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Design and validation of a system for controlling a robot for 3D ultrasound scanning of the lower limbs

Zhao, Longfei (2015). Design and validation of a system for controlling a robot for 3D ultrasound scanning of the lower limbs. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Peripheral arterial disease (PAD) is a common circulatory problem featured by arterial narrowing or stenosis, usually in the lower limbs (i.e. legs). Without sufficient blood supply, in the case of PAD, the patient may suffer from intermittent claudication, or even require an amputation. Due to the PAD’s high prevalence yet low public awareness in the early stages, its diagnosis becomes very important.

Among the most common medical imaging technologies in PAD diagnosis, the ultrasound probe has the advantages of lower cost and non-radiation. Traditional ultrasound scanning is conducted by sonographers and it causes musculoskeletal disorders in the operators. In addition, the data obtained from the manual operation are unable for the three-dimensional reconstruction of the artery needed for further study.

Medical ultrasound robots release sonographers from routine lifting strain and provide accurate data for three-dimensional reconstruction. However, most existing medical ultrasound robots are designed for other purposes, and are unsuited to PAD diagnosis in the lower limbs.

In this study, we present a novel medical ultrasound robot designed for PAD diagnosis in the lower limbs. The robot platform and the system setup are illustrated. Its forward and inverse kinematic models are solved by decomposing a complex parallel robot into several simple assemblies. Singularity issues and workspace are also discussed.

Robots need to meet certain accuracy requirements to perform dedicated tasks. Our robot is calibrated by direct measurement with a laser tracker. The calibration method used is easy to implement without requiring knowledge of advanced calibration or heavy computation. The calibration result shows that, as an early prototype, the robot has noticeable errors in manufacturing and assembling. The implemented calibration method greatly improves the robot's accuracy.

A force control design is essential when the robot needs to interact with an object/environment. Variable admittance controllers are implemented to adapt the variable stiffness encountered in human-robot interaction. An intuitive implementation of the passivity theory is proposed to ensure that the admittance model possesses a passivity property. Finally, experiments involving human interaction demonstrate the effectiveness of the proposed control design.

Titre traduit

Conception et validation d'un système de commande d'un robot d'échographie 3D destiné au balayage des membres inférieurs

Résumé traduit

La maladie artérielle périphérique (MAP) est un problème circulatoire commun qui se manifeste habituellement par un rétrécissement artériel dans les membres inférieures. Sans approvisionnement sanguin suffisant, le patient peut souffrir de la claudication intermittente et peut même subir une amputation. Plusieurs personnes atteintes de la MAP ne le réalisent pas au premier stade. Par conséquent, le diagnostic devient très important.

Parmi les techniques d'imagerie médicale les plus courantes pour le diagnostic de la MAP, on retrouve l’échographie qui est une approche peu dispendieuse qui ne fait intervenir aucun rayonnement nocif pour la santé. Par contre, les radiologues et les techniciens qui utilisent régulièrement les échographes peuvent développer des troubles musculo-squelettiques à cause des mouvements qui doivent être appliqués à la sonde échographique. Qui plus est, les données obtenues à partir d’une échographie manuelle ne sont pas suffisantes pour reconstruire une image tridimensionnelle de l'artère, ce qui est nécessaire pour un diagnostic approfondi.

Les robots médicaux dédiés à l’automatisation de la prise d’échographies permettent de libérer le radiologue en plus de fournir des données précises pour la reconstruction d’une image tridimensionnelle de l’artère. Cependant, la plupart des robots d'échographie médicale existants ne sont pas adaptés au diagnostic de la MAP des membres inférieurs puisqu’ils sont conçus à d'autres fins.

Dans cette étude, nous présentons un robot d’échographie médical conçu spécifiquement pour le diagnostic de la MAP des membres inférieurs. La plate-forme robotique est d'abord présentée en détail. Les modèles cinématiques (directe et inverse) sont résolus grâce à la décomposition du robot parallèle en plusieurs sous-mécanismes simples. Les singularités et l’espace de travail sont également discutés.

Pour assurer la précision du système, le robot proposé est étalonné par des mesures directes des coordonnées de la sonde en utilisant un laser de poursuite. La méthode d'étalonnage utilisé est facile à mettre en oeuvre sans nécessiter une connaissance avancée de l'étalonnage ni de calculs laborieux. Les résultats de cet étalonnage montrent que certaines erreurs sont occasionnées par la fabrication et l'assemblage de ce prototype. Néanmoins, l'étalonnage réalisé permet une amélioration significative de la précision du robot.

Un système de commande par admittance est ensuite proposé pour adapter la rigidité variable rencontrée lors de l’interaction humain-robot. Une utilisation intuitive de la théorie de la passivité est proposée pour garantir que le modèle d'admittance demeure toujours passif malgré les variations des paramètres de masse et d’amortissement. Enfin, des analyses expérimentales impliquant une interaction avec un humain démontrent l'efficacité du système de commande proposé.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 113-128.
Mots-clés libres: Échographie Automatisation. Membres inférieurs Échographie. Artères Obstruction Diagnostic. Imagerie tridimensionnelle. Robots Systèmes de commande Conception et construction. Robots Étalonnage. Commande passive. Robotique en médecine. artériel, maladie, périphérique, robot médical, robot parallèle, diagnostic par échographie, contrôle d’admittance, théorie de la passivité
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bigras, Pascal
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bonev, Ilian
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 11 nov. 2015 16:58
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:06
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1555

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