la position plus fine est déterminée à partir du résolveur.

La carte d'acquisition DAQcard-1200 de National Instrument permet de faire la conversion analogique/numérique sur une résolution de 12 bits, soit 4096 incréments de position. Les résultats démontrent qu'il y a perte de résolution d'environ 2 bits avec la conversion analogique/numérique. On peut alors diviser la marge de manoeuvre de 45 cm de la vis en 1024 points, ce qui donne une précision théorique d'environ 0.44 mm.
4.4.3 Interrupteurs de fin de course ("limit switch") Ce troisième type de capteur permet de faire l'arrêt de sécurité du système prismatique lorsqu'il arrive en début et en fin de course. :Les amplificateurs choisis permettent un arrêt d'alimentation positif et/ou négatif des moteurs avec une mise à la terre de l'entrée spécifique. Le capteur ne permet pas la lecture de la position mais permet l'initialisation des systèmes de lecture non absolue comme par exemple l'encodeur. Lorsque l'interrupteur est actionné, la position du mécanisme est connu et les impulsions de l'encodeur sont calculées à partir de ce moment. Le diagramme électrique de l'unité de commande comprenant toutes les composantes électriques du système est présenté à l'annexe B.

CHAPI'.CRE 5 ASSERVISSEMENT DU SYST~ME

5.1 Système électromécanique Contrôleur de mouvement Boucle directe de vitesse Intertàce Programme Contrôleur (PTD) ~ Servo moteur Amplificateur ~ ' /f~7) ' ; Rnneriryr , r i Tachymètres ___________________________ Boucle en position Figure 5.1 : Boucles d'asservissement de base La figure 5.1 illustre les boucles d'asservi;~sement de base pour un système électro-mécanique asservi. Le schéma peut être résumé comme suit : le mécanisme de contrôle de mouvement reçoit les instructions de l'interface pour ensuite envoyer la commande à
l'amplificateur qui alimente le servomoteur. 'Un mécanisme de feedback en position et/ou en vitesse peut être ajouté au système pour terminer la boucle de contrôle.
C'est l'addition de la boucle de feedback qui différencie les systèmes à boucle ouverte (contrôleur anticipatif) des systèmes à boucle fermée (contrôleur en contre réaction). Les capteurs les plus communément utilisés pour le feedback du système sont les encodeurs, les résolveurs, les tachymètres et les potentiomètres.

Par un échantillonnage continuel du signal des capteurs, la positon du système est connue en tout temps. Le contrôleur peut ainsi modifier la commande pour faire une correction en temps réel de la position et/ou vitesse du systèrne. Comme résultat, le temps de réponse et le niveau de reproductibilité obtenus avec ces systèmes sont élevés. En effet, ces systèmes sont très efficaces lorsque les charges appliquées sur le système sont variables ou lorsque les systèmes sont sujet à des perturbations par forces externes. La section suivante traite des boucles de contrôle et des contrôleurs anticipatif et à contre réaction.
5.2 Commande boucle ouverte : contrôleur anticipatif Le contrôleur anticipatif agit comme un système en boucle ouverte car il ne reçoit aucune information sur la sortie du capteur. Le contrôleur est dit anticïpatif car la position ou trajectoire du système est anticipée par la commande qu'il envoie. Un système électromécanique anticipatif commun est le sy:>tème de moteur à pas: Le contrôleur envoie une série d'impulsions à l'amplificateur de commande (du moteur à pas). La position et la vitesse du système sont prédéterminées par la série d'impulsions, (nombre et direction) envoyée au moteur.
Ce même principe peut être appliquer à un s~stème électromécanique à
servomoteur. Les impulsions sont remplacées par un profil de commande, appelé la consigne, correspondant au profil de vitesse et à la position finale désirée du système. La précision et la flexibilité de ces genres de système sont faibles car la position et/ou la vitesse ne sont pas connues par feedback, il y a alors possibilité d'accumulation d'erreurs tout au long de la commande. Les systèmes à boucle ouverte sont convenables pour les mouvements simples, à
faible vitesse et ou l'application et la charge est hautement prévisible. Un exemple d'une commande anticipative est illustré à la figure 5.2. Ä partir de la position voulue, la vitesse et la commande à envoyer sont calculés directement. Km représente le gain du manipulateur.

~(t v,(t u(t) Position de consigne Vitesse de consigne Commande anticipative Manipulateur Position réelle x,(t) ~ y.(t) - 1 u(t) x t dt l~
Figure 5.2 : Contrôleur anticipatif 5.3 Contrôleur secondaire: contrôleur à contre réaction Quoique les systèmes à boucle ouverte soient suffisants pour les applications simples, ils perdent rapidement leur performance pour des systèmes à charge variable ou lors de perturbation par des forces externes.
Il est possible pour un contrôleur anticipatif de faire les corrections à
l'avance pour compenser certains effets prévisibles mais les systèmes demeurent toujours impuissants face aux perturbations externes et aux déviations de trajectoire par accumulation d'erreurs. Dans ces cas, on opte pour l'utilisation d'un contrcileur à contre réaction utilisé
en parallèle avec le contrôleur anticipatif. Le montage est illustré à la figure 5.3. Le principe de base du contrôleur est de comparer le signal provenant du capteur par rapport à la consigne provenant de l'interface. L'écart entre les deux signaux est alors converti en signal de commande appliqué à l'actionneur pour venir corriger l'erreur du manipulateur.

, CA 02272040 1999-OS-13 Contr&leur °d (t) Consigne Anticipatif de position I I ~ Commande =a(t) +
u(t) z(t) Manipulateur Contr8leur à
contre réaction ~(t) Figure 5.3 : Contrôleur à contre réaction 5.4 Contrôleur PID
La stratégie de contrôle du type PID ( Proportionnelle - Intégrale - Dérivée ) utilisée dans le système est étudiée dans cette section. C'est le contrôleur le plus communément utilisé.
Ces éléments peuvent être séparés sous leur forme primaire c'est-à-dire contrôleur proportionnel (P) : une augmentation du gain de cette composante correspond à une augmentation du gain en boucle ouverte du système. Le signal de commande est alors augmenté pour réduire f erreur entre la valeur désirée et la valeur réelle.

$1 contrôleur intégral (I) : par l'intégration de l'erreur, le contrôleur assure que la consigne soit atteinte en régime permanent.
Permet d'éliminer l'effet d'une perturbation.
contrôleur en dérivée (D): permet de contrôler les transitoires du système et de réduire les dépassements de la consigne.
La fonction de transfert du contrôleur Pm s'écrit r () u(t) = KpE (t) + K; j s (t) dt + Ka d ~tt où Kp, Kd et Ki représentent les constantes du contrôleur ou gains de la fonction de transfert. La figure 5.4 illustre le montage en, parallèle avec le contrôleur anticipatif.
Inverse Contr8leur ~' (t) A~icipatif xrEnt) ~_ ............................................... + o(t) z(t) Erreur +
P
-u v act) I
zct) + ~' D
Contr8leur PiD
Figure 5.4 : Contrôleur Pm. Voir texte pour plus de détails.

5.5 Contrôleur du système actuel Le contrôleur utilisé par le système actuel est le contrôleur illustré à la figure 5.5. Le contrôleur se sépare en contrôleur anticipatif et en contrôleur à contre réaction, la partie à
contre réaction étant un contrôleur PD, c'est-à-dire un contrôleur PID sans composante I.
Le contrôle en position exécuté est spécifique en ce qu'il commande le mécanisme à partir d'un profil de vitesse {anticipatif) pour recevoir du feedback à la fois sur la vitesse et sur la position du système. Puisque le mode de déplacement du robot est du type point par point, la trajectoire suivie dans le temps est moins importante et l'emphase est placée sur la position finale atteinte par le mécanisme.
Contr8leur anticipatif ~c Vréf 1 n' (t) Xréf ,_________ _ __________________; + u{t) yt) ~ ; + K. v(t) j. dt + , -, + + ~ Manipulate~a , _u , _ + fl~t~
. ;
, .+, .... ~.,~ .... , ....
i i __________________________________, Contr8leur P)D
Figure 5.5 : Asservissement du système actuel. Le contrôleur anticipatif est en parallèle avec le contrôleur P~ qui reçoit du feedback en position et en vitesse du manipulateur.

L'entrée du contrôleur est la position finale désirée (consigne). Le contrôleur prend premièrement une lecture de la position actuelle du système pour ensuite en calculer le delta de position. Un profil de vitesse trapézoïdal correspondant au déplacement voulu est calculé
à partir d'une accélération constante et d'une vitesse maximale de plateau fixées préalablement par l'utilisateur. Ce profil de vitesse est envoyé au contrôleur anticipatif.
L'intégrale du profil de vitesse est alors calculée pour donnée le profil de déplacement dans le temps du système.
C' est à partir du contrôleur à contre courant du type PD que la position instantanée est comparée à la position calculée (anticipée). L,a vitesse instantanée est également comparée à la vitesse de commande du système anticipatif. L'erreur en position est alors multipliée par le gain proportionnel Kp et l'erreur de vitesse; est multipliée par le gain Kd. La somme des deux est alors ajoutée à la commande anticipative du système. Pour laisser la chance au contrôleur PD d' éliminer l' erreur, une vitesse de zéro est ajoutée à la fin du profil de vitesse, la commande anticipative est alors nulle mais il y a encore possibilité de correction par le contrôleur PD. Un contrôle intégral pourrait .également être ajouté au système (en pointillés sur la figure 5.5). Les résultats préliminaû~es ont démontré que le positionnement des mécanismes étaient acceptables avec le contrôle PD. Pour faire le contrôle de l'ensemble des composantes du système robotique, plusieurs contrôleurs de ce même type sont placés en parallèles, chacun s'occupant de l'asservissement d'un degré de liberté du système.

ROBOTIQUE I~U SYST~ME
Dans cette partie du projet, on regroupe les éléments de base considérés précédemment pour former un système fonctionnel dit manipulateur, capable d'accomplir les tâches demandées par l'utilisateur. Pour ce faire, le contrôleur doit interpréter les commandes et s'assurer que les composantes de base du système telles que les structures mécaniques, les composantes électriques (moteurs, amplificateurs, encodeurs, potentiomètres) ainsi que l'asservissement des mécanismes agissent de façon concertée pour accomplir la tâche demandée.
Dans le cas présent, la tâche consiste au positionnement et à l'orientation de la caméra pour l' observation directe du site opératoire:

6:1 Cinématique du manipulateur Pour contrôler le robot il faut que la cinématique du système soit définie. En robotique, la cinématique étudie le mouvement du manipulateur en définissant les caractéristiques géométriques qui existent entre les composantes mécaniques du système et en étudiant leurs relations dans le temps.
L'étude cinématique se fait indépendamment de l'étude dynamique où les forces produisent le mouvement. En robotique la dynamique se; résume par la définition des couples et forces nécessaires pour déplacer les membrures du manipulateur et sa charge dans une trajectoire donnée. Les forces et couples à fournir par les actuateurs varient dans le temps et dépendent de la position, de la vitesse, de l'accélération et de l'inertie des membrures et de la charge à transporter.

Le système actuel est relativement simple, les vitesses sont faibles, les rapports d' engrenages et la puissance des moteurs sont élevés et le système ne travaille pas contre les forces gravitationnelles. Il en résulte que la constants: de temps du système est très faible de sorte que chacune des articulations peut être commandée séparément et efficacement sans soucis des forces dynamiques qui pourraient agir sur elles. L'étude se limite alors à
la cinématique.
6.1.1 Paramètres des membres du manipulateur' Dans le domaine de la robotique, le système doit être décrit selon des méthodes reconnues telle la convention de Denavit Hartenberg ( D-H ). Il s'agit d'une méthode systématique pour trouver et exprimer les caractéristiques cinématiques d'un manipulateur à
partir de 1a définition de paramètres ainsi que les matrices de transformation du système.
6.1.2 Rappel définition d'un vecteur dans l'espace La position d'un corps dans l'espace à partv~ d'un système de coordonnées quelconque, s'exprime à partir d'un vecteur position''P de dimension 3 x 1. AP exprime la position d'un point par rapport au référentiel {A } .
Px AP ' Pr P=
D est alors possible de définir la position de l'origine d'un référentiel {B}
par rapport à un référentiel de base {A }. L'expression s'écrit alors APB~ et peut représenter la translation du référentiel {B} par rapport au référentiel {A}.

Six degrés de liberté sont nécessaires pour définir complètement un corps dans l'espace.
Le vecteur position donne les trois premiers degrés de liberté en translation du corps, tandis que les trois derniers donnent son orientation dans l'espace. Une méthode pour définir l' orientation d'un corps dans l' espace est de lui assigner un référentiel fixe et d'ensuite définir ce référentiel par rapport au référentiel de base.
On peut exprimer l'orientation d'un corps dans l'espace en définissant la rotation de son référentiel par rapport aux axes du référentiel de base. II existe une matrice de rotation pour chacun des trois axes.
Une rotation de 6autour de l'axe x (roulis) s'exprime Rotx(B)= 0 cosB -sin9 0 sin 8 cos B
de même pour l'axey (tangage) cos B 0 sin B
Roty(B) _ (1 1 0 -sine 0 cos9 CA~02272040 1999-OS-13 et l'axe z (lacet) cost~ -sinB 0 Rott(B) = sinE~ cos9 0 L'orientation d'un référentiel donnée par rapport à un référentiel de base s'exprime par une multiplication de ses matrices de rotation élémentaire. Pour deux référentiels {A} et {B}
avec origines ctiincidentes, la position d'un point BP par rapport au référentiel de base {A}
s'exprime '~P=BR BP
Cette opération est la multiplication matricielle de la matrice de rotation B
R par le vecteur de position BP.
Avec les deux opérations de rotation et de translation, il est possible d'exprimer la position d'un vecteur BP dont la position est connue dans le référentiel {B} par rapport au référentiel {A}. La transformation est illustrée à la figure 6.1. L'expression de la transformation s'écrit:
AP= âR '~P+ APBo,~

$g Xa,Ya, Za: Vecteurs unitaire référentiel G11 ' {Bi Zb - ' ,,' ''.' BP
I w l pD
Yb Xa Figure 6.1: Opération de translation et de rotation du référentiel {A }.
6.1.3 Matrice de transformation homogène La matrice de transformation homogène 3D est une matrice qui permet de faire à
la fois les opérations de translation et de rotation avec une matrice de dimension 4 x 4.
L' expression d'une transformation s'écrit alors:
AP= $T BP

Plus spécifiquement, la matrice de transformation prend la forme suivante:
AP B R '' PBo,~ BP

Comme le démontre cette dernière équation, le point du référentiel {B} peut être connu par rapport au référentiel {A } par la multiplication du point {B} par la matrice de transformation.
On peut dire que la matrice de transformation exprime la relation qui existe entre les deux référentiels.
La matrice de transformation d'une chaîne de référentiels ({A} {B} {C} ....
{N} ) peut être déterminée par la multiplication successive de chacune des matrices de transformation homogènes qui existe entre chaque référentiel successif.
6.1.4 Notation de Denavit-Harten6erg (D-)~ : détermination des paramètres La méthode de Denavit Hartenberg est une méthode systématique qui permet d'exprimer les relations qui existent entre les membrures adjacentes d'un manipulateur en chaîne ouverte.
La méthode générale de fonctionnement de ce système consiste à assigner un référentiel fixe sur chaque membrure du manipulateur. La chaîne cinématique ouverte du manipulateur est , CA 02272040 1999-OS-13 décrites complètement dans l'espace en définissant 4 quantités, appelées paramètres D-H, pour chacune de ses membrures. Deux de ces paramètres donnent des informations sur les caractéristiques physiques ou géométriques de la membrure elle-même, tandis que les deux autres donnent des renseignements sur sa liaison avec les membrures adjacentes. Les paramètres d'une membrure ne sont pas tous fixes. Normalement il existe un degré de liberté
par membrure et c'est la variation du paramètre associé à ce degré de liberté
qui exprime le mouvement entre membrures adjacentes. Pour une articulation rotative le paramètre variable est l'angle 6, pour une membrure prismatique le paramètre variable est la distance di. Les trois autres paramètres demeurent fixes.
6.1.4.1 Convention utilisée Le résumé de la méthode pour fixer les référentiels au membrures est exprimé
par les étapes suivantes.
1- Identification des axes principaux des articulations. Les. axes principaux adjacents sont considérés comme étant les axe i et axe i + 1.
2- Identification de la perpendiculaire commune entre les axes i et i+l. Le référentiel {i} est fixé au point d'intersection entre cette perpendiculaire commune et l'axe i.
3- L'axe Zi pointe alors en direction de l'axe i.
4- L'axeXi pointe en direction de la perpendiculaire commune, ou pour le cas de deux référentiels coïncidaats, l'axe Xi est la normale du plan formé par les deux axes principaux.
5- L'axe Yi est fixé selon la règle de la main droite.

Axe i -1 Axe i Membre i si __ ~ _i V
xi _1 Xi __ ~ -_ _i __ ai_1 Figure 6.2 : Fixation des référentiels sur les membres.
La figure 6.2 illustre la fixation "rigide" des référentiels pour un manipulateur quelconque.
L'axe Z du référentiel {i} coïncide avec fax:e i. L'origine du référentiel {i}
est situé à
l'endroit où la perpendiculaire a; intercepte l'articulation i. Xi a la même direction que a;
et est orienté vers l'axe i+l. Lorsque a; = 0 ; Xi est normal au plan formé
par Zi et Zi+l.
On définit a; (link twist) à partir de la règle de la main droite et l'axe Xi.
Le signe de a; est alors déterminé par le choix de f orientation de.Xi. Yi est fixé selon la règle de la main droite.
6.1.4.2 Premier et dernier référentiels On fixe un référentiel {0} à la base du robot: (link 0). Ce référentiel est fixe et peut être considéré comme référentiel d'origine. Puisque ce référentiel est arbitraire, on le positionne et l'oriente de telle sorte qu'il coïncide avec le référentiel { 1 } lorsque la variable de la membrure 1 est égal à zéro. En utilisant ceti:e convention, on obtient alors ao = 0.0, ao =
0.0, d, = 0.0 pour une articulation prismatique et 8, = 0.0 pour une articulation rotative.
Pour l'articulation n rotatif, l'orientation deXn est choisie pour être aligné
avecXn-I lorsque 8" = 0.0, l'origine du référentiel {N} est choisie pour que d" soit égal à
zéro. Pour une jointure n prismatique, l'orientation Xn est choisie pour donner 6" = 0.0, l' origine est choisie à l'intersection de Xn-I et l'axe n lorsque d" = 0Ø
6.1.5 Paramètres Denavit Hartenberg du sytème actuel Les paramètres de Denavit Hartenberg du système actuel sont illustrés dans le tableau 6.1.
La figure 6.3 démontre le manipulateur à sa position étendue avec la caméra qui regarde vers le bas. La position des référentiels sur les membres, les degrés de liberté
ainsi que les paramètres fixes sont également illustrés au bas de la figure.
Tableau 6.1 : Paramètres de Denavit Hartenberg a~
1 0 -l:, l - n/2 81 2 ~ L2+d2(t) 0 -~/2 0 3 -L3 0 ~/2 83 4 0 0 ~/2 84 5 ~ d5(t) 0 0 0 x~
L2'~lr) s3 r~
ds 84 ~Y4 u u ~s Figure 6.3 : Paramètres du manipulateur selon la convention D-H.

' 64 6.1.6 Cinématique directe : méthode de Denavit Hartenberg Avec la définition des paramètres du système actuel, il est possible de définir la position de chaque membre du système, incluant le membre "virtuel" qui rattache la caméra jusqu'â la cible. Pour ce faire on utilise la matrice de transformation définie par D-H.
La transformation dans l' espace d'un référentiel { i-1 } à un référentiel { i } s' exprime par l' opération suivante i ;T = Transs (d; ) Rotz;_~ (8; ) Trans x; (a; )Rota; (a; ) Ces opérations se résument par la matrice de transformation homogène suivante cosB; - cosa;sin~9; sina;sinB; cos9;
sinB; cosa; cosE~ -sina; cosB; sinB;
' 'T 0 Bina; cosa; d;

Les paramètres D-H de chaque membrure sont appliqués à la matrice de transformation et multipliées entre elles pour obtenir la matrice de transformation de toute la chaîne cinématique du système. La multiplication matricielle s'écrit ôT = ~ iT iT a~ âT

La matrice de transformation résultante du système actuel s'écrit (cB,cB3 - Sese,)ce, case, + sB,c6, (cB,c93 - sB,sB,)sB, (cB,c63 - s6,s63)s9,d5 + (L2+ d2)SB, - Llc6, ôT- (sB,cB, - cese,)ce, Sexe, + c6,cB, (s9,cB, - cds8,)sB, (sB,cB, -c9,s8,)sB,ds - (L2+ d2)c8, - LIsB, sB, 0 -cB, -cB,ds - L3 Cette matrice donne alors la position triaxiale de la cible par rapport au référentiel de base {0}, selon les paramètres d'entrée 9,, L2 + d2., B3, 64, et d5: Les matrices de transformation intermédiaires sont présentées à l'annexe C.
6.1.7 Cinématique inverse La section précédente portait sur la cinématique directe du manipulateur, c'est-à-dire la détermination de la position (et orientation) de l'outil par rapport à un référentiel étant donnés les paramètres fixes et variables du manipulateur (81, Lv, B3, 84, d~.
Ici on traite du problème plus complexe de cinématique inverse : on cherche à déterminer les paramètres variables du manipulateur qui donneront la position (et l'orientation) désirée de la cible de la caméra. Plusieurs méthodes existent pour solutionner le problème, notamment la méthode géométrique (solution triaxiale positions x, y et z) et la solution algébrique plus complexe.
La solution géométrique a été choisie pour sa simplicité et pour sa performance plus rapide en terme de programmation.

' 66 6.1.8 Solution géométrique L'interface graphique développé pour le système a favorisé la solution géométrique inverse du système. La position triaxiale de la cible (x,y,z) et le point de we (planaire) de la caméra (x,y) sont illustrés et choisis directement sur 'l'interface à l'aide de la we horizontale et verticale. La we horizontale donne les informations nécessaires à la solution 2D du système.
La we verticale complète en donnant les informations sur la profondeur ou l'élévation de la cible et de l'oculaire de la caméra. La définition des deux points dans l'espace (caméra et cible) permettent alors de calculer l'orientation de la caméra ainsi que la distance focale de la caméra jusqu'à la cible.
Pour résoudre le problème, on commence par la solution 2D du système, c'est à
dire la we de plan du système et on procède ensuite à la solution 3D.
6.1.8.1 Calculs cinématiques inverses dans le plan horizontal Les dimensions du bras dans le plan sont illustrées à la figure 6.4, tandis que les angles de calculs dans le plan apparaissent à la figure 6.5. Les entrées (positions désirées) dans cette we sont (xl, yl) pour la.caméra, et (x3, y3) pour la cible. Les axes ont été
choisis pour être en accord avec la convention Denavit-Hartenberg utilisée à la section cinématique directe.
La procédure de calcul est la suivante.
On commence par le calcul de la distance (Lf~ entre l'origine (0,0) et la caméra (x,,y,) _ 2 2 Lt - ~rl + yi Y
Figure 6.4 : Dimensions du bras dans le plan. Les lignes foncées représentent la forme excentrique du bras dans le plan horizontal. Lt, a et ~i varient selon la longueur variable du mécanisme Lv . Lf demeure constant.
La longueur variable Lv du manipulateur peut alors être calculée connaissant la longueur fixe constante L, f, Lv-~L~_L¿
On calcule ensuite l'angle Bo x i OX
~3 Y
u~y~
Figure 6.5 : Convention des angles du manipulateur dans le plan horizontal. La ligne pointillée représente la projection de l'orientation de la caméra dans le plan horizontal. Le point foncé représente la cible.
Pour calculer 81, on calcule premièrement l'angle intermédiaire a qui est déterminé à
partir des longueurs fixe et variable du manipulateur a = tan-' Lf Par géométrie on obtient, B~=(go__a)+2 Pour l'affichage de l'interface, on peut alors calculer la position de l'intersection entre la longueur fixe et variable du mécanisme (x~,y1).
x2 = L fsin(Bo - a ) y2 = L f cc~s(Bo - a ) L'orientation de la caméra par rapport au référentiel de la salle (base du manipulateur) 93°
est calculée comme suit y avec Ax et ~y , ~x= x3-xl ey= 03-y;
Par simple géométrie, l'orientation de la caméra par rapport à la membrure variable du bras est e3 = te~° - Bl) io 6.1.8.2 Calculs cinématiques inverses dans le plan vertical La figure 6.6 illustre le montage en trois dimensions du bras et de la caméra.
Dans cette vue 93 représente l'orientation (azimut) d'un plan vertical par rapport au plan horizontal. L' angle 94 représente l'inclinaisôn de la caméra dans ce plan vertical par rapport à
l'horizontal.
ZO
ei YO
XO

Figure 6.6 : Vue 3D du système. La longueur focale F et l'angle d'inclinaison B~ sont calculés à partir du cube tridimensionnel en pointillés.

Ä partir de la figure 6.6, 8, ainsi que la distance focale F peuvent être calculées à partir de la profondeur de la cible z. Cette profondeur ~:: représente la distance verticale entre la cible et l'axe de rotation 64 de la caméra. La longueur focale F représente la distance euclidienne jusqu'à la cible.
B, s' écrit alors _ eZ
e. = t~_~
. fex2 + ey2 et la longueur focale F
F = ex2 + ey2 + ez2 où ex, 0y et ez représentent les deltas pris dans la même direction que les vecteurs unitaires du référentiel de base X0, YO et ZO respectivement. Les deltas sont représentés sur la figure 6.6.

6.2 Montage du système Le montage proposé du système robotique est illustré à la figure 6.7. Les composantes principales du systèmes sont : l'ordinateur qui agit comme contrôleur du système, le bras robotique, le boîtier d'alimentation du système robotique et le système de caanéras. Le mode de fonctionnement du système complet est le suivant: l'utilisateur observe les activités de la salle à partir des écrans du système de caméras et contrôle le bras robotique directement à partir de la manette ou serai-automatiquement à partir de l'interface graphique de l'écran d'ordinateur. Le fonctionnement de l'interf:ace graphique est expliqué dans la section suivante.
Les systèmes de bras robotique et de caméra sont contrôlés à partir de l'ordinateur qui contient le logiciel de contrôle et la carte d'acquisition. Les commandes partent de l'ordinateur vers le boîtier d'alimentation (unité de commande) qui effectue le conditionnement des signaux reçus. Une partie des signaux passent par les amplificateurs pour commander les moteurs du bras robotique, l'autre partie se dirige vers le boîtier du système de caméra pour communiquer avec son interface RS-232. L'interface RS-232 est un protocole de communication pour instrument utilisé pour faire le contrôle et la lecture d'un instrument à partir d'un PC. C'est à ce niveau que le contrôle des caméras ainsi que les informations sur son orientation sont extraits. Pour l'instant par contre, cette option n'était pas disponible sur le système de caméras utilisé.
L'unité de commande alimente en tension les potentiomètres et les interrupteurs de fin de course du bras robotique. Les informations tirées des composantes électriques du robot (potentiomètres, encodeur et interrupteurs) ainsi que les informations relatives à la caméra (inclinaison, azimut, agrandissement) du système de caméras sont ensuite acheminées vers l' ordinateur pour traitement.

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a4 w Les signaux vidéo analogiques ne sont pas pour l'instant acheminés vers l'ordinateur, ils sont a~chés directement sur le(s) écrans) du système de caméras. Ces signaux pourraient par contre être acheminés à un carte COD'.EC pour être envoyés numériquement vers l'extérieur pour accès.
La manette de contrôle qui se branche sur le boîtier d'alimentation permet de faire la commande des deux moteurs du robot et contient un bouton pour l'arrêt d'urgence du système. Cette manette est alimentée en tension par le boîtier et peut acheminer ses signaux de commandes à l'un de deux endroits à partir d'un bouton de sélection ("selector switch") sur le boîtier. Les signaux peuvent être acheminés directement aux amplificateurs du système pour permettre la commande directe du robot sans branchement sur ordinateur, ou peuvent être retournés à l'ordinateur pour traitement. Sans traitement du signal, la vitesse maximale du robot est limitée à 50°!o des capacités maximales réelles.
Le signal d'arrêt d'urgence coupe complètement l'alimentation des moteurs du robot et signale le contrôleur de l'arrêt du système. La figure 6.8 illustre le système bras robotique comprenant l'unité
de commande, l' ordinateur PC portable, la manette de contrôle et le bras robotique dans l'an;ière plan.
Figure 6.8 : Photo du système bras robotique.

7$
6.3 Interface pour l'utilisateur L'interface permet de faire le lien entre l'utilisateur et le contrôleur qui fait la commande du bras robotique. Le système bras robotique/caméra possèdent 4 degrés de liberté
physique Bl, Lv , 83 et 84, et un degré de liberté qu' on peut appeler virtuel, la longueur focale F. Le positionnement et l'orientation de la caméra nécessitent l'ajustement de chacun de ces paramètres individuels. L'ajustement manuel de chacun des paramètres constitue une tâche très difficile pour un utilisateur à distance. Cette tâche semble même ridicule pour le contrôle d'un système robotique automatisé. L'interface graphique devient alors critique pour faciliter l'utilisation du système robotique et pour convertir la position et l'orientation du système (consigne) désirées par l'utilisateur en commandes envoyées au système robotique.
6.3.1 Design de l'Interface graphique "Quelle cible fixée, et à partir de quel point dans la salle", constitue le concept de base de l'interface graphique. L'utilisateur choisit sa cible et ensuite son point de we à partir la caméra. Le système devrait alors déplacer automatiquement la caméra au point de we désiré
et orienter la caméra pour ainsi fixer la cible.
Pour définir la position de la cible et de la caméra dans la salle, un minimum de deux wes de la salle sont nécessaires. Sur le système, ces wes sont la we de plan qui est la we à
partir du plafond de la salle, ainsi que de la we en élévation qui se traduit comme une we de côté de la salle. Un schéma des wes est ïllustré sur la figure 6.9.
La we de plan permet de situer les objets dans le plan (x et y) tandis que la we d'élévation apporte de l'information sur l'élévation de la cible (z). Par la définition de ces deux points dans l'espace tridimensionnel, l'orientation de la caméra ainsi que la distance "focale virtuelle" peuvent être calculées. L'ensemble de ces informations peut être traduit en paramètres robotiques (61, Lv , B3, 84 et L~ pour la commande du système.
Figure 6.9 : Vues sur lesquelles est basé l'interface graphique du système.
6.3.2 Schéma robotique sur interface graphique Les sections précédentes ont discuté des mécanismes qui permettaient de recevoir l'information relative au positionnement du système sans toutefois discuter de l' affichage des paramètres reçus. Ä partir des paramètres robotiques lus par la carte d'acquisition, il est possible d'afficher sur écran ordinateur le schéma simplifié du système robotique. Pour ' 7 faciliter l'explication et la compréhension, un exemple en noir et blanc de l'interface est illustré à la figure 6.10. L' affichage des membres du robot et de la caméra se fait à partir des équations cinématiques développées dans la section robotique Comme pour la figure 6.9, l' affichage gaphique se sépare également en deux vues, la we de dessus (plan vertical) et la vue de côté (plan horizontal) du système. Les schémas d'interfaces en couleur sont illustrés à l'annexe D.
Mode enrsenr Li~a~le : so.c _...
V.e de desa.a Paramètres Réels Bfas ARAS o ~ :11.1 i ,~ T 1 tels 1 ° 1 1 :IBIE D " :10.1 1 11,1 0,1 10.1 111.1 I11,1 111.1 3RAf R. '~ ~
v : ll.o CIBLE R 1.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ L. rar. ~ 1 ~1 '.ASIE ~~ :10.1- ~ ~ ~ ~ t ............. .. ! . .. + 1 1 I.a Lo,o- . ll.o is,o ~i::... . ."~..:.;-.:: 1.1- -~ s ! ...~. .. .. . . ~ . ~ . .. .
::{i,W~._'.#~,~ 1 ..1'r'~~rr~s ¿ ~~ y 1 PafamètfeS RéB~S r.8méf8 Iieirie lo.0 1 ~ ' j L...___ ~'~.4.__________~_____~
:.~~ta.l°~~np... 10.0 teta s°_ ., 1 1 1 1.1 11,1 111.1 111.0 Itl,l 11.1-%L. rariJle~ . ~~ 4 ° 1 .... 1 0 0a ~'il.l- . ......... ' tteta 3o rel . Le I.o . ~ .. 10,1 ... '~ IL1 Il.o t 1 :5a.1-~
It ~so.o .il,o .Il.o .Il.o .11.1 m.o 11.0 lo.o Il.a 11.1 sl.. L. 1. ~ 1::..
w~ 3ueil ~ I~o V.e de cité ~"' 11.1 0.0 ~.IS,o sc.o Is,o 101,1 ~c.I~E ' 'fats 4 Ireil ~ :10.1- ,~ Carseam Ta~leaa:
Mé~dre Sa~~lb~etalre~
0 9t ~:I0.0 ~ Peeihon :emire .L. Ireale~ - FF elleeu errseerr I It .?Il.o- __~.......__.__.._.___._.._ W r ~n tr ir~s Pesiltee cille F el~r~~elt~~~
elle et lenitrrs ..v~o.o-~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ r _se e _~n e _ae e .m e .re e e e te e tA e re e ~e e se Figure 6.10 : Schéma noir et blanc de l'interface gaphique.

~ô
6.3.3 Fonctionnement de l'interface graphique: mode curseur On peut séparer l'interface graphique illustrée à la figure 6.10 en deux grandes parties:
paramètres réels du bras et paramètres désirés du bras. Les paramètres~réels (à droite de la figure 6:10) sont ceux qui sont lus directement à partir de la carte d'acquisition et ainsi du système, donnant la position réelle du bras robotique et de la caméra en tout moment. Ä
partir des équations cinématiques directes, ces paramètres réels sont transformés en positions réelles des membrures du manipulateur pour être ensuite afl'lchées sur les wes de côté et de dessus de (interface. L'affichage de la position réelle du manipulateur apparaît en traits pleins (avec cercle) sur le graphique et est affiché indépendamment du mode de fonctionnement du système (mode curseur, mode manette ou déplacement manuel du bras).
Les paramètres désirés du manipulateur apparaissent à gauche de la figure 6.10 tandis que le schéma de la position désirée du système apparaît en traits pointillés sur les wes de dessus et de côté. On remarque également sur la we de dessus de la figure 6.10, des marqueurs numérotés en forme de "+" (1, 2, 3...) qui accompagnent les traits pointillés.
Ces marqueurs représentent la position de la caméra et de la cible.
Pour continuer sur les mêmes concepts de "quelle cible fixée" et "quel point de we à
prendre" par le système, l'interface graphique est conçue pour permettre au système de lire directement la consigne de l'utilisateur à partir des schémas graphiques de l'interface. Les marqueurs permettent non seulement de localiser la caméra et la cible, mais peuvent être déplacés à l'aide du curseur de la souris, et sewent alors de consignes pour le système. Le déplacement des marqueurs sur l'écran engendre automatiquement le calcul et l'affichage des paramètres désirés du système sur l'interface. Le schéma robotique de l'interface suit également le mouvement des marqueurs du système. Contrairement aux paramètres réels, l'affichage graphique et numérique des paramètres désirés se fait à partir des calculs cinématiques inverses.

Par le déplacement d'un marqueur sur le graphique "Vue de dessus", l'utilisateur donne la consigne du point de we à prendre par le système (position de la caméra dans le plan). La position de la cible dans le plan horizontal est également effectuée par le positionnement d'un marqueur sur le graphique "we de dessus" de l'interface. On peut alors nommer ces marqueurs des "marqueurs consignes". La définition de ces deux points dans le plan horizontal à partir des marqueurs consignes donne automatiquement l'azimut désiré de la caméra.
La hauteur de la cible dans la salle est déterminée par le positionnement d'un second marqueur sur le graphique "Vue de côté". Ce; marqueur est représenté par une ligne pleine horizontal sur la we de côté du système. Ce dernier marqueur permet de déterminer automatiquement l'inclinaison de la caméra par rapport au plan horizontal ainsi que la longueur focale virtuelle du système. La définition de ces deux points dans l'espace permet d'obtenir les cinq consignes à prendre par les cinq degrés de liberté du système robotique.
Ces positions désirées des membrures seront alors envoyées au contrôleur qui fera la comparaison avec les valeurs actuelles pour ensuite exécuter le déplacement du système jusqu'à la position désirée.
6.3.4 Fonctionnement de l'interface graphique: mode manuel Puisque la cible est visée virtuellement à partir des affichages de l'interface graphique, il se peut qu'elle ne corresponde pas à l'image voulue sur l'écran vidéo du système de caméras.
D est alors possible de passer en mode manuel du système pour faire un ajustement plus fin des paramètres. Le mode manuel permet alors de faire le déplacement indépendamment de chacun des degrés de liberté du bras robotique. Le contrôle manuel peut se faire à partir d'une manette, (présentement limité à Bl et Lv) ou à partir de boutons sur l'interface gaphique (comme ceux de l'affichage des paramètres réels).

ô0 La sélection du mode de fonctionnement ne figure présentement pas sur le système mais pourrait être ajoutées à la fenêtre "Tableaux supplémentaires" de l'interface illustrée à la figure 6.10.
6.3.5 Mémorisation de points marqueurs Il est possible de mémoriser les points de vue du système ainsi que les cibles à fixer. Lorsque la position et l'orientation désirées de la caméra sont atteintes, il est possible de sauvegarder ces points dans le système. Ces points mémorisés sont représentés par les marqueurs "+"
numérotés sur l'interface graphique (voir figure 6.10) et représentent alors les positions tridimensionnelles de la caméra et de la cible. Plusieurs séries de marqueurs de cible et de points de vue de la caméra peuvent être sauvegardées et peuvent être recombinées entre elles pour obtenir la cible et le point de vue désirés (ex caméra C1 et cible CS ou caméra C2 et cible C3). L'utilisateur, par le biais de boutons sur l'interface (voir fenêtre "Curseurs mémoire" figure 6.10), peut choisir le couple de marqueurs consignes désirés pour être envoyés au contrôleur.
6.3.6 Principe de tïaation de la cible.
Un des concepts développés dans le système est celui de "la fixation de la cible" par le bras robotique et la caméra. Lorsque la cible sur écran vidéo est sauvegardée comme un point dans l'espace virtuel de l'interface, il est alors possible de faire déplacer le bras robotique et la caméra tout en fixant la cible sur écran vidéo. Cette opération s'appelle un changement de point de vue de la caméra sur la cible fixée dans la salle. Par analogie on peut comparer cette opération à un observateur qui fixe les yeux sur une cible tout en se déplaçant autour d'elle. Le changement de point de vue (ou position) de l'observateur n'empêche pas l'observation de la cible. Par cette fonction même, la cible sauvegardée dans l'espace virtuel du système peut être observée à partir des difi:érents points de vue de la caméra sauvegardés dans l'interface. Avec un déplacement du marqueur "point de vue" sans déplacement du marqueur "cible", les paramètres du système sont calculés automatiquement pour fixer la position tridimensionnelle donnée par la cible.
6.4 Partie programmation et logique du système 6.4.1 Mode d'opération point par point Le mode d'opération point par point, fonctionne par l'envoie d'une série de deltas au contrôleur de mouvement du système. Chacun des deltas envoyé correspond au delta déplacement à prendre par chaque degé de liberté du système, soit 5 deltas pour 5 degés de liberté. Pour le bon fonctionnement du système, la convention de signe des deltas est importante: Le contrôleur doit également recevoir l'information relative à la vitesse maximale et à l' accélération pour chaque degé de liberté. L'utilisateur peut choisir la vitesse des mécanismes du système, l'accélération est par contre fixée à la valeur maximale pour augmenter la rapidité de réponse du système. Le diagamme bloc simplifié du mode point par point est illustré à la figure 6.11.
Ä partir du progamme de l'interface graphique, les informations sont acheminés vers le progamme qui fait le calcul anticipatif des profils de vitesse et de position.
La vitesse maximale correspond à la vitesse du plateau du profil tandis que l'accélération donne la pente de début et de fin de profil. Ce calcul est répété pour chaque degé de liberté
du système.
Les profils résultants sont ensuite envoyés au contrôleur. Le contrôleur (partie anticipative) convertit les profils de vitesse en commandes anticipatives LP(t) qui seront acheminées vers les amplificateurs par le biais de l'unité de corrvnande (boîtier d'alimentation). Le contrôleur PD compare alors les signaux de feedback provenant de l'unité de commande pour en faire les corrections nécessaires ¿I(t). La somme des deux composantes de contrôle U(t) est alors envoyée à l'unité de commande.

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COMPORTEMENTS DU SYST~ME
7.1 Caractéristiques techniques électromécaniques Pour évaluer les caractéristiques de performance du système, plusieurs tests ont été effectués sur chacune des composantes du système. Les résultas des tests ont été classés en deux grandes parties: performances E;lectromécaniques, performances programmation/asservissement et performances de l'interface gaphique. Le tableau 7.1 illustre les caractéristiques techniques des composantes électromécaniques conçues pour le système robotique.
Tableau 7.1 : Caractéristiques électromécaniques Prismatique Rotatif Vitesse maximale 4,57 cnn/s (1.8"/s)9,37/s Acclration 4,57 cm/s2 (1.8"/s~~ 9,37/s2 Course 45 cm (17.75") 360 Temps de course total 45 cm en 9,8 sec 360 en 38.4 s Prcision mcanique (jeu)~ 0.05 cm (0.13") a 1.75 Les vitesses maximales atteintes par les mécanismes sont comparables à celles conçues dans la partie conception. Un inversion d'engrenage à la vis sans fin a par contre permis au mécanisme prismatique de dépasser, en faveur de l'utilisateur, la vitesse conçue (24:32 vs.
32:24). Le temps de course du mécanisme prismatique est respectable, mais celui du mécanisme rotatif pourrait être amélioré par' un rapport d'engenage moins élevé. Les accélérations démontrées sont les accélérations progammées dans le logiciel de calcul des profils de vitesse. L'accélération du mécanisme rotatif est limitée pour empêcher le glissement du mécanisme de désengagement, qui aurait comme effet de réduire d'avantage l'accélération. De plus les accélérations et décélérations limitées des deux mécanismes facilitent la tâche de corrections des boucles d'asservissement des mécanismes.
Les erreurs de position dans la longueur et l'orientation du bras sont dues au jeu dans les réducteurs à engrenage et accouplements. La précision finale est tout de même excellente pour le mécanisme prismatique (~ 0.1 % de La course totale). La précision du mécanisme rotatif (t 0.5 % de la course totale) est acceptable mais est grandement limitée par l'important jeu imprévu du mécanisme de désengagement.
Tableau 7.2 : Résolution du système Prismatique Rotatif Bruit de sortie potentiomtre~5 mV, sur 5 V t5 mV, sur 5 V

Plage de voltage utilisea 4,8 V (9,6 / ~ a 3,34 V (2 /
10 tours) 3 tours) Rsolution carte acquisitionll2 bits 12 bits Rsolution aprs conversion< 10 bits > 9 bits analogique/numrique (4,8 V / 5 mV = (3,34 V / 5 mV =
960) 668) Rsolution thorique a 0,046 cm ~ 0,54 (sur la position) (45 cm/960) (360/668) Prcision totale thoriquet 0.075 cm t 2,27 Prcision obtenue ~ ~_ 0.01 cm ~ ~ 2 La résolution des mécanismes dépend du système des capteurs utilisés pour déterminer leur position. Dans le cas présent, les capteurs étaient de la forme analogique (potentiomètre)

8$
et une conversion numérique par la carte d'acquisition a alors été nécessaire pour traitement.
La résolution totale du système est alors dépendante de la qualité des signaux captés à la sortie des potentiomètres ainsi que de la résolution du système d'acquisition qui fait la lecture et la conversion.
Pour une position fixe de la brosse du potentiomètre et avec une alimentation de 5 volts provenant de la carte d'acquisition, le signal de sortie oscille d'environ t $
mV autour de la valeur réelle. La plage de voltage utilisée traduit le trajet de la brosse sur le potentiomètre.
Le mécanisme prismatique utilise environ 9.6 des 10 tours disponibles du potentiomètre. Il en résulte alors une plage de voltage de 4.8 volts et une résolution théorique de 0.46 mm pour le mécanisme prismatique. Deux des trois tours disponibles pour le mécanisme rotatif sont utilisés pour faire une rotation complète (360°), il en résulte alors une plage de voltage réduite à 3.34 sur les $ volts disponibles. La résolution théorique du mécanisme rotatif est alors de 0. $4 ° . La précision totale du système mécanique a été
estimée à partir de la formule de Koren (1986) suivante:
Précision du mécanisme = 0,5 résolution théorique + précision mécanique Les précisions obtenues par essai donnent des résultats qui se rapprochent de celle estimée pow le mécanisme prismatique et dépasse même les résultats pour le mécanisme rotatif. Les performances plus intéressantes, mais non excellentes, du mécanisme rotatif peuvent s'expliquer par le faible jeu de l'accouplement base fixe-potentiomètre. La lecture de la position de rotation est absolue (très peu de jeu) et permet alors à la boucle d'asservissement de faire des corrections sur la position. De plus, la majorité du jeu du mécanisme de désengagement se produit lors d'un changement de direction à accélération maximale, ce qui n'est pas le cas pour les corrections faites en fin de course par la boucle d'asservissement (plateau vitesse nulle).

7.2 Performances programmation/asservissement La performance du système ne dépend pas seulement de la précision totale des mécanismes, mais dépend également de la performance du logiciel qui le contrôle. Le logiciel, comme expliqué à la section précédente, se sépare en trois programmes majeurs, chacun avec sa propre fiche de performances : programme interface, programme de calcul des profils, programme contrôleur (asservissement). Le tableau 7.3 illustre les caractéristiques du système prismatique rotatif actuel obtenu avec le programme actuel. Ces résultats ont été
calculés à l'aide de LabView, roulant sur un PC Pentium 133 MHz avec 40 Mb de mémoire vive (RAM).
Tableau 7.3 : Caractéristiques associées au logiciel Mise jour de l'interface graphique20 Hz (sans contrleur) Calcul des profils 1000 Hz Contrleur ~ 50 Hz (avec asservissement et acquisition) Temps de convergence vers consigne~ 2 secondes prismatique (durant plateau de fin de profil)~ 3 secondes rotatif La mise à jour de l'interface représente la fréquence avec laquelle le logiciel peut faire le mise à jour de l'image graphique sur l'écran. La fréquence indiquée est valable seulement lorsque le contrôleur n'est pas en fonctionnement c'est-à-dire avant l'envoi de la consigne vers le contrôleur. Ä ce moment la mise à jour est réduite à quelques Hz pour laisser le maximum de priorité pour le calcul de la boucle d'asservissement du contrôleur. Le calcul de profil est ô%
très rapide et ne nuit en aucun cas à la performance totale du système parce qu'il est fait avant le début de la boucle de contrôle. Le contrôleur est la partie la plus critique du logiciel car la précision du système repose sur la précision de la période d'échantillonnage de la boucle d' asservissement. Les profils de vitesse et de positions sont calculés pour une période constante. Toute déviation dans la période Engendre des perturbations majeures dans le processus de contrôle du système. On peut dire que la performance du logiciel dépend directement de la performance de la boucle d' asservissement. Le temps de convergence vers la consigne représente le temps moyen pour atteindre la cible à partir du moment où le profil de vitesse anticipé est à zero (profil de la fin). La valeur obtenue par le mécanisme rotatif est supérieure à la valeur de prismatique en raison du jeu supplémentaire du mécanisme rotatif. Ces valeurs pourraient être améliorées par un ajustement plus fin des gains des contrôleurs ainsi que par une calibration plus précise des facteurs de conversion des système électromécaniques.
7.3 Caractéristiques techniques de (interface graphique La performance de l'interface gaphique est plus difficilement quantifiable et a été évaluée par des essais du système par des utilisateurs. Pour l'évaluation de l'interface, on a demandé
à des utilisateurs de positionner le bras robotique et la caméra dans une position prédéterminée par le schéma de la position désirée de l'interface (figure 6.10 : position désirée en pointillés). Pour positionner le. système robotique, les utilisateurs ont dû
premièrement atteindre la cible par un ajustement individuel de chaque degré
de liberté du système sur l'interface graphique. Par la suite, il a été demandé aux utilisateurs d'atteindre la même cible à partir du système "mode curseur" développé dans le projet. Les résultats ont démontré que le système robotique était 'beaucoup plus performant en "mode curseur"
avec un temps de réponse beaucoup plus court.

CINÉMATIQUE DIRECTE
MÉTHODE DE DENA'VTT HARTENBERG
La convention de Denavit-Hartenberg exprime la transformation dans l'espace d'un référentiel i-1 à un référentiel i à partir des opérations suivantes:
;_;T = Trams= (di) Rotz;_, (B; ) Trams x; (di)Roi~;; (a; ) Ces opérations se résume par la matrice de transformation homogène suivante qui exprime la relation existante entre le référentiel i-1 et lE; référentiel i.
cos9; - cosa;simB; sina;sinB; cos9;
sinB; cosa; cosB; -sina; cos8; sin9;
'-1T 0 sina; cosa; d;

En appliquant les paramètres de Denavit-Hartenberg du chapitre 6 à la matrice de transformation, on obtient les matrices de tr~ansforrnation pour passer d'un référentiel à

l'autre. La matrice suivante donne la relation entre la partie rotative du système et la base fixe du système.
cosBl 0 sinBl -1,~ cosBl sinBl 0 - cosBl - I,~sinBl °T 0 1 0 0 La matrice de transformation qui exprime le référentiel 2 par rapport au référentiel 1, soit l'élongation de la membrure prismatique, s'écrit:

1T 0 -1 0~ I,~ + d2 (t) 0 0 0~ 1 et par rapport au référentiel de base:
cosBl -sinBl 0 ~LZ + d2(t)~,sinB, - L~ cosBl z ~ 2 sinBl cosBl 0 -~LZ + d2(t)~cosBl - LlsinBl oT= oT 1T =

La matrice de transformation qui exprime le référentiel 3 par rapport au référentiel 2, soit l'azimut de la caméra, s'écrit:
cosB3 0 sinB3 0 sinB3 0 - cosB3 0 ZT 0 1 0 - I~

et par rapport au référentiel de base:
cBlcB3 - sBlsB3 0 cBlsf3 + sBlcB3 ~L2 + d2 (t)~sBl - LlcB1 3 2 3 SB1CB3 + CB1SB3 0 SB1S63 - CB1CB3 -[L2 + d2(t)JCBl - L1s81 oT- oT 2T -0 1 0 -L~

La matrice de transformation qui exprime le référentiel 4 par rapport au référentiel 3, soit l' inclinaison horizontal de la caméra, s' écrit:
cos94 0 sinB4 0 sinB4 0 cosB4 0 3T =

et par rapport au référentiel de base:
(CelCeg - SelSe3)C84 CBlSg3 + SBlC:e3 (CB1CB3 - SBlSe3)SB4 (L1 + d2(1))Sel -I~C81 4 3 4 (SelCe3 + CB1S83)Ce4 SelSB3 - CBl(:e3 (SB1C83 + CB1SB3)Ce4 -(L2 +
d2(t))CBl - L~SBI
oT= oT sT =
SB4 0 -Cg4 -La matrice de transformation qui exprime le référentiel 5 par rapport au référentiel 4, soit la longueur focale virtuelle de la caméra, s'écrit:

4T 0 0 1 d5(t) L'ensemble des opérations de transformations s'écrit alors:
ôT = ôT' ;T' ZT 3T 4T
et donne la matrice de transformation exprimant la position tridimensionnelle de la cible par rapport à la base du système, soit le référentiel 0.
sinB4 0 cosB4 0 log La matrice s' écrit alors:
(cB,c9, - sB,sB3)c94 cB,s6, + s9,cB, (cB,cB, - s9,sB,)s9, (cB,cB, -sB,sB,)s94ds + (L2+ d2)sB, - LIcB, ~- (sB,cB3 - cB,sB,)cB4 sB,sB, + cB,cB, (sB,cB3 - cB,s6,)sB4 (s9,cB, -cB,sB,)sB4ds - (L2+ d2)cB, - LIsB, s94 0 -ci94 -c94ds - L3 b ô~

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ss DISCUSSION/C'ONCLUSION
Le but de ce projet de recherche est de développer un système de caméra d'observation robotisé permettant d'observer à distance les activités d'une salle d'opération. Le système développé permet, par l'intermédiaire d'une interface usager convivial, de déplacer la caméra sur un plan situé au-dessus du site opératoire et d'orienter la caméra pour observer un endroit d'intérêt.
Le bras robotique est encore en phase de développement et il n'est donc pas présentement installé dans la salle d'opération "N" du campus Notre-Dame. Toutefois, les essais préliminaires qui ont été réalisés sont très satisf~ûsants et démontrent que le système possède un attrait important auprès des utilisateurs. Très bientôt, le prototype sera monté dans la salle "N" avec le système de caméras Panasonic contrôlable par boîtier de commande Panasonic. Pour des raisons de sécurité, le bras robotique sera initialement installé dans un endroit de la salle où il n'y aura pas d'interférences possibles aveç les lampes opératoires ou l'équipe chirurgicale. Le système sera opéré à partir de la salle d'observation attenante à la salle d'opération.
Comme on l' a montré au cours de ce travail, on ne peut s' attendre à ce que le bras robotique et la caméra qui y est fixée soient utilisés seuls pour l'observation du site opératoire et des activités de la salle simultanément. Le système; robotique doit être considéré
comme partie intégrante d'un système plus global regroupant un ensemble d'autres caméras situées dans une salle d'opération. Dans cette perspective, on peut envisager qu'une caméra située dans le coin de la salle puisse donner une information aux utilisateurs sur la position actuelle du bras robotique par exemple. Pour l'instant les caméras (qui sont commandées par le système Panasonic) ne possèdent pas d'interface de communication permettant une liaison avec un ordinateur externe. Cependant en attendant qu'un nouveau modèle permette cette liaison, les outils robotiques et informatiques sont déjà disponibles.
Une étude de marché a permis de conclure qu'il n'existe présentement aucun système permettant de faire l'observation à distance du site opératoire. L'étude a par contre permis de faire une revue des outils périphériques associés à la télémédecine et d'explorer les moyens disponibles pour l'accomplissement des tâches associées à la téléprésence. Le système développé, bien qu'il soit encore à sa phase prototype, présente un potentiel intéressant pour la télémédecine dont l' apport est de plus en plus significatif dans le domaine de la santé. Le prototype représente alors u:n outil permettant d'évaluer l'e~cacité d'un système d'observation à distance robotisé et adapté pour utilisation en salle d'opération. Il permettra également de développer et de tester les outils qui pourront se rattacher au système global. La poursuite des travaux devrait inclure le raffinement de l'interface graphique, l'amélioration du système robotique et de ses contrôleurs et l'intégration des protocoles de communication permettant au système de communiquer avec d' autres campus ou centres hospitaliers lorsque le besoin s'en fera sentir.