Contribution à la Chirurgie Minimalement Invasive : Conception d'un ...

Numéro d'ordre : 03 ISAL 0064 

Année 2003 

THESE 

présentée 

DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON 

pour obtenir 

LE GRADE DE DOCTEUR 

ECOLE DOCTORALE : 

SPECIALITE : 

ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE ET AUTOMATIQUE 

AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE 

par 

Guillaume THOMANN 

CONTRIBUTION A LA CHIRURGIE MINIMALEMENT 

INVASIVE : CONCEPTION D'UN COLOSCOPE 

INTELLIGENT 

Soutenue le 27 Novembre 2003 devant la commission d'examen 

Jury : 

Maurice BETEMPS Professeur LAI – INSA de Lyon Directeur 

Alain BOURJAULT Professeur LAB –ENSMM – Besançon Rapporteur 

Etienne DOMBRE Directeur de Recherche CNRS LIRMM – Montpellier Examinateur 

Jean-Paul LALLEMAND Professeur LMS – Université de Poitiers Rapporteur 

Thierry PONCHON Professeur, gastro-entérologue Hôpital Edouard Herriot - Lyon Examinateur 

Tanneguy REDARCE Professeur LAI – INSA de Lyon Directeur 

Alain JUTARD Professeur Emérite LAI – INSA de Lyon Invité

MAI 2003 

Directeur : STORCK A. 

Professeurs : 

AUDISIO S. 

BABOT D. 

BABOUX J.C. 

BALLAND B. 

BAPTISTE P. 

BARBIER D. 

BASTIDE J.P. 

BAYADA G. 

BENADDA B. 

BETEMPS M. 

BIENNIER F. 

BLANCHARD J.M. 

BOISSON C. 

BOIVIN M. (Prof. émérite) 

BOTTA H. 

BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) 

BOULAYE G. (Prof. émérite) 

BOYER J.C. 

BRAU J. 

BREMOND G. 

BRISSAUD M. 

BRUNET M. 

BRUNIE L. 

BUREAU J.C. 

CAVAILLE J.Y. 

CHANTE J.P. 

CHOCAT B. 

COMBESCURE A. 

COUSIN M. 

DAUMAS F. (Mme) 

DOUTHEAU A. 

DUFOUR R. 

DUPUY J.C. 

EMPTOZ H. 

ESNOUF C. 

EYRAUD L. (Prof. émérite) 

FANTOZZI G. 

FAVREL J. 

FAYARD J.M. 

FAYET M. 

FERRARIS-BESSO G. 

FLAMAND L. 

FLORY A. 

FOUGERES R. 

FOUQUET F. 

FRECON L. 

GERARD J.F. 

GERMAIN P. 

GIMENEZ G. 

GOBIN P.F. (Prof. émérite) 

GONNARD P. 

GONTRAND M. 

GOUTTE R. (Prof. émérite) 

GOUJON L. 

GOURDON R. 

GRANGE G. 

GUENIN G. 

GUICHARDANT M. 

GUILLOT G. 

GUINET A. 

GUYADER J.L. 

GUYOMAR D. 

HEIBIG A. 

JACQUET-RICHARDET G. 

JAYET Y. 

JOLION J.M. 

JULLIEN J.F. 

JUTARD A. (Prof. émérite) 

KASTNER R. 

KOULOUMDJIAN J. 

LAGARDE M. 

LALANNE M. (Prof. émérite) 

LALLEMAND A. 

LALLEMAND M. (Mme) 

LAUGIER A. 

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON 

PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE 

CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENTS IONISANTS 

GEMPPM*** 

PHYSIQUE DE LA MATIERE 

PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS 


LAEPSI**** 

MECANIQUE DES CONTACTS 

LAEPSI**** 



LAEPSI**** 

VIBRATIONS-ACOUSTIQUE 

MECANIQUE DES SOLIDES 

UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain 

UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain 

INFORMATIQUE 


CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtiment 


GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE 


INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATION 

CEGELY* 

GEMPPM*** 

CEGELY*- Composants de puissance et applications 

UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine 


UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures 

CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et Thermique 

CHIMIE ORGANIQUE 

MECANIQUE DES STRUCTURES 


RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION 

GEMPPM*** 


GEMPPM*** 


BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS 




INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONS 

GEMPPM*** 

GEMPPM*** 

REGROUPEMENT DES ENSEIGNANTS CHERCHEURS ISOLES 

INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES 

LAEPSI**** 

CREATIS** 

GEMPPM*** 



CREATIS** 

GEMPPM*** 

LAEPSI****. 


GEMPPM*** 

BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE 





MATHEMATIQUE APPLIQUEES DE LYON 


GEMPPM*** 

RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION 



UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Géotechnique 




CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique 

CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique 

PHYSIQUE DE LA MATIERE

LAUGIER C. 

LAURINI R. 

LEJEUNE P. 

LUBRECHT A. 

MASSARD N. 

MAZILLE H. 

MERLE P. 

MERLIN J. 

MIGNOTTE A. (Mle) 

MILLET J.P. 

MIRAMOND M. 

MOREL R. 

MOSZKOWICZ P. 

NARDON P. (Prof. émérite) 

NIEL E. 

NORTIER P. 

ODET C. 

OTTERBEIN M. (Prof. émérite) 

PARIZET E. 

PASCAULT J.P. 

PAVIC G. 

PELLETIER J.M. 

PERA J. 

PERRIAT P. 

PERRIN J. 

PINARD P. (Prof. émérite) 

PINON J.M. 

PONCET A. 

POUSIN J. 

PREVOT P. 

PROST R. 

RAYNAUD M. 

REDARCE H. 

RETIF J-M. 

REYNOUARD J.M. 

RIGAL J.F. 

RIEUTORD E. (Prof. émérite) 

ROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. émérite) 

ROUBY D. 

ROUX J.J. 

RUBEL P. 

SACADURA J.F. 

SAUTEREAU H. 

SCAVARDA S. 

SOUIFI A. 

SOUROUILLE J.L. 

THOMASSET D. 

THUDEROZ C. 

UBEDA S. 

VELEX P. 

VIGIER G. 

VINCENT A. 

VRAY D. 

VUILLERMOZ P.L. (Prof. émérite) 

Directeurs de recherche C.N.R.S. : 

BAIETTO-CARNEIRO M-C. (Mme) 

BERTHIER Y. 

CONDEMINE G. 

COTTE-PATAT N. (Mme) 

ESCUDIE D. (Mme) 

FRANCIOSI P. 

MANDRAND M.A. (Mme) 

POUSIN G. 

ROCHE A. 

SEGUELA A. 

Directeurs de recherche I.N.R.A. : 

FEBVAY G. 

GRENIER S. 

RAHBE Y. 

Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. : 

PRIGENT A.F. (Mme) 

MAGNIN I. (Mme) 


INFORMATIQUE EN IMAGE ET SYSTEMES D’INFORMATION 

UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE 


INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE 


GEMPPM*** 

GEMPPM*** 

INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 


UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine 

MECANIQUE DES FLUIDES ET D’ACOUSTIQUES 

LAEPSI**** 



DREP 

CREATIS** 

LAEPSI**** 




GEMPPM*** 

UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Matériaux 

GEMPPM*** 





MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE 


CREATIS** 

CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux 


CEGELY* 



MECANIQUE DES FLUIDES 

GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES 

GEMPPM*** 

CENTRE DE THERMIQUE DE LYON – Thermique de l’Habitat 


CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matériaux 




INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 


ESCHIL – Equipe Sciences Humaines de l’Insa de Lyon 

CENTRE D’INNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICES 


GEMPPM*** 

GEMPPM*** 

CREATIS** 


MECANIQUE DES CONTACTS ET DES SOLIDES 




CENTRE DE THERMIQUE DE LYON 

GEMPPM*** 


BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE 


GEMPPM*** 




BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE 

CREATIS** 

* CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON 

** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D’APPLICATIONS EN TRAITEMENT DE L’IMAGE ET DU SIGNAL 

***GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX 

****LAEPSI LABORATOIRE D’ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS

INSA DE LYON 

DEPARTEMENT DES ETUDES DOCTORALES 

MARS 03 

Ecoles Doctorales et Diplômes d’Etudes Approfondies 

habilités pour la période 1999-2003 

ECOLES DOCTORALES 

n° code national 

RESPONSABLE 

PRINCIPAL 

CORRESPONDANT 

INSA 

DEA INSA 

n° code national 

RESPONSABLE 

DEA INSA 

CHIMIE DE LYON 

(Chimie, Procédés, Environnement) 

EDA206 

M. D. SINOU 

UCBL1 

04.72.44.62.63 

Sec 04.72.44.62.64 

Fax 04.72.44.81.60 

M. R. GOURDON 

87.53 

Sec 84.30 

Fax 87.17 

Chimie Inorganique 

910643 

Sciences et Stratégies Analytiques 

910634 

Sciences et Techniques du Déchet 

910675 

M. R. GOURDON 

Tél 87.53 Fax 87.17 

ECONOMIE, ESPACE ET 

MODELISATION DES 

COMPORTEMENTS 

(E 2 MC) 

M.A. BONNAFOUS 

LYON 2 

04.72.72.64.38 

Sec 04.72.72.64.03 

Fax 04.72.72.64.48 

Mme M. ZIMMERMANN 

60.91 

Fax 87.96 

Villes et Sociétés 

911218 

Dimensions Cognitives et Modélisation 

992678 

Mme M. ZIMMERMANN 

Tél 60.91 Fax 87.96 

M. L. FRECON 

Tél 82.39 Fax 85.18 

EDA417 

ELECTRONIQUE, 

ELECTROTECHNIQUE, 

AUTOMATIQUE 

(E.E.A.) 

M. D. BARBIER 

INSA DE LYON 

85.47 

Fax 60.82 

Automatique Industrielle 

910676 

Dispositifs de l’Electronique Intégrée 

910696 

M. M. BETEMPS 

Tél 85.59 Fax 85.35 

M. D. BARBIER 

Tél 85.47 Fax 60.82 

EDA160 

Génie Electrique de Lyon 

910065 

M. J.P. CHANTE 

Tél 87.26 Fax 85.30 

EVOLUTION, ECOSYSTEME, 

MICROBIOLOGIE , MODELISATION 

(E2M2) 

EDA403 

M. J.P FLANDROIS 

UCBL1 

04.78.86.31.50 

Sec 04.78.86.31.52 

Fax 04.78.86.31.49 

M. S. GRENIER 

79.88 

Fax 85.34 

Images et Systèmes 

992254 

Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques 

910509 

Mme I. MAGNIN 

Tél 85.63 Fax 85.26 

M. S. GRENIER 

Tél 79.88 Fax 85.34 

INFORMATIQUE ET INFORMATION 

POUR LA SOCIETE 

(EDIIS) 

M. J.M. JOLION 

INSA DE LYON 

87.59 

Fax 80.97 

Documents Multimédia, Images et Systèmes 

d’Information Communicants 

992774 

Extraction des Connaissances à partir des Données 

992099 

M. A. FLORY 

Tél 84.66 Fax 85.97 

M. J.F. BOULICAUT 

Tél 89.05 Fax 87.13 

EDA 407 

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- 

SANTE 

(EDISS) 

EDA205 

M. A.J. COZZONE 

UCBL1 

04.72.72.26.72 

Sec 04.72.72.26.75 

Fax 04.72.72.26.01 

M. M. LAGARDE 

82.40 

Fax 85.24 

Informatique et Systèmes Coopératifs pour l’Entreprise 

950131 

Biochimie 

930032 

M. A. GUINET 

Tél 85.94 Fax 85.38 

M. M. LAGARDE 

Tél 82.40 Fax 85.24 

MATERIAUX DE LYON 

UNIVERSITE LYON 1 

EDA 034 

M. J. JOSEPH 

ECL 

04.72.18.62.44 

Sec 04.72.18.62.51 

Fax 04.72.18.60.90 

M. J.M. PELLETIER 

83.18 

Fax 85.28 

Génie des Matériaux : Microstructure, Comportement 

Mécanique, Durabilité 

910527 

Matériaux Polymères et Composites 

910607 

____________________________________________ 

Matière Condensée, Surfaces et Interfaces 

910577 

M. J.M.PELLETIER 

Tél 83.18 Fax 85.28 

M. H. SAUTEREAU 

Tél 81.78 Fax 85.27 

M. G. GUILLOT 

Tél 81.61 Fax 85.31 

MATHEMATIQUES ET 

INFORMATIQUE FONDAMENTALE 

(Math IF) 

M. F. WAGNER 

UCBL1 

04.72.43.27.86 

Fax 04.72.43.00.35 

M. J. POUSIN 

88.36 

Fax 85.29 

Analyse Numérique, Equations aux dérivées partielles 

et Calcul Scientifique 

910281 

M. G. BAYADA 

Tél 83.12 Fax 85.29 

EDA 409 

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE 

CIVIL, ACOUSTIQUE 

(MEGA) 

EDA162 

M. J. BATAILLE 

ECL 

04.72.18.61.56 

Sec 04.72.18.61.60 

Fax 04.78.64.71.45 

M. G.DALMAZ 

83.03 

Fax 04.72.89.09.80 

Acoustique 

Génie Civil 

Génie Mécanique 

910016 

992610 

992111 

Thermique et Energétique 

910018 

M. J.L. GUYADER 

Tél 80.80 Fax 87.12 

M. J.J.ROUX 

Tél 84.60 Fax 85.22 

M. G. DALMAZ 

Tél 83.03 

Fax 04.78.89.09.80 

M. J. F. SACADURA 

Tél 81.53 Fax 88.11 

En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l’INSA est établissement principal

Remerciements 

Je souhaite adresser mes plus sincères remerciements à Monsieur Tanneguy Redarce, Directeur 

du Laboratoire, et Monsieur Maurice Bétemps, Professeurs au Laboratoire d'Automatique Industrielle 

de l'INSA de Lyon, de m'avoir fait confiance et de m'avoir dirigé pendant cette thèse. J'ai toujours 

apprécié leur disponibilité et leur générosité. Nos nombreuses et enrichissantes discussions m'ont 

permis de mener à bien ce travail et d'élargir mon champ de vision dans beaucoup de domaines. 

L'ambiance très agréable et motivante qu'ils instaurent au sein de l'équipe est très bénéfique et mérite 

également d'être mise en avant. 

J'adresse mes remerciements à Monsieur Etienne Dombre, Directeur de Recherche CNRS au 

LIRM de Montpellier, de m'avoir fait l'honneur de présider mon jury de thèse. Je tiens à remercier 

Monsieur Alain Bourjault, Professeur au Laboratoire d'Automatique de Besançon, et Monsieur Jean- 

Paul Lallemand, Professeur au Laboratoire de Mécanique des Solides à l'Université de Poitiers, pour 

avoir accepté d'être rapporteurs du présent mémoire et pour leur participation au jury. Leurs remarques 

et questions pertinentes m'ont été très précieuses 

J'adresse mes remerciements particuliers à Monsieur le Professeur Thierry Ponchon, Professeur 

à la Faculté de Médecine, Lyon1, et gastro-entérologue à l'Hôpital Edouard Herriot de Lyon, pour ses 

précieux conseils et pour sa disponibilité; nos discussions ont fourni à ce travail son originalité. Je le 

remercie également pour sa participation à mon jury. 

Je remercie également Monsieur Alain Jutard, Professeur Emérite au Laboratoire d'Automatique 

Industrielle de l'INSA de Lyon, d'avoir accepté l'invitation à participer à mon jury de thèse. Son regard 

critique et ses riches connaissances ont particulièrement été appréciées lors de la rédaction de mon 

manuscrit. 

J'adresse ma reconnaissance à Monsieur le Professeur Serge Scavarda qui, en tant que Directeur 

du Laboratoire à mon arrivée, m'a permis de m'intégrer très rapidement au sein de l'équipe. 

Un grand merci à Christine Prelle et Frédéric Lamarque pour le travail effectué en partie à 

l'Université Technologique de Compiègne, et en partie avec nous, au laboratoire. Merci également à 

Xuefang et Gérard Thomas pour l'aide essentielle apportée. 

Merci à Gang d'avoir apporter sa contribution au travail de coloscopie. Il a apporter un regard 

nouveau sur le sujet ,et je lui souhaite beaucoup de réussite dans la suite de sa thèse. 

Je tiens à remercier spécialement Patrick et Christophe pour l'aide technique qu'ils m'ont 

apportée, chacun dans leur domaine respectif (électrique, photographique, mécanique, …). Leur sens 

du professionnalisme et leur bonne humeur m'ont particulièrement touché. Je me dois de remercier 

sincèrement Monique, Margarita et Maguy pour leur soutien logistique, mais surtout pour leurs 

sourires perpétuels. 

Un merci tout particulier à mon collègue de bureau de longue date, Ruimark, pour nos échanges 

quotidiens (scientifiques et autres) et pour son soutient permanent. Les moments passés ensembles 

resteront inoubliables. 

Merci aussi à tous ceux qui ont partagé mes moments de doute, mais aussi de satisfaction 

professionnelle (Morten, André, Fred, Niémet, et les autres). 

Je n'oublie évidemment pas mes autres collègues thésards du LAI (Clément, Momo, Oualid, 

Chafik, Nicolas, Laurent F., Olivier et Jérôme) qui m'ont soutenu dans les moments difficiles. 

Merci également à tous les membres du laboratoire que j'ai côtoyés, qui ont eu à me supporter 

(Eric N., Laurent P., Eric B., Mister X, Willy, Sylvie, Jean-Pierre, Daniel, Hakim, Samir, Corinne, 

Luc, Minh Tu … et j'en oublie certainement), et grâce auxquels ces années de recherche se sont 

passées dans la sérénité et la bonne humeur. Les barbecues, les matchs de football et de tennis, et les 

pots occasionnels (ADIL et ILYAD) resteront des souvenirs à jamais intacts. 

Je ne peux oublier Christel, qui partage mes joies et mes peines, et mes amis avec lesquels ces 

trois années ont été autant de moments de bonheur (Karine, Florence et Cécé, Caro, Marcèle et Junior, 

Pierre, Fabrice P., Steph, Romain, Fabrice A, Fabiola…). 

Enfin, je souhaite exprimer mes plus chaleureux remerciements à ceux qui sont là en toutes 

circonstances et qui m'ont encouragé depuis toujours : mes parents, Stéphanie et Caroline, mes grandsparents 

et ma famille.

Sommaire 

Guillaume Thomann 

Thèse en Robotique Chirurgicale / 2003 

Institut National des Sciences Appliquées de Lyon 4

INTRODUCTION................................................................................................................................ 9 

CHAPITRE 1 INTRODUCTION À LA COLOSCOPIE....................................................................12 

1.1 Etat général .........................................................................................................................14 

1.1.1 Situation actuelle......................................................................................................................14 

1.1.2 Et dans le Monde......................................................................................................................15 

1.2 L'examen du côlon ...............................................................................................................17 

1.2.1 Le côlon ...................................................................................................................................18 

1.2.2 Le développement du cancer du côlon .......................................................................................18 

1.2.3 Le diagnostic............................................................................................................................19 

1.2.3.1 Le test Hémoccult II ® ...........................................................................................................19 

1.2.3.2 Le toucher rectal ..................................................................................................................20 

1.2.3.3 L'examen radiologique (ou lavement baryté).........................................................................20 

1.2.3.4 La coloscopie virtuelle .........................................................................................................21 

1.2.3.5 L'utilisation de la capsule endoscopique................................................................................21 

1.2.3.6 La sigmoïdoscopie ...............................................................................................................22 

1.2.3.7 La coloscopie.......................................................................................................................22 

1.2.3.8 Conclusion...........................................................................................................................22 

1.2.4 La thérapie ...............................................................................................................................23 

1.2.4.1 L’appareillage......................................................................................................................23 

1.2.4.2 La préparation......................................................................................................................27 

1.2.4.3 L'examen .............................................................................................................................27 

1.2.5 Problèmes rencontrés lors de l'opération....................................................................................28 

1.2.5.1 L'anesthésie .........................................................................................................................28 

1.2.5.2 La douleur ...........................................................................................................................29 

1.2.5.3 La perforation ......................................................................................................................31 

1.2.5.4 La stérilisation .....................................................................................................................32 

1.2.5.5 Le coût ................................................................................................................................32 

1.2.6 Incommodités et idées d'amélioration........................................................................................33 

1.3 Cahier des charges...............................................................................................................34 

1.4 Plan de la thèse....................................................................................................................35 

PARTIE 2 ETAT DE L'ART - L'ENDOSCOPIE INDUSTRIELLE, LA ROBOTIQUE 

CHIRURGICALE, LA COLOSCOPIE..............................................................................................38 

2 ETAT DE L'ART...........................................................................................................................40 

2.1 Introduction........................................................................................................................40 

2.2 L'endoscopie industrielle ....................................................................................................41 

2.2.1 La partie locomotion autonome.................................................................................................42 

2.2.2. La tête pliable de l'endoscope ...................................................................................................46 

2.2.3 Conclusion...............................................................................................................................51 

2.3 La robotique chirurgicale ...................................................................................................51 

2.3.1 Introduction .............................................................................................................................51 

2.3.2 Chirurgie Minimalement Invasive.............................................................................................52 

2.3.3 Chirurgie Assistée par Ordinateur.............................................................................................53 




2.3.4 Validation médicale .................................................................................................................54 

2.3.5 Conclusion...............................................................................................................................55 

2.4 L’endoscopie médicale et la coloscopie...............................................................................55 

2.4.1 L'endoscopie médicale..............................................................................................................56 

2.4.2 La coloscopie...........................................................................................................................57 

2.4.2.1 La partie locomotion autonome.............................................................................................57 

2.4.2.2 La tête flexible de l'endoscope..............................................................................................61 

2.4.3 Conclusion...............................................................................................................................68 

2.5 Conclusion .........................................................................................................................68 

PARTIE 3 CONCEPTION DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ ...............................................72 

3 CONCEPTION DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ ...........................................................................74 

3.1 Introduction........................................................................................................................74 

3.2 Problématique ....................................................................................................................74 

3.2.1 Brefs Rappels .....................................................................................................................74 

3.2.2 Idées générales pour la conception de la maquette de faisabilité.........................................75 

3.3 Conception d'une maquette de faisabilité ............................................................................77 

3.3.1 Aspect applicatif.................................................................................................................77 

3.3.1.1 Etudes de diverses solutions .....................................................................................................77 

3.3.1.2 Choix d'une solution.................................................................................................................80 

3.3.2 Conception de l'EDORA......................................................................................................81 

3.3.2.1 Les soufflets métalliques ..........................................................................................................81 

3.3.2.2 Montage de l' EDORA..............................................................................................................82 

La plate-forme inférieure ...................................................................................................................83 

La plate-forme intermédiaire..............................................................................................................84 

La plate-forme supérieure ..................................................................................................................85 

3.3.3 Les capteurs de distance .....................................................................................................87 

3.3.3.1 Introduction .............................................................................................................................87 

3.3.3.2 Les dispositifs à ultrasons.........................................................................................................88 

3.3.3.3 Les fibres optiques ...................................................................................................................88 

3.3.3.4 Les dispositifs à effet Hall........................................................................................................89 

3.3.3.5 Choix du capteur de distance et installation...............................................................................90 

3.3.4 Implantation générale de la maquette de faisabilité.............................................................92 

3.3.5 Ergonomie du poste de travail ............................................................................................95 

3.4 Conclusion .........................................................................................................................99 

CHAPITRE 4 MODÉLISATION ET IDENTIFICATION DE L'EDORA ET DE LA MAQUETTE 

DE FAISABILITÉ ............................................................................................................................102 

4 MODÉLISATION ET IDENTIFICATION DE L'EDORA ET DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ ..............104 

4.1. Introduction......................................................................................................................104 

4.2. Modélisation statique de l'EDORA....................................................................................104 

4.2.1. Capteurs à effet Hall .....................................................................................................110 

4.2.2. Capteurs de pression.....................................................................................................113 

4.3. Modèle dynamique de la maquette de faisabilité................................................................113 

4.3.1. Introduction ..................................................................................................................113 




Evaluation de l'amortissement de l'EDORA-01................................................................................. 114 

Evaluation de la raideur en flexion de l'EDORA-01.......................................................................... 115 

4.3.2. Partie pneumatique .......................................................................................................117 

4.3.3. Partie mécanique ..........................................................................................................120 

4.3.4. Modèle dynamique ........................................................................................................120 

4.4. Validation du modèle........................................................................................................124 

4.5. Conclusion .......................................................................................................................127 

PARTIE 5 EXPÉRIMENTATIONS ET RÉSULTATS ....................................................................130 

5 EXPÉRIMENTATIONS ET RÉSULTATS ..........................................................................................132 

5.1. Introduction......................................................................................................................132 

5.2. Réponse à un échelon de position......................................................................................132 

5.3. Réponse de l'EDORA-01 à un mouvement aléatoire...........................................................137 

5.4. Adaptation à la progression dans un tuyau : intégration des fibres optiques......................141 

5.5. Exploration dans un tuyau ................................................................................................145 

5.6. Conclusion .......................................................................................................................149 

CONCLUSION ET PERSPECTIVES : DE LA MAQUETTE AU PROTOTYPE...........................152 

BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................158 

BIBLIOGRAPHIE PERSONNELLE ...............................................................................................171 

ANNEXE 1 FONCTION DE L'ENDOSCOPE, TERMINOLOGIE ET CARACTÉRISTIQUES...173 

ANNEXE 2 COMPLÉMENT SUR LES AUTRES APPLICATIONS DE LA ROBOTIQUE 

CHIRURGICALE.............................................................................................................................178 

ANNEXE 3 CHOIX DU TYPE DE SOUFFLETS ...........................................................................188 

ANNEXE 4 DÉMONSTRATION DU MODÈLE GÉOMÉTRIQUE LIANT LES LONGUEURS DES 

SOUFFLETS AUX GRANDEURS θ 

1I 

, θ 

1II 

ET H 1 , POUR LE PREMIER ÉTAGE DE 

L'EDORA…......................................................................................................................................191 

ANNEXE 5 DÉMONSTRATION DU MODÈLE MATHÉMATIQUE STATIQUE LIANT LES 

PRESSIONS DANS LES CHAMBRES DÉFORMABLES AUX GRANDEURS θ 

1I 

, θ 

1II 

ET H 1 , 

POUR LE PREMIER ÉTAGE DE L'EDORA .................................................................................196 

LEXIQUE .........................................................................................................................................201 

LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX ..........................................................................................203 

FOLIO ADMINISTRATIF...............................................................................................................208 




Introduction 

Depuis toujours, les technologies évoluent de manière importante et de nouveaux 

domaines de recherche apparaissent, repoussant les limites de la Science. 

Dans le domaine de la Robotique, les premiers robots qui remplaçaient l'homme, 

principalement dans les tâches répétitives et fatiguantes, ont beaucoup évolué. Actuellement, les 

robots sont dotés d'une certaine forme d'intelligence : ils peuvent interagir avec leur 

environnement, prendre des décisions et possèdent même une certaine forme d'indépendance. 

Grâce à cette évolution, les applications de la Robotique s'étendent à de nombreux nouveaux 

domaines, hors du monde industriel. 

Un autre aspect de la Robotique, et non des moindres, consiste à concevoir des robots 

qui n'ont plus pour but de se substituer à l'homme, mais bien d'être complémentaires de 

l'homme, de lui permettre de mieux utiliser son intelligence et ses compétences. Dans cet esprit, 

un des domaines où la Robotique est implantée maintenant de manière significative est le milieu 

médical. De nombreux pays sont concernés par cette évolution, dont les principaux sont entre 

autres les Etats-Unis et le Japon. La France n'est pas en reste puisque le phénomène de 

Robotique Chirurgicale y est en pleine expansion. De plus en plus de laboratoires de recherche, 

en collaboration ou non avec des partenaires industriels, travaillent sur les applications de la 

Robotique dans le milieu médical : le retour d'effort, la vision, le suivi de trajectoire, la télémanipulation, 

la réalité augmentée, les gestes assistés par ordinateur, …. et certainement bien 

d'autres encore. 

L'Equipe Robotique du Laboratoire d'Automatique Industrielle (LAI) de l'INSA de 

Lyon a bien pressenti ce changement et a voulu contribuer à son émergence. Elle s'est donc 

dirigée vers le monde médical. Certains domaines chirurgicaux comme la Neurologie, 

l'Orthopédie ou la Laparoscopie connaissent déjà de nombreuses propositions d'assistance au 

Chirurgien. Par contre, d'autres domaines comme l'endoscopie médicale n'ont pas subi la même 

évolution. Dans une étude préliminaire sur l'état de l'art en matière d'endoscopie médicale, les 

chercheurs du LAI ont noté que les techniques opératoires n'avaient peu ou pas évolué en 

plusieurs dizaines d'années. Evidemment, les évolutions notamment en matière de visualisation, 

ont permis à l'endoscopie médicale d'évoluer à sa manière. D'autres problèmes subsistent, et il 

apparaît un champ d'investigation très prometteur dans ce domaine. C'est donc vers celui-ci que 

le LAI s'est tourné. 




Le nombre de cancers colorectaux est en progression constante dans beaucoup de pays 

et le nombre de coloscopies effectuées par an en France est très important. Des examens 

totalement non-invasifs existent pour le dépistage de masse sur des populations sans risque. 

Mais l'examen de référence reste la coloscopie (inspection du gros intestin par introduction d'un 

endoscope par l'anus), qui est pratiquée aussi bien dans un but diagnostique que thérapeutique. 

Les nombreuses discussions avec des médecins généralistes, des chirurgiens 

spécialistes et des hépato-gastro-entégologues sont significatives de leurs attentes par rapport 

aux outils de coloscopie. Elles nous ont conduits à réfléchir très sérieusement sur le rôle et les 

objectifs du développement d'un nouvel outil plus performant. 

Au dire des spécialistes, les techniques opératoires en coloscopie n'ont pratiquement 

jamais évolué et des améliorations conséquentes sont envisageables, non pas dans le domaine de 

la visualisation, mais en ce qui concerne les techniques de progression et d'inclinaison de 

l'extrémité distale de l'outil. 

Lors de la progression du coloscope dans le côlon, des spécialistes se préoccupent 

essentiellement de l'absence de contacts avec les parois intestinales. Malheureusement, 

l'expérience du praticien est un facteur important de la réussite de l'acte et les perforations de 

l'intestin en sont de temps à autre les conséquences désastreuses. 

Dans le but de limiter ce genre de complications, nous proposons d'étudier de 

nouvelles techniques de fléchissement de la partie distale du coloscope. Le mémoire que nous 

présentons ici est constitué de deux parties dont la première est une étude détaillée de la 

problématique abordée. 

Le premier chapitre nous plonge dans le monde de la coloscopie. Nous y dressons l'état 

de la situation actuelle en France et dans le reste du monde, surtout d'un point de vue statistique. 

Puis les examens de diagnostic et de thérapie sont détaillés, en précisant leurs avantages et 

inconvénients. La coloscopie étant l'examen de référence tant d'un point de vue diagnostic que 

thérapeutique, l'instrumentation et la technique opératoire seront étudiées. Nous préciserons les 

divers problèmes rencontrés et les idées d'amélioration proposées par les spécialistes et 

terminerons par un cahier des charges définissant nos choix d'amélioration. 

Le second chapitre nous permettra de couvrir un large panorama, de réalisations et 

d’applications, qui peuvent être utiles pour orienter la conception d’un nouveau coloscope. 

Différents aspects seront abordés : nous détaillerons l'état des recherches concernant la 

locomotion autonome puis l'évolution de cette simple locomotion vers des structures pouvant 

progresser dans des tubes non-rectilignes. La Robotique chirurgicale sera ensuite détaillée et 

vue sous différents aspects : principalement la Chirurgie Minimalement Invasive et la Chirurgie 

Assistée par Ordinateur (une partie de l'étude se trouvant en ANNEXE 2). 




Après avoir bien étudié le tissu, les problèmes rencontrés lors de l'intervention, les 

tentatives d'améliorations avancées, de nouvelles pistes peuvent être envisagées. Celles-ci font 

l'objet de la deuxième partie de ce mémoire. 

Dans le troisième chapitre, nous étudierons les possibilités concernant la flexion de 

notre nouvel outil EDORA (Extrémité Distale à ORientation Automatique). C'est ainsi que 

nous nommerons la nouvelle extrémité distale de coloscope, dont le mouvement essentiel sera 

de se fléchir. Une analyse de la source d'énergie utile à ce mouvement sera également 

développée. Nous étudierons ensuite la conception de la maquette de faisabilité, ainsi que 

l'instrumentation nécessaire à son bon fonctionnement tant en mode asservi qu'en mode manuel, 

et terminerons en nous préoccupant de l'ergonomie du poste de travail. 

Le quatrième chapitre traitera de la modélisation et de l'identification de l'EDORA, 

ainsi que de la maquette de faisabilité associée. L'étalonnage des capteurs sera pris en compte 

dans la modélisation dynamique générale de cette maquette. Sa partie pneumatique sera 

modélisée en dynamique, ainsi que sa partie mécanique. La validation expérimentale du modèle 

dynamique général de la maquette de faisabilité clôturera ce chapitre. 

Le dernier chapitre aborde la phase d'essais dans le but de valider la conception et la 

réalisation décrites dans les chapitres précédents. Des essais en boucle fermée de l'EDORA 01, 

munie des capteurs à effet Hall, seront réalisés. Nous pourrons ainsi observer sa réaction à des 

mouvements aléatoires transversaux. Les variations de pression dans les trois chambres 

déformables et les distances mesurées par les capteurs à l'aimant seront observées en détail. En 

intégrant les fibres optiques, nous pourrons observer sa trajectoire dans un tuyau rectiligne. 




Introduction à la Coloscopie 

Chapitre 1 






1 

CHAPITRE 1 INTRODUCTION À LA COLOSCOPIE................................................................................ 12 

1.1 Etat général....................................................................................................................................... 14 

1.1.1 Situation actuelle............................................................................................................................................ 14 

1.1.2 Et dans le Monde ........................................................................................................................................... 15 

1.2 L'examen du côlon............................................................................................................................. 17 

1.2.1 Le côlon ......................................................................................................................................................... 18 

1.2.2 Le développement du cancer du côlon........................................................................................................... 18 

1.2.3 Le diagnostic.................................................................................................................................................. 19 

1.2.3.1 Le test Hémoccult II ® ............................................................................................................................ 19 

1.2.3.2 Le toucher rectal.................................................................................................................................... 20 

1.2.3.3 L'examen radiologique (ou lavement baryté) ........................................................................................ 20 

1.2.3.4 La coloscopie virtuelle .......................................................................................................................... 21 

1.2.3.5 L'utilisation de la capsule endoscopique ............................................................................................... 21 

1.2.3.6 La sigmoïdoscopie ................................................................................................................................ 22 

1.2.3.7 La coloscopie ........................................................................................................................................ 22 

1.2.3.8 Conclusion ............................................................................................................................................ 22 

1.2.4 La thérapie ..................................................................................................................................................... 23 

1.2.4.1 L’appareillage ....................................................................................................................................... 23 

1.2.4.2 La préparation ....................................................................................................................................... 27 

1.2.4.3 L'examen............................................................................................................................................... 27 

1.2.5 Problèmes rencontrés lors de l'opération........................................................................................................ 28 

1.2.5.1 L'anesthésie........................................................................................................................................... 28 

1.2.5.2 La douleur ............................................................................................................................................. 28 

1.2.5.3 La perforation........................................................................................................................................ 31 

1.2.5.4 La stérilisation....................................................................................................................................... 32 

1.2.5.5 Le coût .................................................................................................................................................. 32 

1.2.6 Incommodités et idées d'amélioration............................................................................................................ 33 

1.3 Cahier des charges............................................................................................................................ 34 

1.4 Plan de la thèse ................................................................................................................................. 35 





1.1 Etat général 

1.1.1 Situation actuelle 

En France en 1995, le nombre de nouveaux cas annuels de cancers du côlon et du rectum 

(estimé par le Réseau Français des Registres des Cancers (FRANCIM)) était de 15.298 femmes 

et 18.107 hommes. Depuis 2000, on estime à 37.000 le nombre de nouveaux cancers 

colorectaux diagnostiqués [PIENK 01] par an en France (58.450.000 habitants). Ces cancers 

occupaient la seconde place après le cancer du poumon chez les hommes et après le cancer du 

sein chez les femmes. Avec 16.000 décès annuels, les cancers du côlon et du rectum 

constituaient la seconde cause de décès par cancer, tous sexes confondus. 

Ce cancer est rare avant 45 ans, l'incidence et la mortalité croissent à partir de cet âge 

avec une mortalité à 5 ans supérieure à 50%. L'âge moyen de décès est d'environ 70 ans. On 

estime qu'un français sur 25 sera atteint au cours de son existence. 

Mais le pronostic de ce cancer s'est nettement amélioré ces dernières années grâce à un 

diagnostic plus précoce. D'où l'idée de procéder à un dépistage du cancer colorectal, défini en 

avril 2000 par Mme D. Gillot, alors secrétaire d'Etat à la santé, comme une priorité de santé 

publique en France. 

Etant donné que la plupart des examens sont réalisés sur des sujets sains, l'une des 

conditions, pour qu'un test de dépistage puisse être généralisé, est qu'il n'engendre pas 

d'inconvénients majeurs, notamment en termes d'effets secondaires et de complications (0.48%). 

Effectivement, pour ce qui est de la coloscopie (examen qui permet de visualiser l'intérieur du 

côlon) de dépistage, 191.185 examens ont été réalisés durant l'année 2000 : 86.5 % du fait 

d’antécédents familiaux et 13,5% du fait du souhait du patient [SFED 00 (1)]. 

A ce jour, la coloscopie est considérée comme l'examen rectocolique de référence, 

dans la mesure où elle permet de visualiser 

théoriquement la totalité du côlon (figure1.1) et du 

Œsophage 

rectum et de réaliser, si nécessaire, la biopsie * et 

l'ablation des polypes (tumeurs bénignes 

Estomac 

précancéreuses) visualisés. 

Duodénum 

Côlon ou 

Gros intestin 

Intestin 

grêle 

rectum 

* 

Figure 1.1. Schéma de l'appareil digestif 

voir lexique page 192 





Néanmoins, le rapport de l'Agence Nationale de l'Evaluation et de l'Accréditation en 

Santé (ANAES), de janvier 2001 [ANAES 01], stipule que "la coloscopie est un examen 

imparfait qui ne permet pas de détecter la totalité des cancers et des polypes colorectaux. Son 

utilisation isolément comme test de dépistage de masse est controversée, car elle expose à un 

risque de complication non négligeable et à un coût important". 

Malgré ces constats, un rapport de la Société Française d'Endoscopie Digestive [SFED 

00 (2)] expose que le dépistage de masse des lésions précancéreuses colorectales, suivi de leur 

traitement endoscopique a démontré son efficacité pour diminuer la mortalité par cancer 

colorectal. Le dépistage individuel des lésions précancéreuses colorectales chez les patients à 

risque repose actuellement sur l’examen de référence qu'est la coloscopie. 

Parce que la coloscopie est un examen invasif, des complications peuvent apparaître. 

Outre les risques liés à l'anesthésie générale, plusieurs études ont montré qu'environ 0.1% des 

patients subissaient une perforation et 0.3% une hémorragie importante (étude américaine 

publiée dans la revue de référence Gastroenterology, en 1997). 

Si nous nous fions au chiffre d'environ 1.000.000 de coloscopies réalisées par an en 

France, nous sommes conduits à réfléchir sur le caractère traumatisant de cette exploration : 

environ 1.000 perforations potentielles par an, 3.000 hémorragies et surtout 100 décès ! Tous les 

patients devraient avoir connaissance de ces chiffres, dans le cadre d'une information claire 

avant d'avoir recours à cet examen. 

La coloscopie est largement reconnue comme la meilleure méthode de détection pour 

le cancer colorectal en raison de son exactitude et de sa capacité à examiner le côlon tout entier, 

tout en prélevant des échantillons suspects. Mais en raison du coût élevé d'une telle opération, 

effectuer un examen précis préliminaire est important pour déterminer si une coloscopie est 

nécessaire ou non. 

Mis à part la détection des cancers, la coloscopie permet également de rechercher 

l’origine d’un problème digestif, comme une diarrhée, un saignement, des douleurs abdominales 

et de diagnostiquer un polype. 

La coloscopie permet aussi de procéder à des gestes thérapeutiques tels qu’une 

polypectomie (ablation de polype), ou de faire un prélèvement biopsique qui permettra de faire 

un diagnostic. 

1.1.2 Et dans le Monde 

Il est intéressant de se préoccuper de ce problème à l'échelle mondiale. A Singapour par 

exemple, 3000 nouveaux cas de cancer du côlon sont détectés chaque année pour une population 

avoisinant les 4.100.000 habitants. 

Aux Etats-Unis, parmi les cancers, celui du côlon occupe la seconde place en matière 

de mortalité. Selon l'American Cancer Society, environ 170.000 nouveaux cas auront été 

dépistés en 2002 (285.225.000 d'hab.) dont 56 000 personnes en décéderont. Si 90% des 





patients peuvent être soignés définitivement à l'aide d'une ablation des polypes par coloscopie, 

aux Etats–Unis, les deux tiers des personnes âgées de plus de cinquante ans ne se soumettent 

pas aux examens de routine nécessaires aux dépistages de cette maladie, principalement en 

raison de l'inconfort que ceux-ci entraînent [ACCUSCAN 03]. 

En Angleterre, il y a environ 25.000 nouveaux cas de cancers du gros intestin par an, 

pour une population de 54.000.000 d'habitants. 

Depuis que nous disposons de résultats publiés par les endoscopistes, nous pouvons 

insister sur l’importance de la qualité de l’observation. La Société Nationale Française de 

Gastro-Entérologie [SNFGE] explique, par exemple, l'avance des japonais par les éléments 

suivants : 

- une différence dans l’éducation de l’œil : les occidentaux s’attachent à rechercher 

des modifications importantes de relief, alors que les Japonais ont l’œil attiré par 

de minimes modifications de relief et surtout par des modifications de couleur, 

- une différence dans la pratique de l’endoscopie : analyse de la muqueuse dans 

différentes situations (insufflation et exsufflation, …), utilisation quasisystématique 

de la chromoscopie, 

- une différence dans la motivation à rechercher les lésions superficielles, 

- une volonté de classer et de disséquer toutes les anomalies constatées : les 

occidentaux s’appuient sur une impression générale, alors que les Japonais 

décomposent chaque image. 

Nous ne disposons d'aucuns chiffres précis concernant les cas de cancer du côlon 

détectés par an au japon, mais c'est peut-être pour les raisons évoquées ci-dessus, que le taux de 

cancers précoces détectés, est plus élevé au Japon que dans d'autres pays occidentaux. 

L'OMS (Organisation Mondiale de la Santé) indique que, dans les pays industrialisés, 

ce sont notamment les comportements néfastes de l’hygiène de vie (tabac, alimentation, activité 

physique…) qui contribuent et continueront à faire progresser le nombre de cancers. Une 

consommation excessive d'alcool peut entraîner des risques de cancers ORL (pharynx, larynx, 

œsophage) et de cancers du foie, mais aussi des risques de cancer du sein et de cancer 

colorectal. 

Cependant il existe de grandes disparités selon les pays puisque, dans les pays en 

développement, jusqu’à 25 % des cas de cancers sont liés à des facteurs viraux (cancer de 

l’estomac, de l’utérus, du foie). 

Nous remarquons des différences entre pays développés et pays en voie de 

développement, dans lesquels l’OMS rappelle que 80 % des malades sont diagnostiqués à un 

stade incurable. Le cancer devient donc un véritable problème de santé publique dans ces pays. 

Alors que, notamment en Asie et en Amérique du Sud, certains pays en développement 

améliorent leur offre en matière de diagnostic et de traitement, d'autres régions du monde, 

comme de nombreux pays d’Afrique, restent encore, faute de moyens, à l’écart de ces mesures. 





Les principaux constats de l’OMS sont alarmants : en 2000, 5.3 millions d’hommes et 

4.7 millions de femmes ont développé un cancer et 6.2 millions de personnes sont mortes des 

suites d’un cancer. De plus, le nombre de cancers pourrait s’accroître de façon dramatique pour 

atteindre 15 millions de personnes en 2020, soit une augmentation de 50 % du nombre de 

cancers développés par an. 

Concernant le cancer du côlon, les habitudes alimentaires ont été invoquées pour 

expliquer les statistiques : alimentation à forte teneur carnée en graisses animales au détriment 

des aliments riches en fibres (légumes, fruits). 

Dans le monde, le cancer du côlon figure en bonne place. Il est un fléau important pour 

les populations. Les méthodes d'exploration et de détection diffèrent suivant les régions, mais le 

taux de mortalité reste très élevé. Le Professeur Christian MEYER, de la Faculté de Médecine 

de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg, souligne qu'il n'apparaît pas que la mortalité à 5 ans 

se soit notablement abaissée au cours des 30 dernières années. Mais restons lucides, cette 

stagnation pourrait être due à une amélioration de la détection corrélée à de meilleurs résultats 

de traitement. 

Une étude poussée réalisée dans le Nord-Est de la France indique que, pour le cancer 

du côlon, le nombre estimé de cas incidents est pour les femmes en augmentation moyenne de 

31 % tous les dix ans et pour les hommes, en augmentation moyenne de 65 %. Ces résultats 

concordent avec ceux d’autres travaux, menés en Europe et dans le Monde [EILSEIN 00]. 

A l’image de l’Europe Occidentale, la France (6.4/10000) se classe parmi les pays 

ayant une fréquence élevée de cancer colique, juste derrière Singapour (7.5/10000) et 

l’Australie. Les pays d’Asie, d’Amérique Latine et, surtout, d’Afrique ont un risque jusqu’à 

trente fois plus faibles. Les Etats-Unis (6/10000), l'Angleterre (4.6/10000) l’Europe de l’Est et 

les pays scandinaves se caractérisent par un risque intermédiaire. 

Finalement, le cancer du côlon est présent surtout dans les pays industrialisés. Ceci est 

peut être dû à de meilleures techniques de détection (au Japon en tout cas), par rapport aux pays 

en voie de développement, mais surtout à une alimentation plus riche et à une hygiène de vie se 

dégradant. 

1.2 L'examen du côlon 

La coloscopie est l'examen qui permet de visualiser l'intérieur de tout le côlon à l'aide d'un 

endoscope long et souple. Dans ce cas, il est appelé coloscope. Sa taille est de 1.6 m à 2 m de 

long pour environ 13 mm de diamètre. 

Avant de décrire les opérations de coloscopie, la structure et les caractéristiques du 

côlon seront détaillées. Dans un second temps, nous insisterons sur la différence entre 

diagnostic et thérapie, en précisant les méthodes opératoires utilisées. C'est en détaillant la 

thérapie, que nous préciserons les outils de coloscopie, la préparation nécessaire et enfin 

l'examen lui-même. 





1.2.1 Le côlon 

Le côlon humain est un organe musculaire d’environ 125 cm de long (figure 1.2.a). Bien qu'il 

contribue à trois fonctions importantes de l’organisme (l’absorption des aliments non encore 

digérés, la digestion et la concentration des matières fécales, l’entreposage et l’évacuation 

maîtrisée des selles), il n'est pas considéré comme un organe vital. 

Sur le plan fonctionnel, le côlon peut être divisé en deux parties séparées par le côlon 

transverse (figure 1.2.b), soit le côlon droit et le côlon gauche. Le côlon droit (caecum et côlon 

ascendant) joue un rôle majeur dans l’absorption de l’eau et des électrolytes, de même que dans 

la fermentation des sucres non digérés ; le côlon gauche (côlon descendant, côlon sigmoïde et 

rectum) intervient surtout dans l’entreposage et l’évacuation des selles. 

L'examen de coloscopie, qui concerne l'exploration et/ou l'intervention dans le côlon, 

peut être pratiqué dans un but diagnostique (recherche de tumeurs, de colite * inflammatoire, de 

diverticules * , d'angioplastie * ...), thérapeutique (ablation de polypes) ou de dépistage, 

surveillance. 

foie 

côlon transverse 

côlon ascendant 

caecum 

côlon descendant 

rectum 

(a) 

côlon sigmoïde 

(b) 

Figure 1.2. Schéma de l'anatomie de l'appareil digestif (a) et photo d'une partie de 

l'intérieur du côlon transverse (b) 

1.2.2 Le développement du cancer du côlon 

Le cancer du côlon est surtout localisé sur le sigmoïde et la jonction rectosigmoïdienne 

(65 % des localisations) suivi des atteintes du caeco-ascendant et plus rarement du 

côlon transverse. Il s'agit habituellement d'une tumeur entraînant un rétrécissement du côlon 

gauche, alors que sur le caecum, il s'agit surtout d'une masse bourgeonnante. En effet, le 

caecum, qui est la partie la plus large du côlon, permet des durées d'évolution souvent plus 

prolongées de la tumeur, avant que celle-ci ne devienne symptomatique. 

Il existe évidemment une classification des stades d'évolution du cancer dont la survie 

à 5 ans varie de 90 % pour un cancer de catégorie A (cancer n'ayant pas franchi la muqueuse 

musculaire) à 5 % pour un cancer de catégorie D (métastases hépatiques * ). 





Deux éléments prédisposent au développement du cancer du côlon : le polype, avec 

une forme clinique particulière et les maladies inflammatoires (rectocolite hémorragique, 

maladie de Crohn), qui sont tous les deux susceptibles d'engendrer des dysplasies * cellulaires 

aboutissant, à la dégénérescence cancéreuse. 

Les facteurs autres qu'alimentaires et environnementaux interviennent tels que les 

facteurs génétiques, en particulier dans l'apparition et le développement des polypes. Nous 

pouvons ainsi citer le syndrome de Lynch, qui est un cancer colique transmis de manière 

héréditaire se développant sur une muqueuse colique sans polype. Ces formes héréditaires de 

cancers représentent moins de 5 % des cancers colo-rectaux. 

Le diagnostic colorectal peut se faire : 

- dans le cadre d'un dépistage, 

- chez un patient ayant des symptômes, 

- dans le cadre d'une surveillance. 

Le dépistage des cancers peut se concevoir de deux façons : 

- soit sous la forme d'un dépistage de masse : Hémoccult II® (détaillé plus bas), 

- soit en ciblant une population à risque et en ayant dès lors recours à une 

coloscopie. Cette population à risque est principalement constituée de patients âgés 

de plus de 45 ans, ou faisant partie d'une famille dans laquelle ont été 

diagnostiqués des polypes ou un cancer du côlon, voire des cancers apparentés 

(cancer du sein, de l'ovaire, de l'endomètre * , de la prostate). 

Le diagnostic doit être établi par le médecin. Il sera fait grâce aux signes d'orientation 

clinique, mais en ayant recours à des examens complémentaires, notamment l'examen par 

lavement opaque (baryté), l'envoi de la sonde endoscopique ou plus fréquemment actuellement 

la coloscopie avec biopsie. D'autres examens complémentaires peuvent encore étayer les 

renseignements fournis par les premiers : ils seront détaillés plus bas. 

1.2.3 Le diagnostic 

Le diagnostic peut s'effectuer de plusieurs manières différentes et des examens 

complémentaires sont souvent nécessaires pour confirmer les premières conclusions. Ils peuvent 

également avoir pour but de faire un bilan d'extension du cancer. 

1.2.3.1 Le test Hémoccult II ® 

Ce test permet de détecter dans les selles la présence de sang qu’il serait impossible de voir à 

l’œil nu. Il s'agit de recueillir trois échantillons de selles différents, puis de les faire analyser en 

laboratoire. Si des traces de sang sont découvertes dans un échantillon, il faudra procédera alors 

à des tests plus poussés. Effectivement, l'Hémoccult II ® n'offre pas un diagnostic totalement 

fiable. Le test ne réagit pas chez certains patients. D'autres au contraire sont déclarés positifs, 

alors qu'ils sont sains. 





De plus, la présence de sang dans les selles n’est pas nécessairement un symptôme de 

cancer. L’analyse, dont il est question ici, ne peut confirmer ou infirmer la présence de cellules 

cancéreuses. Un résultat positif indique tout simplement qu’il est nécessaire de réaliser des 

examens complémentaires. 

La faible rentabilité de ce test fait qu'il n'est utilisé que dans le cadre du dépistage 

de masse chez des patients assymptomatiques et sans risques. Chez des patients avec risques 

ou symptomatiques, il n'est pas à réaliser. 

La recherche d'un saignement occulte dans les selles est, pour le moment, la seule 

méthode répondant aux critères d'un test de sélection utilisé dans un dépistage de masse. 

Classiquement, ce test est positif chez 2 à 3 % des personnes de plus de 45 ans, dont environ 80 

% acceptent une exploration colique. Cette exploration aboutit à un diagnostic de cancer dans 

10% des cas et d'adénome * dans 30 à 40 % des cas. 

L'acceptabilité du test Hémoccult II ® semble meilleure chez les sujets présentant des 

antécédents familiaux de cancer colorectal (ou CCR). Cependant, l'appréhension des examens 

complémentaires, en l'occurrence la coloscopie ou la crainte d'une intervention chirurgicale 

secondaire, apparaît comme une des raisons de refus du test. 

1.2.3.2 Le toucher rectal 

Au cours de ce test, le médecin insère un doigt ganté dans la cavité rectale afin de détecter les 

anomalies. Cet examen ne permet pas non plus d’effectuer de biopsie, mais de vérifier la 

présence ou non d'anomalies dans l'anus et la partie palpable du rectum (dernière partie du 

côlon). 

Le toucher rectal est plus particulièrement utilisé à partir de 50 ans au cours des visites 

médicales de routine, à la recherche d'éventuelles lésions de la prostate ou du rectum. 

1.2.3.3 L'examen radiologique (ou lavement baryté) 

Cet examen radiologique donne la possibilité de visualiser le gros intestin grâce à une 

radiographie effectuée après préparation par de la baryte (produit de contraste injecté dans le 

côlon). Cet examen se pratique de moins en moins depuis la généralisation de la coloscopie. 

Une radiographie de l’abdomen prise sans préparation préalable, ne montre pas avec 

suffisamment de précision l’intérieur des organes creux. C’est pour cette raison que l’on 

emploie la baryte comme produit de contraste qui met en valeur les modifications anatomiques 

et anormales de la paroi du côlon et de sa muqueuse de recouvrement (couche de cellules de 

protection). 

Pour que le lavement baryté apporte tous les renseignements souhaités, le malade doit 

subir une préparation. Un régime sans résidus (comportant la suppression de légumes verts, de 

viande rouge, de pain frais et de fruits) doit être pratiqué pendant une période d’environ trois 

jours précédant l’examen. 

Quelques heures avant celui-ci, on administre au patient un médicament purgatif puis 

un lavement permettant ainsi aux radiologue d’effectuer l'examen dans les meilleures 

conditions. 





Ce lavement se fait par injection d’une solution purgative généralement constituée 

d’eau tiède légère ou d’huile, puis la baryte est ensuite introduite dans le rectum. Grâce à un 

écran de contrôle, le radiologue surveille la progression du produit de contraste dans le côlon. 

Différents clichés (photos) radiologiques sont pris, sous différents angles. L’insufflation, (après 

évacuation d’une petite quantité de baryte) permet, quand on désire effectuer un lavement 

baryté en double contraste, de visualiser les malformations qui, sans, cela n’apparaîtraient pas à 

la radio. 

Cet examen, pratiqué dans de bonnes conditions et avec un radiologue rompu à la 

technique, n’est pas douloureux quoiqu’un peu inconfortable. 

1.2.3.4 La coloscopie virtuelle 

Les progrès dans le traitement informatique des images permettent d'obtenir des reconstructions 

du côlon en 2 ou en 3 dimensions. L'utilisation d'un scanner de façon externe, par l'envoi de 

rayons X sous différents angles, permet d'obtenir différentes "coupes" de la zone étudiée, ou 

encore une image en 3D [HAIGRON 98]. Le terme coloscopie virtuelle désigne l'ensemble de 

ces reconstructions. 

Prochainement, la résonance magnétique pourrait se substituer au scanner hélicoïdal 

comme moyen d'acquisition des images. La coloscopie virtuelle est une technique séduisante, 

car elle n'est pas invasive et pourrait donc être acceptée plus facilement par les patients que la 

coloscopie. Elle pourrait ainsi répondre à l'avenir aux besoins de la détection des lésions 

précancéreuses colorectales. Mais un certain nombre de données la concernant, dont sa validité, 

sa reproductibilité et l'impact économique de son utilisation, ne sont pas connues à l'heure 

actuelle. 

L'efficacité de cette technique est estimée de 85 à 88 % pour la détection des polypes 

d'un centimètre. Mais il ne faut pas oublier qu'en cas de résultat positif de la coloscopie 

virtuelle, celle-ci doit être suivie d’une coloscopie traditionnelle. 

La coloscopie virtuelle, technique a priori séduisante, est actuellement en cours de 

développement. Elle justifiera dans les années à venir une évaluation précise de ses 

performances et de ses coûts, préalable indispensable à sa diffusion au sein de la communauté 

médicale et de la population. 

1.2.3.5 L'utilisation de la capsule endoscopique 

Cette capsule vidéo-endoscopique (figure 1.3) élaborée par Given Imaging Ltd (Yoqneam, 

Israël), est commercialisée depuis 2 ans et suscite un vif 

intérêt chez les médecins et patients. La capsule est tout 

simplement ingérée par le patient et les images sont 

transmises pendant une durée de 6 à 8 heures. La capsule est 

récupérée dans ses selles 24 h à 48 h après, en fonction de son 

transit ; aucune préparation spécifique n'est recommandée. 

Figure 1.3. Capsule vidéo-endoscopique et enregistreur 

télémétrique développés par Given Imaging Ltd 





Le principe de fonctionnement de cette capsule est détaillé par [LEWIS 02], de la 

Division de Gastroentérologie du Mount Sinaï Medical Center à New York : une puce CMOS et 

la source lumineuse LED permettent la transmission d'images en couleur de la muqueuse 

intestinale. Ce système est capable de capturer et de transmettre deux images par seconde à un 

système d'antennes appliqué sur la peau du patient, connecté à un enregistreur télémétrique, à 

bande hautes fréquences, fixé à la ceinture. Ces images seront ensuite examinées dans une 

station de travail reliée à un moniteur vidéo. Il est également possible de calculer la position de 

la capsule dans l'intestin. 

Mis à part la description de l'utilisation de cette capsule, [GAY 02 (2)], de Nancy, met 

en garde quant à ses capacités à être utilisée dans le côlon. La capsule a effectivement permis de 

découvrir des images inédites de l'intestin grêle, mais pour ce qui est de l'examen du côlon, une 

préparation doit être réalisée, comparable à celle préconisée pour la réalisation d'une 

coloscopie. 

Il faut également signaler qu'un risque de blocage de la capsule est réel en présence 

d'une sténose digestive * . Il faut donc de plus s'assurer de l'absence de sténoses en fonction des 

éléments cliniques, avant d'utiliser la capsule. Par contre, il est souligné que dans certains cas, 

le gain diagnostique avec la capsule est de l'ordre de 20 %. 

Nous pouvons conclure que cette capsule endoscopique est une technologie innovante 

qui n'est qu'à ces débuts. Elle constitue un réel progrès pour le diagnostic des maladies de 

l'intestin grêle et pourrait, dans les années à venir et sous certaines conditions, concurrencer les 

méthodes traditionnelles de dépistage de cancers du côlon. Actuellement, elle n'est pas à 

utiliser pour l'exploration du côlon. 

1.2.3.6 La sigmoïdoscopie 

Cet examen se fait à l’aide d’un tube souple et flexible, similaire au coloscope, mais de 

longueur plus faible. Il est appelé dans ce cas : sigmoïdoscope. Par ce test diagnostique, le 

médecin peut examiner la paroi du rectum et la partie inférieure du côlon, effectuer une biopsie, 

retirer des polypes ou détecter la présence de tumeurs. 

1.2.3.7 La coloscopie 

La coloscopie est plus performante que les examens radiologiques, comme le lavement baryté 

ou le scanner, et elle permet de réaliser des biopsies. Des examens radiologiques 

complémentaires peuvent éventuellement être prescrits pour conforter le diagnostic du médecin. 

Nous reviendrons plus tard sur le déroulement d'une coloscopie, car cet examen est 

pratiqué systématiquement dans un but thérapeutique. 

1.2.3.8 Conclusion 

L'examen de référence est la coloscopie qui est réalisées chez les patients symptomatiques et les 

patients à risques. La sigmoïdoscopie est insuffisante et le lavement baryté est effectué s'il y a 

échec de la coloscopie. 





Dans le cadre du dépistage de masse, la coloscopie est réalisée après présélection de la 

population par le test Hémoccult II ® . Le rôle de la coloscopie virtuelle est en cours d'évaluation. 

La vidéocapsule doit être beaucoup améliorée sur le plan technologique avant d'être testée sur la 

côlon. 

Le déroulement de l'examen, les précautions à prendre par le patient et l'équipe 

chirurgicale seront également détaillés. 

Nous allons également souligner que, même si cela se produit très rarement, la 

coloscopie peut provoquer des perforations de l’intestin (1 à 2 cas sur 1000 tests), de la douleur, 

de l’anxiété, des saignements ou des gaz. 

1.2.4 La thérapie 

La coloscopie permet le traitement des polypes du côlon par électrocoagulation ou par laser. Par 

contre, cet examen est très craint par l'ensemble des patients, notamment pour son inconfort, 

pour tous les risques qui seront évoqués plus bas, mais aussi pour la préparation poussée à subir 

avant l'intervention. Les problèmes persistants lors d'endoscopies thérapeutiques sont 

principalement ceux de l’anesthésie et de la lourdeur due aux outils employés. 

L’endoscopie thérapeutique est considérée comme un secteur très dynamique de 

l’endoscopie digestive. Elle fait l’objet d’innovations régulières et parmi les autres méthodes 

instrumentales mini-invasives, elle dispose d’un atout majeur capable d’assurer son avenir : le 

passage par les voies naturelles. 

Pour pouvoir pratiquer des endoscopies sans anesthésie, il faudrait évoluer vers des 

endoscopes plus fins ou bien choisir les solutions de la capsule [APLLEYARD 01] ou de robots 

autonomes. 

1.2.4.1 L’appareillage 

Parmi les endoscopes, nous pouvons distinguer l'endoscope rigide et l'endoscope souple. 

Le premier est fait d'un tube métallique rigide de 5 à 8 mm de diamètre dont la partie 

proximale (partie dans laquelle l'expérimentateur regarde) est constituée d'un oculaire qui 

permet une vision directe. Il y a aussi possibilité d'adaptation d'un appareil photo ou d'une 

caméra par exemple. La partie distale (partie qui est introduite dans l'organisme) est munie d'un 

prisme qui définit l'angle de visée et l'angle de vue de l'appareil. Ce type d'appareil est 

généralement pourvu d'un système d'éclairage et il est notamment utilisé pour explorer la vessie 

et la cavité abdominale. 

Le second est appelé également fibroscope (figure 1.4). Il est constitué de fibres de 

carbone ou de fibres de verre qui possèdent la capacité de transmettre la lumière dont l'origine 

est une source de lumière froide. Cette variété d'endoscope est utilisée pour explorer de façon " 

douce", c'est-à-dire non traumatisante, les différentes cavités de l'organisme dont l'accès serait 

difficile avec un endoscope rigide. 





Figure 1.4. Photo d'un fibroscope avec un outil 

d'intervention 

Un fibroscope comprend une gaine étanche de 40 à 170 cm de longueur et de 5 à 14 

mm de diamètre. À l'intérieur de ce tube souple, la lumière d'éclairage est conduite grâce à des 

fibres de verre. La source de lumière (froide) est constituée par une lampe de forte intensité 

située à l'extérieur de l'appareil. A l'extérieur de l'appareil se trouve également tout le dispositif 

nécessaire au bon déroulement de l'opération (figure 1.5) : les sources d'air et d'eau, le moniteur 

et le magnétoscope pour visualiser et enregistrer les images. 

Le tube souple est muni également d'autres petits canaux dont 

le but est de permettre la pénétration d'air dans la cavité à explorer. 

Ces canaux permettent également un lavage et une aspiration les 

différentes sécrétions émises par la muqueuse de l'organe creux dans 

lequel a pénétré le fibroscope. 

Figure 1.5 Photo du dispositif nécessaire au bon fonctionnement de 

l'opération de coloscopie. 

L'endoscope comporte également un canal opérateur 

permettant le passage d'instruments, comme les instruments de prélévements, de coagulation, 

une fibre laser, … Ils peuvent également être équipés d'un système d'échographie pour effectuer 

une échoendoscopie, ce qui permet l'étude de tumeurs du tube digestif et des structures 

d'organes comme l'estomac, les voies biliaires et le pancréas. 

Si depuis trente ans, les nouvelles technologies d'imagerie ont permis de faire évoluer 

considérablement l'endoscope et ses performances, force est de constater que les outils 

endoscopiques n'ont pas effectué d'évolutions franches du point de vue mécanique. En effet, le 

principe de base des mouvements de cet outil est toujours resté le même. 





La mobilité du fibroscope se fait par l'intermédiaire d'un système de câbles insérés à 

l'extrémité de l'appareil et actionnés par deux mollettes (figure 1.6a) qui permettent d'effectuer 

des mouvements de la tête de l'endoscope dans deux directions orthogonales (figure 1.6b). La 

combinaison de ces mouvements permet à cette dernière d'effectuer des explorations dans toutes 

les directions (360°). La plupart des coloscopes actuels ont des performances d'inclinaison de 

160°. 

(a) 

(b) 

Figure 1.6. Photo des molettes actionnées par le chirurgien (a), et des mouvements possibles de 

la tête du coloscope (b) 

Le vidéoendoscope, muni à son extrémité d'une micro caméra de télévision, détrône 

progressivement la fibroscopie classique. Cette dernière devient relativement coûteuse et fragile 

par rapport à ces appareils modernes permettant dans certains cas, au patient lui-même de 

suivre, avec le manipulateur, la progression et les différentes manœuvres au cours de l'opération 

(lors d'opérations de gastroscopie par exemple). 

La caméra CCD, disposée à l'extrémité du coloscope, possède une haute résolution 

(400.000 pixels) ; l'image endoscopique peut prendre parfois la taille complète de l'écran avec 

une qualité exceptionnelle. C'est au Japon, avec les trois fabricants principaux Pentax, Olympus 

et Fuji, que se concentre le marché de l'endoscopie. Nous pouvons remarquer que ces 

fabriquants sont également leaders sur le marché de la photographie. Ceci confirme que les 

innovations en endoscopie se situent effectivement dans le progrès de la qualité de l'image. Ces 

mêmes sociétés sont les fournisseurs exclusifs de l’Hôpital Edouard Herriot de Lyon. 

Nous présentons sur la figure suivante (figure 1.7) la terminologie et les 

caractéristiques d'un endoscope OLYMPUS. 

Nous y observons quatre parties principales : le connecteur, le cordon universel, la 

poignée et la gaine d'introduction, au bout de laquelle se trouve l'extrémité distale. Les 

fonctions de l'endoscope (numérotations) sont détaillées en ANNEXE 1. 





Figure 1.7. Terminologie et caractéristiques d'un endoscope OLYMPUS 





1.2.4.2 La préparation 

Pour toutes les interventions que nous appellerons "classiques", il y a bien sûr des précautions à 

prendre : 

1) Une préparation psychologique indispensable, car la participation du patient est 

essentielle ; l'infirmier(ère) lui explique le déroulement de l'examen et lui rappelle 

l'intérêt de sa coopération, si l'anesthésie n'est pas générale. 

2) Une préparation physique poussée, dont les points importants sont détaillés ci-après : 

- Le côlon doit être vide et propre. L'infirmier(ère) vérifie que le régime sans résidus 

prescrit a bien été suivi par le patient durant les 2 à 3 jours qui précédent l'examen, 

- La veille de l'examen, l'infirmier(ère) fait ingérer au patient un liquide, dont le but est 

de nettoyer le côlon. Ce liquide est évacué par l'anus avec les selles. Le patient absorbe 

à nouveau quatre litres de ce produit en moins de 3 heures avant l'examen pour 

s’assurer de la propreté du côlon. 

1.2.4.3 L'examen 

L'examen de coloscopie dure environ 30 minutes, dont 10 minutes de mise en place de tout 

l’endoscope dans le côlon. Du fait de son inconfort, il peut se dérouler sous anesthésie générale 

de courte durée. Il est précédé d'un toucher rectal, qui permet de détecter une éventuelle masse, 

d'apprécier la qualité de la préparation et de lubrifier le canal anal. Le coloscope est ensuite 

introduit par l'anus, puis l'appareil est dirigé sans forcer, sous contrôle de la vue jusqu'au 

caecum en orientant manuellement la tête de l'outil à l'aide des deux molettes décrites 

précédemment. 

Avant d'introduire le coloscope dans 

l'intestin pour réaliser l'observation, du CO 2 y est 

injecté. Pendant toute l'opération, le côlon est donc 

gonflé à une pression constante, d'une part pour que la 

tête de l’endoscope puisse avoir suffisamment de 

place pour se déplacer, mais aussi pour une meilleure 

observation. Une bonne observation est évidemment 

nécessaire, puisqu'il y a beaucoup de plis dans 

l'intestin (figure 1.8). Lors d'une observation complète 

de l’intestin, il faut absolument chercher à observer 

derrière ces plis, tout en sachant que le déplissement 

plis 

n’est pas douloureux. 

Figure 1.8. Vue de plis situés à l'intérieur du côlon 

Pendant l'examen, qui se fait lors de l'extraction du coloscope, le patient est 

généralement en décubitus dorsal (allongé sur le dos) ou en décubitus latéral gauche (allongé 

sur le côté gauche, voir figure 1.10). 

Après l'examen, les médecins s'assurent de l'absence de saignement et/ou de douleurs 

abdominales, surveillent l'apparition de douleurs abdominales, préconisent à partir de quel 

moment le patient peut se lever, boire et manger. Dans certains cas, une surveillance de 24 

heures peut être nécessaire notamment en cas de polypectomie * . C'est dans ce but qu'il arrive 

que le patient effectue, de temps à autre, un séjour prolongé à l'hôpital. 





1.2.5 Problèmes rencontrés lors de l'opération 

Lors d'une opération de coloscopie, différents aspects post et préopératoires sont à prendre en 

compte. Nous allons considérer ici la totalité du processus de l'opération. L'anesthésie en est la 

première étape. Nous décrirons ensuite les principales causes de douleurs ressenties pendant et 

après l'opération, sans négliger d'évoquer les perforations de l'intestin. La stérilisation des outils 

et le coût de l'opération seront les dernières étapes décrites. 

1.2.5.1 L'anesthésie 

La coloscopie se déroule sous anesthésie générale, anesthésie relativement légère mais qui reste 

relativement dangereuse. Elle est très différente de l'anesthésie réalisée pour une intervention 

chirurgicale par exemple, car elle est très courte et les patients se réveillent très rapidement 

après l'examen. 

Elle est utile en coloscopie à causes des difficultés du passage des boucles coliques 

(explication dans le paragraphe suivant), mais aussi parce que la présence de colites * peut 

augmenter considérablement la douleur. 

La durée de la coloscopie sous anesthésie est d’une trentaine de minutes. 

Que ce soit en coloscopie ou dans d'autres domaines de la chirurgie, des effets 

secondaires suivants, liés au degré d'anesthésie, peuvent être constatés : 

- un traumatisme douloureux au niveau de la veine dans laquelle les produits ont été 

injectés peut s'observer. Elle disparaît en quelques jours, 

- la position prolongée sur la table d'opération peut entraîner des compressions, 

notamment de certains nerfs, ce qui peut provoquer un engourdissement ou, 

exceptionnellement, la paralysie temporaire d'un bras ou d'une jambe. Dans la majorité 

des cas, ces manifestations disparaissent en quelques jours ou quelques semaines, 

- des troubles passagers de la mémoire ou une baisse de facultés de concentration 

peuvent survenir dans les heures qui suivent l'anesthésie, 

- des complications imprévisibles comportant un risque vital comme une allergie grave, 

un arrêt cardiaque, une asphyxie, sont extrêmement rares. Quelques cas sont décrits, 

alors que des centaines de milliers d'anesthésies de ce type sont réalisées chaque 

année. 

Les risques sont donc présents lorsqu'une anesthésie est pratiquée sur un patient. Nous 

souhaitons nous diriger vers une coloscopie sans douleur et donc sans anesthésie, pour 

éviter d'une part les risques d'effets secondaires, mais aussi le coût lié à cette pratique. 

1.2.5.2 La douleur 

Cette douleur ressentie par les patients est localisée surtout aux endroits où l’intestin est 

accroché à la paroi abdominale par les muscles mésentériques. A Pise, à l'Ecole Supérieure Ste 

Anne, [MENCIASSI 02] explique qu'une coloscopie traditionnelle soumet le côlon à une 

tension de ces muscles, qui supportent l'élasticité de l'intestin. Sachant qu’il n’est pas accroché 

partout, c’est uniquement à ces endroits-là que la douleur est présente, lorsque le coloscope 

modifie la forme naturelle du côlon. 

Même si la flexibilité de la tête permet au coloscope de s'adapter aux parties tortueuses 

du côlon, l'insertion et la progression de l'outil obligent le chirurgien à exercer des forces et des 





rotations. Les inconforts causés au patient sont également dus aux frottements sur les parois 

intestinales. 

Il est aussi important de savoir que tout le long du côlon, celui-ci n'a pas une rigidité 

constante : la première partie du côlon, le côlon ascendant, est assez rigide. Contrairement au 

côlon ascendant, le côlon transverse est plus mobile. Le côlon descendant est fixé rigidement, 

mais le sigmoïde est de nouveau très mobile. 

La société Olympus [LAGARRIGUE 01] travaille actuellement sur un endoscope à 

rigidité variable, qui est plus souple que les endoscopes classiques et qui peut se raidir à 

certains endroits sous l’action de compression d’un ressort à l’intérieur de l’endoscope. 

Le Professeur Thierry Ponchon, attaché à l'Hôpital Edouard Herriot, explique que cet 

outil à rigidité variable, qui permet de jouer sur la souplesse de l’endoscope, doit pouvoir 

déjouer les pièges des boucles qui se forment lors de la progression des endoscopes (figure 1.9). 

"Effectivement si nous avons déjà engagé l’endoscope d’une certaine distance et que celui-ci a 

du mal à progresser, nous devons tout de même pousser pour le faire avancer. Il se produit 

alors un phénomène de "bouclage" de l’endoscope : celui-ci se tord en boucles qui grandissent 

et étirent l’intestin". 

Ce même phénomène de boucle est constaté dans 

[DOGRAMADZI 98], du Département d'Ingénierie 

Electronique et Electrique de l'Université de Newcastle. 

Une fois que ces boucles sont formées, l'insertion des 

instruments chirurgicaux les élargie encore, causant des 

dommages aux patients et empêchant l'avance des 

instruments. 

Figure 1.9. Image en rayons X de boucles pouvant se 

former dans le côlon 

Les boucles sont un problème persistant lors d'opérations de coloscopie. Une méthode 

d'endoscopie à imagerie magnétique (MEI) pour les observer est décrite dans [CLASSEN 02] 

(figure 1.10). De petites bobines régulièrement espacées (environ 15 cm) sont placées sur l'axe 

du coloscope. Chacune d'entre elles engendre un champ magnétique qui provoque la présence 

d'un courant dans les larges bobines réceptrices (capteur) situées dans une boîte se trouvant au 

bord de la table d'opération. Les coordonnées de chaque bobine sont alors connues par rapport à 

un référentiel et sont envoyées à un calculateur. Celui-ci dessine, sur un moniteur annexe au 

moniteur principal, la trajectoire du coloscope. 





Vue de 

l'endoscope 

Image 3D 

Capteur 

Bobines génératrices de 

champs magnétiques 

Figure 1.10. Méthode de l'endoscopie par imagerie magnétique (MEI), montrant le 

moniteur principal et l'image recalculée à partir des bobines placées sur le coloscope. 

Une autre méthode est proposée par [DOGRAMADZI 98] pour connaître la trajectoire 

du coloscope dans l'intestin. Celle-ci est très proche de la première à la différence près que ce 

ne sont pas les bobines qui génèrent le champ magnétique, mais trois gros générateurs placés 

sous la table d'opération (figure 1.11). Les bobines ne sont que des récepteurs qui renvoient leur 

position à un calculateur. 

Bobines situées le long du coloscope 

L'utilisation d'un logicle graphique 

3D permet de représenter à l'écran 

la trajectoire de l'endoscope. 

3 générateurs de champs 

magnétiques 

Figure 1.11. Autre Méthode 

d'imagerie magnétique 

[DOGRAMADZI 98] 

Ces deux méthodes sont capables de représenter la position du coloscope dans 

l'intestin. La figure 1.12 montre cette reconstruction de l'outil après calcul. Nous trouvons dans 

la littérature, de nombreuses sortes différentes de boucles. Chacune d'entre elles peut se former 

à un endroit différent du côlon. 





(a) 

(b) 

Figure 1.12. Reconstruction de la disposition du coloscope dans l'intestin : (a), une boucle 

flexible renversée, (b) une boucle alpha 

Le passage du coloscope dans les boucles ou dans les colites, peut être une cause 

importante de douleur. Mais l'expérience des chirurgiens montre qu'une orientation 

approximative de la partie distale du coloscope est plus généralement en cause. Il y a alors 

contact direct entre la tête de l'outil et les parois internes de l'intestin, ce qui peut provoquer des 

perforations (0.1 %). Par contre, le glissement de la gaine d'introduction sur les parois ne 

provoque pas de douleur. 

1.2.5.3 La perforation 

D'après les chirurgiens, il est difficile d’estimer les limites des efforts que peuvent subir les 

parois du côlon sans qu’il y ait rupture. Mais leur expérience compense généralement fort 

heureusement ce problème. 

La perforation du côlon est un vrai problème et constitue environ 1 cas sur 1000. Elle 

est, de temps en temps, due à une insufflation excessive d'air. Mais dans beaucoup de cas, un 

passage forcé du coloscope peut provoquer cet accident. Il peut survenir en amont d'un cancer 

obstructif du côlon gauche ou du transverse et plus rarement au niveau d’une tumeur. 

Dans tous les cas, la perforation entraîne une péritonite * très grave avec douleurs 

abdominales aiguës. Elle nécessite une intervention chirurgicale urgente et complexe, 

impossible en coloscopie. 

Il faut savoir aussi que la partie la plus délicate à passer, lors d’une coloscopie se situe 

dans les 30 à 40 premiers centimètres d’exploration, dans le côlon sigmoïde. 





1.2.5.4 La stérilisation 

Le risque d’infection, lié à l’endoscopie digestive, paraît aujourd’hui exceptionnel grâce à la 

diffusion depuis une dizaine d’années de nombreuses recommandations issues des diverses 

sociétés scientifiques d’endoscopie digestive nationales ou internationales et d’associations 

d’infirmières [SFED 00 (3)]. Cependant des cas d’infection persistent, mais ont toujours été 

rapportés à des erreurs de procédure. 

Le traitement manuel des endoscopes doit être réalisé après chaque endoscopie et 

comporte cinq étapes obligatoires : le prétraitement, le nettoyage, le rinçage intermédiaire, la 

désinfection, le rinçage final. Il existe une sixième étape, le séchage, qui est réalisé si 

l’endoscope n’est pas utilisé immédiatement. 

Il existe également une possibilité de nettoyage automatique des endoscopes ; les 

cycles de nettoyage-désinfection des endoscopes des laveurs-désinfecteurs (LD) se doivent de 

comporter l’ensemble des phases de traitement d’un endoscope. 

Pour pouvoir subir toutes ces opérations, les endoscopes doivent être totalement 

immergeables. 

Le traitement recommandé pour les dispositifs médicaux est soit la stérilisation, soit le 

recours à l'usage unique. L'usage unique est même obligatoire pour certains instruments 

pénétrant les tissus (aiguilles, pince à biopsie, anse diathermique * , …). 

Il existe évidemment aussi des règles à suivre concernant le personnel médical et les 

locaux. Une organisation rigoureuse et contrôlée du service d’endoscopie en relation avec tous 

les partenaires impliqués dans l’ensemble du processus de désinfection (médecins, infirmiers, 

pharmaciens, hygiénistes, biomédicaux, administratifs...) est indispensable à l’obtention et au 

maintien d’une qualité et d’une sécurité optimale des soins. 

Pour le moment, la décontamination dure environ 1 heure, ce qui n'est pas négligeable. 

Sa suppression reste un objectif très important, qui doit être développé. 

1.2.5.5 Le coût 

Le coût d'un coloscope neuf (comprenant le monitoring et tous les ustensiles annexes) peut 

varier de 25 000 € à 30 000 €. Celui estimé pour une opération de coloscopie est de 750 €. 

L’endoscopie virtuelle étant encore en phase de développement, il n’a pas été possible d’évaluer 

le coût de l’appareillage. 

En fait, l'opération de coloscopie elle-même revient environ à 300 €, ceci comprenant 

l'utilisation du matériel, le travail du personnel, … Par contre, le coût de l'hospitalisation, 

comprenant l’anesthésie, la location de la chambre et/ou d'un lit pour la salle de réveil, 

reviendrait à 450 €/jour à la Sécurité Sociale. 

Les travaux que nous avons entrepris sur un coloscope automatisé, en relation 

avec le besoin de minimiser l’anesthésie, auront des répercussions indirectes sur le patient 

et sur le coût de l’opération. 





1.2.6 Incommodités et idées d'amélioration 

Lors de nos rencontres avec des chirurgiens spécialistes, nous nous sommes aperçus que les 

mêmes idées revenaient souvent et qu'il y avait des gênes évidentes que les chirurgiens 

mettaient en avant. Des idées d'améliorations ont été proposées par les chirurgiens, par rapport 

aux déroulements actuels des opérations. Elles vont nous permettre de mettre en place un cahier 

des charges, à partir duquel nous pourrons formuler plus précisément notre future innovation. 

Quatre principales sources d'incommodités ont été soulevées par les chirurgiens 

endoscopistes. 

Le problème de la décontamination est important. Pour le moment, elle dure environ 

1heure. Un temps de stérilisation réduit ou même nul serait apprécié, surtout pour les 

généralistes qui n'ont pas toujours les installations requises dans leur cabinet. Ce traitement est 

de plus très lourd et n'autorise aucune erreur. 

L’expérience des médecins tendrait à dire qu’il n’y a pas trop de problèmes lors de la 

progression de l’endoscope dans l’intestin, ni pour la localisation de celui-ci. De même, les 

efforts à fournir sur l’endoscope sont bien maîtrisés par un chirurgien expérimenté. 

Effectivement, la non-expérience des chirurgiens est souvent mise en cause en cas de douleur. 

Une pratique d’un an (ce qui correspond environ à 100 coloscopies et 100 cathétérismes) est 

généralement nécessaire pour que le chirurgien ait de bonnes sensations pendant l'opération. 

Mais toutes ces opérations se déroulent sous anesthésie générale, ce qui comporte des 

risques importants. Ainsi, une anesthésie moins forte infligée au patient, impliquerait moins de 

temps à passer à l'hôpital et donc moins de dépenses pour la Sécurité Sociale. Pour cela, il faut 

évidemment diminuer fortement la douleur infligée par le coloscope aux parois intestinales et 

aux muscles mésentériques. 

Le phénomène de boucles dans l'intestin est souvent évoqué par les chirurgiens. 

Lorsque le coloscope prend cette position et que l'opérateur continue à pousser, les boucles 

grandissent et étirent l'intestin ce qui provoque des douleurs importantes. 

Par rapport aux incommodités signalées par les chirurgiens, des idées d'améliorations 

sont évoquées et aboutiront à un cahier des charges complet. 

En revanche, un endoscope comportant une gaine externe à usage unique pourrait être 

intéressante et immédiatement utilisable. Pour les spécialistes, l'utilisation d'un ustensile jetable 

serait une méthode plus simple, moins embarrassante et moins coûteuse en temps. 

Mais le coût de la gaine semblerait élevée (100 €) et les fabricants ne se sont pas 

encore intéressés à ce secteur. Un prix de 70 € de la gaine en ferait cependant un outil 

compétitif. 

Une proposition intéressante serait d'utiliser un endoscope existant et d'y rajouter une 

partie amovible jetable pour aider à la progression, à la motricité, tout en gardant le système de 

béquillage et le système optique qui sont assez performants. 

Mais les chirurgiens précisent que le diamètre de l'outil ne peut pas trop augmenter : 

ils estiment à 16 mm, le diamètre maximal d'un nouvel outil de coloscopie, sans progression 

importante du taux d'échec. 





Pour pouvoir réduire les doses anesthésiques prescrites au patient, nous devons nous 

concentrer sur la diminution des douleurs infligées à ce dernier. Les boucles, mais aussi les 

contacts entre la partie distale du coloscope et les parois intestinales, en sont les causes. Eviter 

la formation des boucles est un problème précis, dont les solutions sont déjà en cours d'étude 

(recherches d'endoscopes à rigidité variable). Par contre, rien de concret n'existe pour le 

moment sur le marché, par rapport à la commande de la tête de l'endoscope de façon 

automatique, pour éviter les contacts avec les parois intestinales. 

De façon générale, les utilisateurs de coloscopes soulignent que des dommages infligés 

aux parois intestinales lors des opérations, ont pour résultats d’obliger le patient à des séjours 

parfois de longue durée à l'hôpital. Ainsi, une diminution de ces contacts aurait une influence 

directe sur la diminution du coût total de la coloscopie traditionnelle. 

Plusieurs solutions existent ou sont en cours d'élaboration. Une progression sans 

douleur est offerte par la capsule [APPLEY 01]. Mais cette solution est révolutionnaire, 

uniquement dans le domaine du diagnostic. 

Une autre solution serait peut-être d’y faire progresser un robot autonome. Nous 

reviendrons plus tard sur ce genre de locomotion, mais le point négatif de cette solution est sa 

vitesse de progression très faible. Actuellement, 10 minutes sont nécessaires au chirurgien pour 

mettre en place tout l’endoscope dans le côlon. Si nous arrivions à trouver un appareil beaucoup 

plus confortable pour le patient, les chirurgiens pourraient tolérer une augmentation du temps 

d’introduction de l’endoscope de 50% (donc de l'ordre de 15 minutes pour la pénétration de 

l'outil). 

Le petit matériel utilisé est encore très rustique et peut, lui aussi, faire l'objet 

d'innovations importantes. Mais il est vrai que les chirurgiens ont une certaine habitude avec ces 

derniers et une évolution peut également causer certains problèmes de temps d'apprentissage. 

Les incommodités signalées par les spécialistes nous ont amenés à réfléchir sur la 

conception d'un nouvel outil dont les caractéristiques ont été évoquées ci-dessus. Nous 

allons maintenant mettre en place le cahier des charges correspondant. 

1.3 Cahier des charges 

Finalement, nous pouvons correctement définir notre domaine d'application. Nous avons à 

concevoir un coloscope pour l'inspection du gros intestin ou une partie de celui-ci. 

L'environnement dans lequel nous avons à évoluer et les souhaits des chirurgiens nous 

conduisent aux conditions suivantes. 





objectifs 

réduire les douleurs causées à l'intestin ou aux 

muscles mésentériques, 

choix 

repenser la conception de la partie distale de 

l'endoscope, 

progresser au moins aussi vite que les 

coloscopes traditionnels poussés pas les 

chirurgiens, 

garder le même mode de progression par 

poussée manuelle, 

permettre aux chirurgiens d'opérer dans les 

mêmes, sinon meilleures, conditions 

qu'actuellement, 

conserver les techniques d'opération pour que 

le chirurgien soit le moins désorienté possible, 

avoir une taille à peu près identique aux 

coloscopes traditionnels, 

concevoir un nouvel outil, dont le diamètre est 

défini, a priori adaptable à la place de la partie 

distale actuelle, 

dans la mesure du possible, éviter la 

stérilisation, donc limiter le prix de revient 

(inférieur à 70 €), 

utiliser des matériaux standard peu coûteux 

pour nous le permettre. 

Tableau 1.1. Récapitulatif du cahier des charges. 

Les points-clés de ce cahier des charges sont notre volonté d'être en accord avec la 

Chirurgie Minimalement Invasive, c'est-à-dire minimiser les contacts entre l'outil et les parois 

intérieures du côlon. Nous allons donc développer une nouvelle partie distale de l'endoscope 

dont l'extrémité se placera automatiquement sur l’axe du côlon en évitant tout contact. 

Une forte diminution des contacts aura comme conséquence directe la possibilité de 

réaliser une anesthésie moins importante, donc moins de temps passé à l'hôpital pour le patient 

et de favoriser une cadence opératoire plus élevée. Des répercussions sur les dépenses sociétales 

sont donc prévisibles. 

Grâce à ce placement autonome de l'outil, le chirurgien n'aura alors plus besoin de 

manipuler les molettes pour orienter la tête de l'endoscope et il pourra se concentrer uniquement 

sur la poussée manuelle de l'outil. La mise en place de cette technique devra avoir comme effet 

un temps d'introduction de l'outil identique voire réduit. Une fois en place à proximité du tissu 

malade, il pourra utiliser le petit matériel pour procéder aux prélèvements ou autres opérations. 

L'apprentissage sera donc minimal et le chirurgien gardera ses repères. 

1.4 Plan de la thèse 

Le second chapitre est consacré à un état de l'art sur l'endoscopie industrielle qui peut être une 

aide précieuse par rapport aux techniques exploratrices. Nous entrerons ensuite dans le monde 





médical en montrant les nombreuses applications faisant appel à la robotique. Nous achèverons 

ce parcours en détaillant les recherches entreprises dans le monde la coloscopie. 

Ensuite, le troisième chapitre aborde la phase de conception de l'EDORA (Extrémité 

Distale à ORientation Automatique) que nous proposons. Etant dans une phase d’exploration 

de solutions, différents types d'actionneurs en flexion seront étudiés. Une analyse des solutions 

répondant à notre cahier des charges sera proposée. Nous détaillerons ensuite la conception 

d’une maquette de faisabilité que nous estimons indispensable pour valider nos choix. Les 

techniques de repositionnement automatique de l'EDORA au milieu d'un tuyau seront étudiées. 

L’implantation générale du montage nécessaire à cette maquette de faisabilité et son 

fonctionnement seront également décrits. 

La modélisation complète de l'EDORA est définie dans le chapitre suivant. Dans un 

premier temps, un modèle mathématique statique sera posé pour valider notre conception de 

l'EDORA. Une analyse plus poussée, prenant en compte les capteurs et les autres actionneurs, 

ainsi que des résultats expérimentaux, nous conduira à un modèle total de la maquette de 

faisabilité. 

Les limites de stabilité seront établies à partir d'expériences en boucle fermée. Les 

résultats des essais réalisés à partir de la maquette seront analysés Nous verrons alors que notre 

outil sera capable d’agir de façon automatique en s’inclinant pour éviter tout contact. Nous 

exposerons également les résultats obtenus à partir de l'exploration d'un tube rectiligne à l'aide 

de notre nouvel outil. 

Enfin, le dernier chapitre conclura cette étude et traitera également de l'avenir de notre 

maquette de faisabilité. Effectivement, un nouveau prototype, en cours de simulation, sera 

évoqué pour les applications futures dans les intestins. 








Etat de l'Art - l'endoscopie industrielle, la Robotique Chirurgicale, la Coloscopie 

Partie 2 

Etat de l'Art - l'endoscopie industrielle, la 

Robotique Chirurgicale, la Coloscopie 





2 

PARTIE 2 ETAT DE L'ART - L'ENDOSCOPIE INDUSTRIELLE, LA ROBOTIQUE 

CHIRURGICALE, LA COLOSCOPIE............................................................................................................ 38 

2 ETAT DE L'ART .......................................................................................................................................... 40 

2.1 Introduction....................................................................................................................................... 40 

2.2 L'endoscopie industrielle................................................................................................................... 41 

2.2.1 La partie locomotion autonome ..................................................................................................................... 42 

2.2.2. La tête pliable de l'endoscope.................................................................................................................... 46 

2.2.3 Conclusion ..................................................................................................................................................... 51 

2.3 La robotique chirurgicale ................................................................................................................. 51 

2.3.1 Introduction.................................................................................................................................................... 51 

2.3.2 Chirurgie Minimalement Invasive ................................................................................................................. 52 

2.3.3 Chirurgie Assistée par Ordinateur.................................................................................................................. 53 

2.3.4 Validation médicale ....................................................................................................................................... 54 

2.3.5 Conclusion ..................................................................................................................................................... 55 

2.4 L’endoscopie médicale et la coloscopie............................................................................................ 55 

2.4.1 L'endoscopie médicale................................................................................................................................... 56 

2.4.2 La coloscopie ................................................................................................................................................. 57 

2.4.2.1 La partie locomotion autonome............................................................................................................. 57 

2.4.2.2 La tête flexible de l'endoscope .............................................................................................................. 61 

2.4.3 Conclusion ..................................................................................................................................................... 68 

2.5 Conclusion ........................................................................................................................................ 68 





2 Etat de l'Art 

2.1 Introduction 

De tout temps, les hommes ont cherché à inventer, à innover, à découvrir. Il y a notamment 

l'infiniment grand, l'espace, les planètes, les systèmes solaires. Mais à l'inverse, l'infiniment 

petit est aussi objet de découvertes, source de surprises. Les explorations d'endroits 

inaccessibles, qu'ils soient microscopiques ou macroscopiques sont toujours sources de 

motivation. 

L’endoscopie permet, dans certaines circonstances, de pallier ces besoins de 

découvertes. Le mot "endoscopie" provient de deux mots grecs : endon (dedans) et skopein (la 

vue). La tâche d'endoscopie consiste donc à parcourir l'intérieur d'un objet afin de réaliser tout 

d'abord des fonctions de perception (vision, mesures chimiques, température, …), mais aussi 

d'intervention (nettoyage, dépôt, ablation, … ). Ce terme est généralement utilisé en médecine 

peu invasive pour soigner les parties internes du corps humain comme l'estomac, le cœur, le 

cerveau ou les vaisseaux eux-mêmes. 

Par définition, un endoscope chirurgical permet d’observer l'intérieur d’un organe du 

corps humain. Il est évidemment nécessaire de fournir un éclairage et des moyens de vision. La 

phase d'intervention est assurée par un cathéter qui peut être creux. Lorsqu'une inspection se fait 

dans des vaisseaux tortueux de l'ordre du millimètre, on parle de fibroscopie. 

Dans un premier temps, nous nous focaliserons sur l'endoscopie industrielle. 

Effectivement, la recherche de nombreux exemples permettent de couvrir un large panorama, de 

réalisations et d’applications, qui peuvent être utiles à la conception d’un nouveau coloscope. 

Différents aspects seront abordés : après un rapide rappel sur les actionneurs et microactionneurs, 

nous détaillerons l'état des recherches concernant la locomotion autonome. Nous 

expliquerons ensuite l'évolution de cette simple locomotion par l'apparition de structures 

pouvant progresser dans des tubes non-rectilignes. 

La Robotique chirurgicale sera ensuite détaillée et vue sous différents aspects : 

principalement la Chirurgie Minimalement Invasive et la Chirurgie Assistée par Ordinateur (une 

partie de l'étude se trouvant en ANNEXE 2). 

Pour finir, une partie détaillée sur la coloscopie, donnera l’état des différentes 

recherches effectuées dans le monde et nous aidera à nous situer par rapport à elles. 

Nous détaillerons, dans les paragraphes suivants, les principales 

stratégies de locomotion et d'inclinaison de la tête d’un endoscope et 

nous conclurons par une réflexion menée sur l'intérêt et l'apport de ces 

stratégies en Coloscopie. 





2.2 L'endoscopie industrielle 

"L'inspection d'une cavité à l'aide d'un endoscope". C'est par cette définition simple, qui nous 

ouvre de nombreuses perspectives, que nous allons aborder le monde de l'endoscopie 

industrielle. 

En général, l'endoscope est poussé dans un tuyau ou une cavité par une source 

mécanique externe. De temps en temps, les tubes ne sont pas rectilignes ou une direction est à 

choisir lors d'une bifurcation. Dans ces cas-là, l'endoscope doit être capable de se déformer, soit 

pour épouser la forme du tube, soit pour choisir une direction. 

Lorsque nous établissons un état des recherches actuelles, nous remarquons souvent 

une distinction entre la partie locomotion et la partie inclinaison de l'endoscope. 

Pour pouvoir créer un mouvement de locomotion, comme d'ailleurs un mouvement 

d'inclinaison, il faut utiliser des actionneurs qui vont créer le mouvement souhaité. Un 

actionneur a donc pour rôle d'agir sur un processus à partir d'ordres émis par un système 

d'information. 

A échelle réduite, notamment en endoscopie, des besoins de développement de microactionneurs 

contournent le problème de la miniaturisation. Dans [DARIO 92], il est indiqué que, 

face à la difficulté de minimiser la taille des moteurs classiques, d’autres types d'actionneurs 

sont apparus soulignant pour chacun leurs avantages et leurs inconvénients. Face à la diversité 

de ces actionneurs, la solution la plus ingénieuse est de choisir un actionneur approprié, c’est-àdire 

ayant des performances en accord avec l’application spécifique à réaliser. 

[BOURJAULT 02] propose une classification simplifiée des principes de microactionnement 

utilisables en micro-robotique. Quatre types d'énergie sont alors proposés : 

électromagnétique, thermique, fluidique et chimique. Nous n'allons pas ici détailler tous ces 

micro-actionneurs, mais uniquement aborder deux types qui sont les plus utilisés en milieu 

endoscopique : les actionneurs fluidiques, les actionneurs thermiques et plus précisément ceux à 

Alliage à Mémoire de Forme (AMF). 

[AROUS 95] propose une classification des actionneurs fluidiques, effectuée en 

considérant le type du système et le principe physique utilisé. Il explique que la miniaturisation 

des systèmes a poussé à créer ce type d'actionneurs. Nous retrouvons dans une des catégories 

proposées, les micro-actionneurs de type muscle, qui sont les plus adaptés pour des applications 

d'endoscopie (nous allons y revenir dans le paragraphe 3.3, page 82). Ce type d'actionneur en 

caoutchouc est flexible et peut, entre autres, changer de volume et se contracter en longueur. 

Les actionneurs à AMF sont des actionneurs thermiques, qui subissent une 

transformation de phase solide/solide pour se déformer. Ces actionneurs s'éduquent au cours de 

la fabrication ; il est possible de choisir les formes initiales et déformées de la structure ainsi 

que son seuil thermique de changement de phase. Ces caractéristiques ne sont pas aisément 

ajustables. Les AMF engendrent de grands déplacements et retrouvent, après refroidissement, 

leur forme initiale. Ils présentent d’importants défauts d’hystérésis. Ils sont souvent utilisés 

pour les applications d'endoscopie, que ce soit en locomotion autonome ou pour l'inclinaison de 

l'outil. 





2.2.1 La partie locomotion autonome 

Dans un premier temps, nous nous concentrons donc uniquement sur la partie locomotion. Lors 

d'inspection, ce sont souvent les endroits éloignés des orifices d'ouverture et difficiles d'accès 

qui ont besoin d'être examinés et vérifiés. C'est pour cela que des moyens de locomotion 

autonome ont été mis en œuvre dans l'industrie. 

La locomotion autonome consiste en un mouvement de l'endoscope sans aide 

extérieure. L'outil progresse donc par ses propres moyens à l'intérieur de la cavité ou du tuyau. 

Pour un tuyau dont les dimensions sont assez réduites, un moyen parmi d'autres est le plus 

utilisé : le déplacement du ver, locomotion peristaltique ou de type "Inch-Worm". Ce type 

d’avance nécessite au moins trois sections distinctes qui assurent chacune une fonction précise 

soit d’élongation, soit de blocage. Les deux modules de blocage, qui assurent le maintien du 

corps dans le tube, sont séparés par le module d’élongation, qui réalise le pas. 

Une étude du Laboratoire d’Automatique Industrielle de l’INSA de Lyon 

[ANTHIERENS 99] basée sur la conception d'un micro-robot à actionneurs électropneumatiques, 

s'intéresse à l'inspection de tuyaux générateurs de vapeur en centrale nucléaire. 

Le micro-robot (figure 2.1) conçu, se déplace dans des tubes verticaux de 17 mm de diamètre et 

pouvant mesurer plusieurs mètre de long. Ici, la locomotion péristaltique est utilisée grâce à 

deux modules de blocage sur parois et le module d'allongement. La fonction d’élongation est 

réalisée par des soufflets métalliques, dont nous donnons les propriétés dans le chapitre suivant. 

Ce robot est capable de transporter une charge supérieure à 1 kg à l'intérieur d'un tube réel de 

centrale nucléaire. Sa précision de positionnement sur une course de 90 mm est inférieure à 60 

µm. Ce robot est donc capable d'arriver rapidement à une position donnée pour l'inspecter 

précisément. Par contre, l’alimentation électro-pneumatique impose des fils d’alimentation 

électrique et également des tuyaux pour transporter le fluide sous pression. 

L'énergie fluidique, plus particulièrement pneumatique, est aussi utilisée pour le robot 

[SUZUMORI 96] développé par l'équipe de Recherche et développement de Toshiba au Japon. 

Il est constitué de 24 pattes réalisées en micro-actionneurs flexibles (Flexibles Micro Actuator 

ou FMA) et se déplace dans des tubes de 15 cm de diamètre (figure 2.2). Les pattes de 16 mm 

de diamètre et de 60 mm de long (définies dans le paragraphe 2.2.2, page 50) sont alimentées 

sous 3.5 bars et permettent au robot d'évoluer à 40 mm.s -1 à l'horizontal. Dans un tube vertical, 

le robot peut emporter une charge de 160 g. 

Figure 2.1. Photo du robot de 

[ANTHIERENS 99] 

Figure 2.2. Photo du robot à 24 pattes en 

FMA de [SUZUMORI 96] 





Un autre robot de Toshiba peut, lui aussi inspecter des tuyaux industriels [TOSHIBA 

97]. En effet, grâce à ses roues placées en opposition autour du corps, ce mini-robot roule dans 

des tuyaux de 23 mm de diamètre (figure 2.3). Il est également équipé d'une micro-caméra qui 

observe l'environnement dans lequel il se déplace et d'une pince qui lui permet de dégager le 

tube des objets pouvant l'obstruer. Le mouvement d'avance est fourni par des micro-moteurs 

électriques, ce qui impose des fils d'alimentation. Il mesure 11 cm de long et semble être étudié 

pour la locomotion en tube faiblement incliné. 

Figure 2.3. Photo du robot d'inspection Toshiba 

Les trois robots présentés ci-dessus ont chacun leurs avantages et inconvénients. Leur 

inconvénient majeur est sans doute le fait qu'ils ne peuvent pas prendre de virages lors de 

l'inspection du tube. 

[IWASHINA 94] et [HAYASHI 95], du Tokyo Institue of Technology, Faculty of 

Engineering, ont conçu un système à roues pour progresser dans un tube en créant une 

trajectoire de roulement hélicoïdale. Le module d'avance fonctionne dans des tubes de 20 mm 

de diamètre. Il est composé de 2 plateaux de 3 roues, placées à 120° autour de l'axe du tube 

(figure 2.4). Ces roues sont plaquées, par des pattes, sur les parois du tube. Lors de la rotation 

du système, les roues, qui ont un angle d'hélice, engendrent une trajectoire hélicoïdale. Ainsi, 

l'ensemble progresse longitudinalement dans un tube. L'énergie mécanique de rotation est 

fournie par un câble flexible depuis un moteur externe au tube. Ce système peut avancer dans 

des tubes cintrés avec un rayon de courbure de 200 mm. Le poids de la charge transportable est 

de 650 grammes et sa vitesse atteint 34 mm.s -1 . 

Figure 2.4. Module de roulement hélicoïdal 





Le Precision and Intelligence Laboratoire, Tokyo Institute of Technology a conçu un 

robot pour des tubes de 25 mm de diamètre [YOSHIDA 96]. Il fonctionne suivant le mouvement 

"Inch-worm" et utilise des actionneurs à base de soufflets métalliques Les deux modules de 

blocage prennent appui sur les parois en écartant une bague fendue par l'intermédiaire d'un 

soufflet. L'actionneur principal est composé lui de deux soufflets métalliques de 8 mm de 

diamètre et d'un système de poulies (figure 2.5). Lorsqu'un seul soufflet est sous pression, la 

structure s'allonge et fléchi d'un coté. Lorsque les deux sont commandé simultanément, 

l'ensemble s'allonge et crée un pas. Il réalise des pas de 2 mm en portant des charges de 30 

grammes. Il est capable de franchir des bifurcations en T en 31 cycles et en Y en 20 cycles, le 

cycle correspondant à la commande d’un actionneur. 

Figure 2.5. Schémas du robot "Inch-worm" à soufflets et à poulies 

Des robots, utilisant des actionneurs à AMF, ont aussi été imaginés. C'est le cas du 

robot serpent [LIBERSA 98] du Laboratoire de Mécanique des Solides de l'Université de 

Poitiers. Ce robot possède 5 modules identiques ayant chacun deux états stables. Ces modules 

sont de forme carrée et possèdent des cotés flexibles qui s'articulent en liaison pivot autour de 

chaque coin. Les cotés opposés fléchissent deux par deux vers l'intérieur ou l'extérieur (figure 

2.6). La déformation s'effectue par l'intermédiaire de fils en AMF, qui relient les cotés opposés 

en leur milieu et engendrent ainsi le flambage de la structure. La méthode de chauffage utilisée 

est l'effet Joule (méthode directe) et la commande s'effectue en tout ou rien. L'arrêt du 

chauffage permet un refroidissement passif par convection naturelle, mais celui-ci est lent par 

rapport au chauffage. 

Conçu en forme de train, chaque module est capable de prendre appui sur les parois ou 

de s'allonger pour fournir ainsi un mouvement d'avance. Sur les 5 éléments, à chaque instant, 

deux d'entre eux sont dédiés au maintien sur le tube. L'excitation successive des modules 

suivant une onde, crée un mouvement d'avance en sens opposé (figure 2.6). L'avantage de cette 

structure est qu'il utilise une seule structure mécanique pour réaliser les fonctions d'accroche au 

tube et d'avance. De plus, les AMF travaillent en opposition et réduisent donc leur temps de 

réponse car l'un constitue le rappel de l'autre. Enfin, l'ensemble est facilement miniaturisable, 

cependant, il reste encore délicat de trouver un matériau de raideur adéquate en faibles 

dimensions pour constituer les poutres de flexion. Mais ce robot peut être capable de prendre de 

faibles rayons de courbure. 





Figure 2.6. Schéma du module à deux états stables [LIBERSA 98] et de la séquence d'avance du 

robot 

De même que le robot [ANTHIERENS 99] présenté figure 2.1, le robot proposé par 

[TOUAIBIA 98], du Laboratoire d'Automatique de Besançon, fonctionne lui aussi avec un 

mouvement de type "Inch-Worm". Ce qui impose la présence de 3 modules, dont deux dédiés au 

support du robot tandis que le troisième assure l'écart ou le rapprochement des appuis, créant 

ainsi le pas d'avance. L'actionneur central est ici un ressort en AMF qui s'oppose à un ressort 

passif qui a pour rôle de réduire le temps de réponse au refroidissement. Les modules de 

blocage disposent de trois pattes actionnées également par AMF et d’un ressort de rappel (figure 

2.7). La commande de ces actionneurs se fait par chauffage direct. L'objectif de ce robot est de 

progresser dans des canalisations de 10 mm de diamètre. 

Ressorts en FMA 

Ressort passif 

Fils en FMA 

pieds 

Figure 2.7. Schéma 

du robot actionné 

par AMF et de sa 

séquence d'avance 

"Inch-Worm" 

Le but de la coloscopie étant d'explorer le gros intestin, il serait tout à fait possible 

d'envisager utiliser un des moyens de locomotion cités ci-dessus pour faire progresser l'outil. 

Par contre, le côlon étant souple, tortueux, visqueux, il faudrait adapter les systèmes d'accroche 

du robot et le rendre très flexible. 

Transposition possible en Coloscopie ? 

Nous avons décidé, en accord avec les chirurgiens et autres spécialistes, 

d’éviter tout contact avec les parois intestinales. C’est pour cela que nous 

ne voulons pas utiliser de moyens de locomotion autonome. Nous allons 

uniquement automatiser la tête de l'endoscope. Par contre, les AMF sont 

adaptatifs à des applications médico-chirurgicales. 





Nous avons ici évoqué quelques robots autonomes qui peuvent progresser à distance 

dans des canalisations de différentes tailles. Certains peuvent prendre des bifurcations, d'autres 

avancer dans des tuyaux qui ont des rayons de courbure plus ou moins importants et d'autres 

enfin suivent simplement un conduit rectiligne. Ils ont tous leurs performances propres : la 

vitesse d'avance, la charge à emporter, le rayon de courbure plus ou moins important à prendre. 

Mais dans beaucoup d'environnements de plus en plus variés à explorer, des courbures 

importantes ou des bifurcations sont à prendre en compte pendant la progression de l'endoscope. 

Pour évoluer dans ces environnements complexes, d'autres idées apparaissent. 

2.2.2. La tête pliable de l'endoscope 

Nous voyons apparaître des développements de structures dédiés à l'inclinaison de la tête de 

l'endoscope. La poussée de l'endoscope est généralement manuelle, bien que des structures 

permettent une combinaison inclinaison/progression. 

Un premier exemple de mouvement de flexion s'inspire directement des animaux 

annélides [CHOI 02], de l'Université de Sungkyunkwan en Corée. A la base du processus, trois 

électrodes placées judicieusement autour d'un élastomère diélectrique constituent un actionneur 

appelé ANTLA. Ce sont les combinaisons des tensions envoyées à ces électrodes, qui 

fournissent les degrés de mobilité de l'actionneur. Chaque segment en anneau (figure 2.8), 

composé de trois actionneurs ANTLA, est ainsi capable d’engendrer des mouvements 

d'inclinaison et d'allongement (figure 2.9). 

Figure 2.9. Schéma montrant les 

mouvements possibles d'un anneau 

Figure 2.8. Photo d'un segment en anneau 

Figure 2.10. Photo des mouvements 

d'inclinaison du robot de [CHOI 02] 





Enfin, la figure 2.10 montre les faibles amplitudes des inclinaisons obtenues avec ce 

robot. Sa hauteur est de 65 mm, son diamètre de 30 mm, mais sa particularité est d’être creux 

(22 mm de diamètre). Il est ainsi possible d'imaginer que ce robot puisse être équipé de 

nombreux autres outils, capteurs ou actionneurs. 

La tête d'endoscope active développée au Fondamental Research Departement, 

Mitsubishi Cables Industries est actionnée par des AMF [MAEDA 96]. La section pliable de cet 

endoscope mesure 30 mm de long et est recouverte d'un tube de polyuréthanne de 2 mm de 

diamètre extérieur. Les actionneurs sont deux ressorts en AMF dont les extrémités sont 

solidaires d'un anneau mobile en translation autour de l'endoscope. Un fil de traction relie 

l'extrémité de la tête de l'endoscope à cet anneau (figure 2.11). Ainsi, lors du chauffage d'un 

ressort, l'anneau de déplace entraînant la courbure de la tête de l'endoscope. Un déplacement de 

3 mm de l'anneau provoque une courbure de 60°de la tête. Sur ce principe, un angle assez 

important de rotation est obtenu, mais avec un seul degré de mobilité. 

Toujours en utilisant des AMF, un bras polyarticulé actionné par deux plaques, est 

proposé par société Olympus à Tokyo [ARAMAKI 95]. Le corps d'1 mm de diamètre est équipé 

d'une plaque en AMF, posée sur le dessus et divisée en 3 secteurs et d'une autre, divisée en 2 

portions, qui assure le fléchissement latéral (figure 2.12). 

Figure 2.11. Schéma de l'actionneur en 

AMF du robot de [MAEDA 96] 

Figure 2.12. Schéma de l'endoscope 

actionné par AMF de [ARAMAKI 95] 

Les sollicitations indépendantes des différentes parties des plaques procurent des 

déplacements variés en 3 dimensions. Ce bras de 80 mm de long rencontre des problèmes de 

précision de positionnement à son extrémité. En effet, le chauffage indirect des AMF est à 

l'origine de dispersions thermiques non négligeables qui, en plus de diminuer le rendement 

énergétique, interfèrent sur les différentes parties d'actionneurs normalement non-excitées. De 

plus, comme tous les AMF, les temps de réponse s'avèrent relativement longs. 





Sur le même principe de fonctionnement que la tête d'endoscope précédente, celle 

proposée par le Yamagata Recherche Institute of Technologique (Japon) [MINETA 01] utilise 

trois actionneurs à AMF disposés à 120° sur la périphérie d'un ressort qui joue le rôle de corps 

central (figure 2.13). Ces actionneurs ont une forme en "S" et ont donc un plus grand pouvoir 

d'extension (jusqu'à 40 % de la longueur initiale). Chaque actionneur est bien entendu connecté 

individuellement au ressort central, ce qui procure un mouvement en trois dimensions à 

l'ensemble du système. La longueur du cathéter actif est de 12.4 mm et son diamètre extérieur 

de 0.9 mm. Il commence à se courber à partir d'un courant de 40 mA, arrive à un angle 

maximum de 50° à 60 mA pour un rayon de courbure de 8 mm. Les temps de réponse en 

chauffage et refroidissement sont identiques (car les actionneurs sont placés à 120° les uns des 

autres) et sont de l'ordre de 0.5 seconde. 

Un autre endoscope articulé et actionné par des alliages à mémoire de forme a été 

développé à l'Université de Tohoku à Sendaï (Japon) en collaboration avec Mistubishi. Cet outil 

permet d'inspecter des tubes de diamètre supérieur à 3 mm (figure 2.14) [LIM 96]. Il est 

composé de 4 modules identiques, de 6 mm de longueur, encapsulés dans une gaine de 2.8 mm 

de diamètre. Chaque module micro-usiné est constitué d'un corps rigide et d'une articulation 

souple qui lui permet de s'orienter par rapport au précédent. L'alimentation indépendante des 

alliages permet l'orientation des modules entre eux suivant 3 directions avec des amplitudes 

atteignant 32°. 

Figure 2.13. Photo de l'endoscope actionné par AMF de 

[MINETA 01] 

Figure 2.14. Schéma de l'endoscope à AMF de [LIM 96] 

Un projet, plus complet, d'endoscopie industrielle est présentée par [FERREIRA 02], 

du Laboratoire Vision et Robotique de Bourges. L'outil multi-fonctionnel décrit ici, est une tête 

miniature, orientable par deux actionneurs en AMF. Deux ressorts de rappel et une tige rigide 

permettent aux AMF (placés à 90° l'un de l'autre), de commander la tête de l'endoscope dans 

toutes les directions. Elle intègre différents instruments d'expertise (une micro-caméra, un 

capteur ultrasonore), d'intervention et de localisation (capteurs de contact, micro-antennes 

magnétiques)(figure 2.15). 

L'outil mesure 25 mm de diamètre et la tête a une orientation maximale de ± 60°, avec 

une résolution angulaire de 0.2°. 





Un joystick permet de manœuvrer avec précision l'insertion de l'endoscope à l'intérieur 

du tuyau (une locomotion autonome est en cours d'investigation). Les mouvements de la microcaméra 

sont contrôlés par un traqueur magnétique de type FoB (Flock of Bird), relié à des 

lunettes stéréoscopiques montées sur la tête de l'opérateur. 

Les AMF sont donc très prisés pour réaliser, par exemple, des mouvements 

d'orientation de la tête d'un endoscope. Les temps de réaction élevés lors du refroidissement 

sont leur principal handicap, en particulier en atmosphère confinée, mais des techniques 

diverses (ressort de rappel mis en opposition, …) peuvent le diminuer. 

Par contre, les AMF peuvent engendrer des amplitudes très importantes suivant leur 

utilisation et leur fabrication. 

Cependant, d'autres types d’actionneurs sont également utilisés pour obtenir des 

mouvements de flexion de l'endoscope, en particulier les actionneurs fluidiques que nous 

abordons maintenant. 

Figure 2.15. Représentation du Micro-Endoscope de [FERREIRA 02] 

Le robot mobile de [FUKUDA 89], du Science University of Tokyo, Department of 

Mechanical Engineering, présente les avantages de pouvoir progresser et s'orienter dans un 

tuyau de seulement 50 mm de diamètre intérieur. Un alliage de métal, capable d'absorber de 

l'hydrogène par changement de température, est utilisé ici. Ce système, réversible, permet de 

faire varier le volume de gaz embarqué, pour fournir au mécanisme l'énergie nécessaire pour se 

mouvoir. Ce robot, constitué de 12 actionneurs de type muscle en caoutchouc entouré de Nylon, 

progresse avec un mouvement de type "Inch-Worm". Les quatre actionneurs d'allongement 

mesurent 70 mm de long et les huit actionneurs de contact font 35 mm de long. Le robot est 

capable de s'adapter à des changements de diamètre et de prendre des bifurcations de type L et 

T (figure 2.16). 





configuration 

initiale 

mouvement 

d'accroche 

inclinaison 

Figure 2.16. Schéma des différentes configurations possibles du robot de [FUKUDA 

89] et sa photo 

Nous pouvons faire état également de l'actionneur fluidique de [SUZUMORI 91] 

[SUZUMORI 92]. Il a été développé par le Centre de Recherche et Développement de Toshiba 

en collaboration avec le Département de Mécanique de l'Ingénieur de l'Université Nationale de 

Yokohama (Japon). Ce micro-actionneur flexible est commandé électropneumatiquement. Il 

présente trois degrés de liberté qui sont à peu près comparables aux mouvements que peut 

réaliser un doigt. La structure de cet actionneur est montrée figure 2.17. Il est fait de caoutchouc 

renforcé de fibres sur sa périphérie, ce qui limite fortement les déformations radiales. Trois 

chambres internes contrôlées indépendamment permettent à cet actionneur de réaliser le 

mouvement décrit plus haut. Ainsi, lorsque les pressions dans les trois chambres augmentent 

simultanément, l'actionneur s'allonge. Et lorsqu'une pression augmente dans une chambre, 

l'actionneur se plie dans le sens opposé. 

Figure 2.17. Schéma des différents éléments constitutifs du robot à trois chambres de 

[SUZUMORI] 


La conception de notre outil de coloscopie impose une grande flexibilité 

mécanique. Nous allons donc nous inspirer de ces exemples pour 

concevoir la partie distale du coloscope permettant une inclinaison 

importante et un temps de réponse faible. 





2.2.3 Conclusion 

Nous avons présenté dans cette première partie des exemples de robots endoscopiques capables 

de se mouvoir par leur propre moyen et d'autres capables de se plier pour prendre des 

bifurcations ou des virages. 

Beaucoup de robots utilisent le moyen de locomotion péirstaltique pour progresser 

dans un tuyau, mais d'autres progressent en roulant sur les parois. Ce sont les principes et donc 

les techniques d'alimentation qui diffèrent d'un robot à l'autre. L'énergie fluidique, thermique ou 

encore une combinaison des deux procurent des caractéristiques différentes et adaptées à chaque 

exploration. 

Des robots capables de s'adapter à des rayons de courbure, ou conçus pour prendre des 

bifurcations sont aussi présentés. Ici aussi, les moyens d'alimentation, comme les techniques de 

conception, diffèrent d'un robot à l'autre. 

Mais finalement, nous réalisons que les alliages à mémoire de forme ou les actionneurs 

fluidiques sont les plus souvent utilisés en endoscopie industrielle. 

2.3 La robotique chirurgicale 

2.3.1 Introduction 

Depuis les quinze dernières années, les robots ont fait leur apparition dans les salles d'opération. 

Les technologies de Robotique sont maintenant régulièrement utilisées dans des buts 

d'endoscopie en Chirurgie Minimalement Invasive (plus communément appelé Minimaly 

Invasive Surgery ou MIS), qui regroupe, par exemple, la chirurgie orthopédique ou le guidage 

des instruments vers des tumeurs en neurochirurgie. 

Pour comprendre les avantages de l'utilisation d'un robot en chirurgie, [HOWE 99] 

considère les différentes caractéristiques entre l'homme et la machine. 

Une différence-clé est la précision et l'exactitude, ou plus généralement l'habileté à 

utiliser une quantité importante et détaillée d'informations : une utilisation combinée d'images 

3D d'une base de données, et de capteurs intra-chirurgicaux par exemple, permet aux robots de 

guider avec précision les instruments chirurgicaux dans les organes du patient. 

Une autre différence importante est la conception de structures spéciales. Elles 

permettent aux robots de travailler par des incisions plus petites que celles qui seraient utiles 

pour des mains humaines, mais peuvent également travailler à de petites échelles ... où les 

mains de l’homme arrivent à leurs limites ! 

Les humains sont cependant supérieurs lors d'intégrations de diverses sources 

d'information, d'utilisation d'informations qualitatives et de prises de décisions. Ils ont une 

bonne coordination yeux-mains et un sens développé du toucher. 

Une définition du mot "robot" a été proposée dans [GUITTET 88] : "Un robot est un 

appareil automatique adaptable à un environnement complexe, remplaçant ou prolongeant une 

ou plusieurs fonctions de l'homme agissant sur son environnement". Cette définition laisse 





entrevoir deux types de machines assez fondamentalement différentes dans leurs rapports avec 

l'homme : les machines de substitution et les machines de coopération. 

Les machines de substitution opèrent seules après avoir été programmées par l'homme 

et les machines de coopération opèrent sous le contrôle direct de l'homme. En fait, dans l'état 

actuel des techniques, c'est le plus souvent la fonction de prolongation des fonctions de l'homme 

qui est en jeu. Le remplacement de l'homme n'est total que dans certains cas isolés. 

Ainsi, les systèmes robotiques chirurgicaux sont mieux décrits comme "une extension 

des capacités humaines" que comme "les remplaçants des chirurgiens". 

Finalement, avant d'aborder la robotique chirurgicale, nous pouvons citer trois cas pour 

lesquels les recherches effectuées relèvent vraiment de la Robotique : 

- la microchirurgie, où l'appareillage de micro-manipulation peut être beaucoup plus 

précis que celui manié directement par le chirurgien. 

- l'endochirurgie, qui permet des opérations in situ grâce à une miniaturisation du 

manipulateur et à sa commande à distance, 

- la téléchirurgie, où le praticien exerce son art à une très grande distance, par 

exemple depuis son cabinet à terre, pour opérer un patient à bord d'un bateau en 

mer. 

L'apport de nouvelles technologies dans le milieu chirurgical permet donc d'augmenter 

l'aisance du geste du chirurgien notamment grâce aux "robot d'assistance". L'efficacité et la 

sécurité de l'acte sont améliorées et de nouvelles stratégies opératoires apparaissent. 

2.3.2 Chirurgie Minimalement Invasive 

Dans les dernières années, beaucoup de procédures chirurgicales ont évolué pour être 

compatibles avec les Chirurgies Minimalement Invasives. 

La chirurgie traditionnelle requiert une incision assez grande pour que le chirurgien 

puisse observer et placer directement ses outils ou ses doigts sur les organes à opérer. Ainsi, des 

dégâts sont souvent faits à la peau, aux muscles, aux os et aux autres tissus à traverser pour 

rechercher la région malade du patient. Les résultats des préjudices causés au patient sont un 

long séjour à passer à l'hôpital et des complications possibles dues au traumatisme chirurgical. 

Actuellement, la tendance est à l'orientation des procédures chirurgicales vers la MIS, 

ce qui implique un traumatisme limité au patient, soit en réduisant la taille de l'incision à 

environ 1cm, soit en utilisant des cathéters ou endoscopes à travers des vaisseaux sanguins, les 

conduits intestinaux, ou toutes autres structures tubulaires. 

La MIS consiste donc à atteindre et à intervenir sur la partie malade du patient en 

inffligeant le minimum de traumatisme aux organes environnants. Ainsi, les risques postopératoires 

et les risques d'infection sont réduits et le patient peut retrouver une activité normale 

très tôt après l'intervention chirurgicale. 

Les différentes méthodes d'intervention que nous allons décrire maintenant sont en 

accord avec la MIS, qui est devenue un maître-mot dans le domaine de l'intervention 

chirurgicale. 






La Chirurgie Minimalement Invasive est incontournable dans notre cas. 

Le prototype que nous voulons concevoir est destiné à réduire au 

minimum les douleurs infligées au patient et également la période de 

convalescence à l'hôpital. 

2.3.3 Chirurgie Assistée par Ordinateur 

Il faut savoir qu'une intervention médicale est toujours compliquée et peut nécessiter de 

nombreuses activités pré et post-opératoires. Comme l'exécution d'une opération est maintenant 

une succession d'activités standard, il est nécessaire que ces activités soient regroupées 

ensemble sur des interfaces communes, par des moyens de communication de haute 

performance, d'où l'utilisation d'un ordinateur très perfectionné. 

Ainsi, pour réaliser une intervention chirurgicale, nous pouvons séparer les tâches 

comme suit : 

- l'acquisition de données pour pouvoir poser un diagnostic et récupérer des images 

donnant les caractéristiques de ce mal, 

- la reconstruction et l'enregistrement des images qui consistent, par l'intermédiaire 

d'algorithmes connus, à reformer l'image 3D d'une portion du malade contenant 

avec précision la position du mal, sa forme et toutes les autres caractéristiques, 

- la planification opératoire : le chirurgien, à partir des données obtenues, peut 

décider de la trajectoire à effectuer avec le robot lors de la future intervention. Il 

peut réfléchir à différentes trajectoires, par exemple celle qui infligera le moins de 

traumatismes au patient et donc, entre autres, une convalescence plus courte. 

Nous voyons donc que la chirurgie n'est plus simplement un maniement d'outils 

chirurgicaux, dans le corps du patient. Elle devient très souvent, avec l'aide d'outils 

informatiques, plus préventive et plus sûre. 

La Chirurgie Assistée par Ordinateur n'est pas tout à fait découplée de la Télé- 

Manipulation, se pratiquant sur une console à distance de la table d'opération, ou de la Réalité 

Virtuelle, qui fait appel à des images stockées en mémoire d'un ordinateur. Elle est au contraire 

une utilisation possible de ces technologies. 


L'ordinateur devient incontournable dès que l'on introduit, dans la salle 

d'opération, des aspects calculatoires, et avec stockage d'informations. 

Nous devrons donc certainement assister le chirurgien d'un ordinateur 

lors des futures opérations de coloscopie. 





Nous avons présenté ci-dessus, des exemples de techniques chirurgicales et leur 

transposition éventuelle en coloscopie. Certaines sont compatibles avec les modifications que 

nous voulons apporter à l'utilisation des coloscopes actuels, d'autres sont trop spécifiques par 

rapport aux idées retenues dans le cahier des charges du premier chapitre. 

2.3.4 Validation médicale 

Une fois les recherches "terminées", validées en laboratoire, une longue période de validation 

médicale est encore à satisfaire. 

Nous avons vu ci-dessus que la robotique chirurgicale est un domaine très actif de la 

recherche depuis les dix à vingt dernières années ; et les innovations continuent à affluer. Dans 

ce dernier paragraphe, nous nous proposons d’expliquer les principaux problèmes que rencontre 

la recherche et aussi les principales contraintes d'acceptations médicales. 

Il y a sans conteste l'apport de la précision, de la stabilité de mouvement et de la 

dextérité. Mais vu le développement rapide de la robotique médicale, les robots n'ont pas été 

optimisés pour effectuer des tâches spécifiques de chirurgie. Il y a eu une dérive de la robotique 

industrielle dont la fonction principale était la répétabilité et non pas la précision en position 

plus importante en chirurgie. 

Le chirurgien opérant en télé-opération par l'intermédiaire d'un robot, même avec un 

bon retour d'effort, n'aura jamais les mêmes sensations que lorsqu'il opérait directement sur le 

patient. Intégrer les informations tactiles reste un problème qui peut encore beaucoup évoluer, 

même pour les objets rigides. 

En télé-opération, d'énormes progrès ont été effectués en ce qui concerne le suivi 

visuel automatique des outils, dans la zone de travail du chirurgien. 

En considérant également toutes les connaissances anatomiques et les techniques 

d'opération des chirurgiens, il est plus raisonnable de concevoir dans un premier temps des 

robots semi-autonomes qui travailleraient en collaboration avec le chirurgien, que des robots 

complètement autonomes ! 

[HOWE99], de l'Université d'Harvard à Cambridge, indique que la sûreté concerne 

évidemment la robotique chirurgicale et les organismes de normalisation exigent qu'elle soit 

suivie pour chaque intervention clinique. Mais vu la complexité des systèmes actuels, il n'y a 

aucune technique sûre qui garantisse la sûreté des systèmes robotiques en toute circonstance. 

Les robots assureront leurs succès dans le monde de la chirurgie seulement si des 

résultats significatifs sont obtenus sur les patients, s'ils reviennent moins chers que la chirurgie 

traditionnelle, ou les deux. Malheureusement, dans la plupart des cas, les résultats ne peuvent 

pas être évalués immédiatement après l'intervention chirurgicale. Par exemple, 15 ans peuvent 

être nécessaires pour mesurer la différence de durabilité entre un remplacement robotique ou 

manuel d'une hanche. 

Le coût du robot entre également en jeu : leur prix peut atteindre le million d'euros. 

Mais comme ces robots sont de plus en plus vendus, leur prix décroît. De plus, certains d'entres 

eux sont conçus pour des tâches spécifiques. Avec plus de maturité, un système robotique sera 





plus flexible et pourra être utilisé pour plusieurs procédures dans une spécialité chirurgicale, ce 

qui réduira encore les coûts. 


La validation est évidemment incontournable dans le domaine médical. 

Une fois notre coloscope construit dans sa version finale, il nous faudra 

franchir l’étape de la validation. 


Nous avons introduit, dans cette partie, la robotique dans le monde de la chirurgie. Il est 

clairement décrit que la Robotique est présente dans un très large panel d’applications 

médicales. Bien qu’étant constamment en pleine évolution, elle tend à être de plus en plus 

encrée dans le milieu chirurgical. Un complément d'informations sur la Robotique Chirurgicale 

est proposées en ANNEXE 2. 

Finalement, la robotique promet beaucoup en termes d'évolution chirurgicale et déjà 

beaucoup de procédures ont évolué en ce sens. Des chirurgiens travaillant aussi dans le domaine 

de la recherche affirment leurs besoins de se familiariser avec les technologies de robotique. Il 

en est de même pour les chercheurs en robotique qui créent des outils en accord avec les 

demandes des chirurgiens. Ces groupes de recherche qui ont créé des systèmes demandant 

d'étroites collaborations entre la robotique, l'informatique et les chirurgiens, ont amorcé une 

nouvelle ère d'interdisciplinarité entre ces domaines. 

2.4 L’endoscopie médicale et la coloscopie 

Comme nous l'avons défini en introduction de l'endoscopie industrielle, l'endoscopie consiste à 

inspecter l'intérieur d'un objet. En médecine, les organes internes du corps humain peuvent être 

inspectés en insérant un endoscope par les orifices naturels : oreilles, gorges, rectum …ou par 

de petites incisions faites dans la peau, comme par exemple en laparoscopie. L'endoscopie est 

donc tout à fait en phase avec la MIS qui consiste à infliger le moins de traumatismes possibles 

au patient. 

Pour [TENDICK 98], du Department of Surgery, University of California in San 

Francisco, et [DARIO 96] du ARTS/MiTech Laboratory, Scuola Superiore Sant'Anna à Pise, la 

MIS est étudiée et mise en avant comme une chirurgie tout à fait à la portée des applications- 

Machine. Les micro-systèmes, MEMS (Micro Electro Mechanical System) ou Micromachines, 

sont des systèmes miniaturisés regroupant plusieurs technologies, comme l'Electronique et la 

Mécanique, par exemple. Les endoscopes en sont une parfaire illustration car, mis à part les 

moyens de locomotion qui eux font appel à la robotique, il faut aussi éclairer l'orifice, filmer et 

enregistrer les images et intervenir en cas de besoin. Toutes ces commandes sont réalisables 

uniquement avec l'apport d'autres technologies. Tous les dispositifs que nous allons évoquer 

sont pour la plupart des MEMS. 





Nous allons dans un premier temps nous attarder sur quelques applications 

d'endoscopes, comparer les techniques d'exploration et les structures de ces outils. 

Ensuite nous détaillerons les recherches effectuées dans le monde de la coloscopie. 

Nous développerons séparément la partie locomotion autonome de la partie inclinable des 

coloscopes, comme nous l'avons fait pour l'endoscopie industrielle. 

2.4.1 L'endoscopie médicale 

Il existe en ce moment en chirurgie, un nombre très important d'interventions endoscopiques 

telles que la gastroscopie, la coloscopie, la bronchoscopie, l'endoscopie cardiaque, … Et 

chacune de ces explorations est une endoscopie spécifique à un organe ou à une région du corps 

humain. 

Un exemple de recherche concerne les traitements des cancers des conduits biliaires. 

Actuellement, le traitement est lourd pour soigner cette maladie, c'est pourquoi [LAFON 99], de 

l'INSERM à Lyon, développe une application par ultrasons compatible avec les techniques 

classiques d'endoscopie digestive. Il s'agit ici de brûler rapidement et profondément par 

ultrasons le tissu malade dans un environnement préalablement inondé. Dans ce cas, 

l'endoscope est introduit par la bouche du patient et le chirurgien le dirige jusqu’au tissu malade 

où il commence l'intervention. 

Dans le corps humain, il est malheureusement possible de trouver de temps en temps 

des anévrismes. Ces petites poches de sang peuvent devenir très dangereuses pour l'homme si 

elles grossissent et menacent de se rompre. La technique actuelle consiste à mettre en place une 

endoprothèse, par l'intermédiaire d'un endoscope classique. Au Laboratoire Systèmes 

Complexes à Evry, [JOLI 02] propose, pour faciliter la mise en place de cette prothèse, la 

conception mécanique d'un nouvel actionneur basé sur la déformation de trois soufflets 

cylindriques en nickel. La déformation de ces derniers, principalement en inclinaison, est 

obtenue en y envoyant de l'eau physiologique sous pression. Ce cathéter, de 5.3 mm de 

diamètre, est en fait composé de deux actionneurs à soufflets de part et d'autre de 

l'endoprothèse. Le premier permet de choisir le bon chemin pour arriver à l'endroit de 

l'anévrisme et le second permet de donner une bonne orientation générale de l'outil avant de 

libérer la prothèse. 

Pour circuler dans les vaisseaux sanguins, un autre outil est proposé par le Department 

of Machine Intelligence and Systems Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku 

University [PARK 99]. Ce cathéter actif possède des circuits d'interface CMOS intégrés pour le 

contrôle et la communication (C&C IC). Des bobines en micro AMF sont utilisées comme 

actionneurs pour créer un mouvement avec de nombreux ddl. Les C&C IC commandent, à l'aide 

de trois fils, les liens de l’actionneur situé dans le corps humain. Ce cathéter a un diamètre 

extérieur de 2 mm. 

Un dernier exemple proposé par [DEPEURSINGE 99], du Swiss Federal Institute of 

Technologie à Lausanne, nous montre que la miniaturisation des endoscopes n'est pas évidente, 

qu'il y a surtout des critères d'imagerie à prendre en compte Effectivement, jusqu'où peut aller 

la miniaturisation des endoscopes ? L'apparition d'endoscopes ultra fins appelé micro- 





endoscopes laisse entrevoir de nouvelles applications en chirurgie cardiaque : l'observation de 

très petites artères, voir les plaques d'adhénome dans les artères coronaires et examiner les 

valves du cœur. Ou bien aussi en gynécologie, ou alors en urologie pour observer et détruire les 

caillots présents dans la vessie. Mais les progrès sont surtout à faire dans le domaine de 

l'imagerie, car la miniaturisation des outils entraîne une dégradation de la qualité de l'image. 

De nombreux domaines d'exploration et d'intervention sont donc envisageables en 

endoscopie médicale, que ce soir le cœur, les vaisseaux sanguin, les poumons, le cerveau aussi. 

Lors de chaque intervention, l'appareil diffère et la technique également. 

2.4.2 La coloscopie 

Un grand nombre d'articles parus entre autres dans la revue "Gastrointestinale Endoscopy" et 

dans "Endoscopy" de 1999 à 2002 sont repris par [WAYE 02]. Ils insistent sur l'importance que 

donnent les chirurgiens et les médecins au fait de diminuer les douleurs et traumatismes subis 

par les patients pendant les opérations de coloscopie. 

Nous pouvons nous référer maintenant une fois de plus aux statistiques évoquées dans 

le premier chapitre ou encore à [SCHULLMANN 02], du Department of Gastroenterology, 

Ruhr-Universität Bochum en Allemagne. Il détaille les origines possibles du cancer du côlon et 

explique les traitements suivis par les patients ou encore les syndromes héréditaires. Nous 

comprenons alors mieux les enjeux d'une recherche approfondie dans ce domaine. 

La coloscopie, actuellement, n'est pas confortable et est crainte par les patients ; elle 

est réalisée sous anesthésie générale, ce qui peut engendrer des complications. 

L'opération de coloscopie peut, de la même manière que l'endoscopie industrielle, être 

séparée en deux types de mouvements qui peuvent être facilement dissociables : le mouvement 

de locomotion et celui d'orientation de la partie finale de l'outil. 

Dans [PHEE 97] de l'Université Technologique de Nanyang à Singapore, ces deux 

aspects sont également abordés séparément. Les problèmes de la locomotion concernent surtout 

l'activation et l'alimentation des actionneurs et la commande de leurs séquences. Quant à 

l'extrémité inclinable de l'outil, les difficultés majeures sont son activation à distance et les 

difficultés pour négocier les coudes de faibles rayons de courbure du côlon, sans le toucher. 

Il est certain que, concernant le côlon, les deux aspects sont difficilement dissociables. 

Il apparaît néanmoins que, dans le monde, nous trouvons un nombre important de recherches 

concernant l'un ou l'autre de ses mouvements. 

2.4.2.1 La partie locomotion autonome 

Nous avons déjà évoqué avec [ANTHIERENS 99] l'utilisation de soufflets métalliques pour 

créer un mouvement péristaltique pour un robot industriel. En robotique médicale et notamment 

en coloscopie, ce même type de locomotion est souvent utilisé pour faire progresser un robot de 

façon autonome dans le côlon. C'est le cas pour [DARIO 97], qui donne la structure générale du 

robot, dont les soufflets travaillent principalement en compression et en élongation, avec des 

pressions de travail qui dépendent évidemment du matériau du soufflet : ici le silicone. Il 

retrace aussi toutes les démarches effectuées depuis le début des recherches en 1995 pour 





réaliser ce robot autonome, de 18 mm de diamètre, 50 mm de long contracté et 80 mm allongé, 

capable de progresser seul dans le côlon. 

Pour l'utilisation de ce robot autonome, le mouvement d'"Inch-Worm" proposé est 

réalisé par actionnement électro-pneumatique [DARIO 99] (figure 2.18). 

Figure 2.18. Photographie et schéma du robot de coloscopie proposé par [DARIO 99] 

Des servovalves du commerce sont utilisées dans un premier temps, pour réaliser le 

circuit pneumatique qui commande l'élongation et la compression du soufflet central, mais aussi 

pour réaliser les phases d'accroche sur l'intestin. Pour cette phase, des petits trous sont disposés 

tout autour des deux modules situés aux extrémités du robot et lors d'une aspiration par ces 

orifices, les parois de l'intestin viennent se coller sur l'outil, ce qui réalise l'adhérence. De l'air 

est ensuite envoyé pour faire décoller l'intestin et faire progresser le coloscope. 

Pour surveiller et commander à sa guise ce robot, une première Interface Homme- 

Machine (IHM) a été développée. Cette IHM permet de bien décomposer et de vérifier les 7 

phases utiles à un pas de progression du robot. 

Le développement d'un système de caméra active y est ensuite intégré au Corea 

Institute of Science and Technologie à Séoul par [KIM 02 (1)] : il s'agit ici de permettre au 

chirurgien de changer l'orientation de la caméra à son aise pour faciliter la prise de décision et 

le diagnostic. Pour cela, un nouvel outil basé sur le fonctionnement d'un élastomère diélectrique 

est développé. En utilisant huit surfaces précontraintes, 5 ddl sont créés : 4 pour choisir la 

direction de la caméra et le dernier pour en affiner le focus. 

Une IHM plus commune est aussi proposée car les chercheurs expliquent qu'il est 

difficile au chirurgien de diagnostiquer et de pratiquer les interventions tout en devant diriger 

l'outil. Cette IHM consiste donc en un système visuel monté directement sur la tête du 

chirurgien et en un joystick pour diriger le coloscope. 

Lors des premiers essais effectués avec ce robot, [CARROZZA 97], du ARTS/MiTech 

Laboratory, Scuola Superiore Sant'Anna à Pise, a remarqué que la locomotion autonome était 

vraiment très difficile dans le colon, notamment à cause de la structure du côlon qui est fragile 





et glissante. Ces essais ont montré que l'actionneur arrière glisse souvent et que le module 

d'extension casse de temps en temps. 

D'autres problèmes sont apparus avec le nouveau prototype développé et présenté par 

[PHEE 01] du même Laboratoire MiTech à Pise (figure 2.19). Ce robot mesure 24 mm de 

diamètre, 115 mm rétracté et 195 mm allongé. 

Soufflets principaux 

Systèmes d'accroches : principal et secondaire 

Figure 2.19. Photographie du robot de [PHEE 01] 

Des "problèmes d'accordéon" (figure 2.20) apparaissent lorsque l'outil se trouve dans 

des endroits très courbés, c'est-à-dire que la paroi intestinale se plie en même temps que l'outil 

qui ne peut alors progresser. 

Point de référence sur 

l'intestin 

Figure 2.20. Effet accordéon obtenu avec le robot [PHEE 01] 

Une solution a alors été proposée, celle de rajouter une 

aide mécanique à la progression par succion. Ce nouvel outil a été 

testé dans un intestin de porc pour différents rayons de courbure 

et les résultats prouvent que le robot peut progresser lentement, à 

2.9 cm.min -1 dans le côlon avec un "effet accordéon" réduit. 

Ce projet très complet rassemble beaucoup de 

chercheurs et principalement deux laboratoires différents (Le 

Centre des Micro-Systèmes Intelligents à Séoul en Corée, et le 

Laboratoire MiTech en Italie). 

Un autre robot autonome a été développé au Département d'Ingénierie Mécanique, 

CALTECH, à Passadéna [SLATKIN 95]. Il mesure 22.2 mm de diamètre et 183 mm à 200 mm 

de long suivant son état contracté ou allongé. Composé de trois accrocheurs et deux extenseurs 

(figure 2.21), il utilise lui aussi le principe de locomotion "Inch-Worm". Les accrocheurs se 

présentent sous forme de ballons qui, en se gonflant, viennent adhérer aux parois de l'intestin. 

Deux conduits d'air (admission et échappement) sont disposés dans l'axe du robot pour les trois 

ballons. Ces derniers sont chacun équipé d'une vanne d'admission et d'une vanne d'échappement 

qui s'ouvre et se ferme alternativement. Une séquence bien définie d'ouverture et de fermeture 

permet des fixations alternées des ballons à la paroi. Des tests encourageants ont été réalisés sur 

les porcs (figures 2.22 à 2.24). Ces tests mettaient eux aussi en avant les problèmes de 

glissement du robot dans l'intestin. 





Figure 2.21. Photographie du robot de 

[SLATKIN 95] 

Figure 2.22. Mise en place du robot dans 

l'intestin du porc 

Figure 2.23. Coloscope en position 

contractée dans l'intestin 

Figure 2.24. Coloscope en position gonflée 

dans l'intestin 

Une autre idée de conception de coloscope a été proposée par [ROVETTA 97], du 

Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano. De petites dimensions peuvent être obtenues 

en utilisant des matériaux piézo-électriques. C'est le cas pour ce prototype composé d'anneaux 

en céramique autour d'une tige rigide. Pour la progression, un courant électrique alternatif de 

haute fréquence est envoyée dans les anneaux qui peuvent alors prendre une forme ovale. Une 

séquence bien définie permet une ondulation de la tige centrale et une progression du prototype 

dans le conduit intestinal. Ce prototype mesure environ 49mm de long et 1.3mm de diamètre, il 

peut aller en avant, en arrière et également se plier. 

Les MEMS sont toujours présents pour la conception de robots autonomes. Une 

illustration en est encore faite avec le robot proposé par l'Université Jiaotong de Shanghai [LIN 

97]. Pour ce dernier, la force électromagnétique est utilisée. Effectivement, un aimant 

permanent et une structure en bobine sont embarqués judicieusement dans ce robot. En 

envoyant un courant dans cette bobine, une force est créée. C’est cette force qui fera avancer le 

robot avec, là aussi, un déplacement de type "Inch-Worm". 





Nous remarquons que beaucoup de robots autonomes utilisent un mouvement de type 

"Inch-Worm" pour progresser. C'est effectivement un mouvement assez facile à mettre en place 

en utilisant des techniques parfois complètement différentes. 

L'institut Coréen des Sciences et Technologies de Séoul propose un exemple différent 

[KIM 02 (2)]. Effectivement, il remarque les difficultés qu'ont les robots utilisant le type de 

locomotion. Ils glissent et ont du mal à progresser dans les endroits à rayons de courbure 

faibles. Ainsi, il se base sur le moyen de locomotion d'un insecte possédant de nombreuses 

pattes, qui ont un mouvement en ellipsoïde à leur extrémité. Le prototype construit mesure 

125mm de long et de 30 à 40 mm de diamètre suivant la position des pattes. De petits pignons, 

une longue vis sans fin, un axe de pivotement et un pied en silicone sont utilisés pour réaliser le 

mouvement des pattes et pour l'adhésion. 

Suivant la surface où évolue ce robot ou encore la différence de phase entre chaque 

patte, sa vitesse peut varier de 1 mm.sec -1 à 3.9 mm.sec -1 . Des progrès de miniaturisation sont 

encore à faire pour que ce robot puisse être utilisé dans le colon. 

Des nombreux projets sont actuellement menés concernant la locomotion autonome 

d'un robot dans le côlon. Cette locomotion n'est bien entendu possible qu'en prenant appui sur 

les parois intestinales, ce qui peut, provoquer des désagréments, voire des lésions au patient. 

La MEMS est présente car les robots utilisent toutes sortes d'énergies différentes pour 

créer le mouvement nécessaire à la progression. Effectivement, chacune a son avantage, mais 

apparemment aucune ne satisfait pour le moment les problèmes de glissement dans le côlon aux 

endroits où le rayon de courbure est faible. 

Pour cela, d'autres types de recherches concernent uniquement la tête du coloscope. 

C'est cette partie qui pénètre en premier dans le côlon et qui ouvre le chemin au reste de l'outil. 

C'est donc elle qu'il faut améliorer. 

2.4.2.2 La tête flexible de l'endoscope 

Effectivement, la tête du coloscope est actuellement actionnée par deux molettes situées sur le 

coloscope et dont le chirurgien se sert pour l'orienter suivant deux axes différents. Il se sert 

également de son expérience, de l'écran vidéo qu'il fixe constamment lors de l'opération, mais 

aussi des sensations de butée qu'il peut ressentir lorsqu'il entre en contact avec l'intestin. 

Donc en général, pour que tout se passe bien lors d'une opération, il faut que le 

chirurgien soit expérimenté et qu'il ait une bonne vision et de bonnes sensations. 

Nous avons déjà évoqué les actionneurs à trois chambres qui se plient sous l'action 

d'une pression à l'intérieure de l'une d'entre elles. Cette technique est utilisée par 

[DOGRAMADZI 98] (figure 2.25). A l'extrémité du coloscope utilisé, cette structure permet, en 

appliquant un fluide à des pressions de 0 à 4 bars, d'obtenir des angles de courbure de 55°. C'est 

peu par rapport aux performances des outils chirurgicaux actuels, mais c'est encourageant vu les 

contraintes imposées par le milieu. De plus, cet actionneur est équipé de bobines en AMF 

noyées dans le caoutchouc. Un courant envoyé dans ces bobines permet un allongement de la 

tête du coloscope (figure 2.26). 





Pour la localisation de tout le coloscope dans l'intestin, 12 micro-bobines sont 

disposées le long de l'outil. Trois gros générateurs de champs magnétiques fournissent, chaque 

demi-seconde, une impulsion captée par 

ces bobines, ce qui permet de recréer en 

3D la forme du coloscope sur un écran. 

Cet actionneur est conçu dans 

un but d'insertion sans intervention 

humaine. 

Figure 2.25.Tête d'outil du robot de 

[DOGRAMADZI 98] montrant les trois 

chambres de pression 

Figure 2.26. Bobines en AMF 

permettant une extension de la 

tête du robot 

Pour orienter la tête du coloscope à souhait, [ZHANG 02], de la Robotics Institute, 

Beijing l'University of Aeronotics, propose l'utilisation d'un joystick du commerce. Des moteurs 

pas-à-pas sont utilisés à la place des molettes, pour incliner la partie distale de l'outil. Pour 

justifier cette utilisation, il met en avant une moins grande période d'apprentissage par les 

chirurgiens novices et, à long terme, une plus grande maniabilité du coloscope. Le joystick est 

utilisé pour toutes les fonctions d'orientation de la tête du coloscope et pour l'observation, mais 

pas pour la progression. Les outils chirurgicaux insérés dans la tête peuvent eux aussi être 

commandés à partir de la manette de jeu. Les résultats ne sont pas très convainquants pour le 

moment, notamment pour une manœuvre en vitesse de la tête de l'outil. 

Pour améliorer encore le robot de [DARIO 99], plusieurs recherches ont été menées. 

Une nouvelle version du coloscope a été conçue à l'aide d'un soufflet en silicone de 50 mm de 

long qui contient des ressorts en AMF, disposés à 120° les uns des autres [MENCIASSI 02]. La 

figure 2.27 montre le robot en position inclinée. Les expériences menées in vitro ont montré que 

le robot pouvait progresser sans tête pliable, pour des angles de l'intestin inférieurs à 90°. Par 

contre, pour des angles supérieurs à 90°, une action supplémentaire de courbure est absolument 

nécessaire. 

Pour cela, une section inclinable a été rajoutée dans une nouvelle version. Elle mesure 

3 cm de long, permet une inclinaison supplémentaire de 90° (figure 2.28) et un comportement 

télescopique très pratique pour une bonne visualisation du côlon. Elle est composée de trois 

petits ressorts en AMF avec une disposition à 120°. Pour améliorer la réponse lors du 

refroidissement des ressorts en AMF, un courant d'air froid est présent dans le soufflet en 

silicone. Le temps que met la tête du coloscope pour se plier à 90° (pour un courant de 0.8 A) et 





pour retrouver sa position initiale est de 3 secondes. Des essais dans des intestins de porcs ont 

été effectués (figure 2.29). 

Figure 2.27. Photo du robot inclinable de 

[MENC 02] 

Ici, c'est le robot lui-même qui engendre toutes les forces dont il a besoin, d'où de 

bonnes possibilités pour une autre génération de capsules autonomes. 

Figure 2.28. Ci-dessus : photo de la tête 

télescopique du robot de [MENCIASSI 02] 

Figure 2.29. Ci-contre : des essais dans 

l'intestin de porc 

En reprenant l'idée des AMF, le Laboratoire de Robotique de Paris à l'Université Pierre 

et Marie Curie [CHAPELLE 02] présente la conception d'un système de micro-endoscopie 

(figure 2.30). Ce système, peut également être utilisé pour des opérations de coloscopie. 

Ici, la technique choisie pour utiliser les actionneurs de façon pertinente est 

l'algorithme génétique. Ainsi, lorsqu'un module de l'endoscope touche la paroi du côlon, il 

change de direction automatiquement et les modules suivants prennent la même trajectoire. La 

recherche d'une trajectoire correcte (c'est-à-dire sans enroulement du coloscope sur lui-même et 

en évitant de trop nombreux contacts) est très coûteuse en temps de calcul. La figure 2.31 nous 

montre une simulation de la position du coloscope dans un coude de l'intestin. 

Figure 2.30. Photo de la Structure de 

l'Endoscope 





Figure 2.31. Simulation de 

franchissement d'un obstacle 

Le côlon sigmoïde 

représente les 30 premiers 

centimètres du côlon. Dans cette 

zone, ils peuvent être considérés dans 

un plan. C'est pour y intervenir que le 

Department of Physical Engineering, 

Tokyo Institute of Technology a développé un actionneur en AMF [HIROSE 86]. Le prototype 

ayant à réaliser principalement un mouvement plan, une position spéciale des ressorts en AMF 

est proposée (figure 2.32). 

De 13 mm de diamètre et de 21.5 cm de long, ce sigmoïdoscope peut se plier avec un 

angle maximum de 60°. Des essais ont été effectués dans un modèle d'intestin en caoutchouc 

(figure 2.33). 

Figure 2.32. Ci-dessus : position des ressorts en 

FMA et autres actionneurs utiles 

Figure 2.33. A droite : progression du sigmoïdoscope dans le modèle d'intestin 

Ce prototype, qui peut se plier de 30° en une seconde, est commandé par un joystick. A 

l'extérieur du corps, un servomoteur agit sur une partie linéaire du robot pour fournir le 

mouvement d'avance. Ainsi, le chirurgien réalise l'opération sans même toucher son outil. Nous 

pouvons légitimement nous poser la question du retour tactile qu'a le chirurgien. 





En utilisant également des AMF, [PEIRS 97], du Department of Mecanical 

Engineering, Katholieke Universiteit Leuven, en Belgique, décrit la conception d'un actionneur 

pour réaliser un mouvement de courbure de la tête du robot de [DARIO 97]. Cette idée, qui se 

rapproche de l'idée de [DE SARS 02], fut la première proposée pour ce robot. L'actionneur peut 

être considéré comme une simple vertèbre dont plusieurs, en série, forment une colonne 

vertébrale. Chaque actionneur est contrôlé électro-mécaniquement de façon binaire, ce qui 

facilite grandement la commande de la totalité de la colonne. Entre chaque actionneur, une 

rotation d'axe vertical de 90° est imposée, ce qui permet un mouvement en 3D. Chaque 

actionneur peut effectuer une rotation de 15°. 

Sur le même outil de coloscopie [DARIO 99], de 15 mm de diamètre et de 50 mm de 

long dans son état contracté, [PEIRS 00] développe un manipulateur pour orienter la caméra et 

les outils du chirurgien. Il consiste en deux modules commandés par un moteur électropneumatique 

et des pignons de réduction (figure 2.34). Chaque module fait 12.4 mm de 

diamètre et 20 mm de long (figure 2.35). Avec la caméra, la longueur arrive à 40 mm. Ces 

dimensions sont encore trop importantes et les recherches se poursuivent pour les diminuer, 

pour pouvoir intégrer cet outil déformable tout au bout du coloscope. Une version d'un diamètre 

de 8.5 mm est en cours d'expérimentation (figure 2.36). 

Figure 2.34. Conception d'un module simple 

Figure 2.35. Photo des modules 

Figure 2.36. Ci-contre : Photo des positions 

extrêmes du manipulateur de [PEIRS 00] de 8.5 

mm de diamètre. 





Une comparaison entre deux plates-formes hydraulique et électrique [PEIRS 01] est 

également exposée (figure 2.37). La première est plus compacte et engendre de plus gros 

efforts, alors que la seconde est plus facile à contrôler et facilement miniaturisable. 

Une comparaison plus complète des performances des différents manipulateurs conçus 

y est également présentée. Elles sont reprises dans le tableau 2.1. 

Figure 2.37. Photo de la plate-forme hydraulique de [PEIRS 01] 

Le tableau suivant reprend les spécificités de chacun des coloscopes présentés cidessus. 

La comparaison de ces caractéristiques pourra nous guider vers une conception en 

accord avec notre cahier des charges. 



Institut national des sciences appliquées de Lyon 66


[DOGRA 

MADZ 98] 

[ZHANG 

02] 

[MENC 

02] 

[CHAPEL 

LE 02] 

[HIROSE 

86] 

[PEIRS 

97] 

[PEIRS 

00] 

[PEIRS 

00] 

[PEIRS 

01] 

[PEIRS 

01] 

[COHN 

95] 

Actionneur 

Fluidique 

(hydraulique) 

Electroméca 

nique 

AMF 

AMF 

AMF 

Electroméca 

nique 

Electroméca 

nique 

Electroméca 

nique 

Hydraulique 

(plate-forme) 

Electrique 

(plate-forme) 

Electroméca 

nique 

Dimensions 

totales 

L : 50 mm 

φ : 12 mm 

Adaptable 

sur 

l'endoscope 

L : 30 mm 

φ : 18 mm 

L : 52 mm 

φ : 8 mm 

L : 215 mm 

φ : 13 mm 

L : 48 mm 

φ : 15 mm 

L : 40 mm 

φ : 12.4 mm 

L : 21 mm 

φ : 8.5 mm 

L : 30 mm 

φ : 12 mm 

L : 50 mm 

φ : 15 mm 

L : 20 mm 

φ : 19 mm 

Mouvements Amplitude Dynamique Spécificités du coloscope Contacts 

avec le côlon 

inclinaison et 

allongement 

inclinaison 

suivant deux 

directions 


allongement 


allongement 


allongement 

Inclinaison en 

"tout ou rien" 

55° dans toutes 

les directions 

120° à 160° 

suivant la 

direction 



6.2° / segment 

(13 segments) 

60° / segment (5 

segments) 

15° / segment 

(12 segments) 

inclinaison ± 40° suivant 1 

axe de rotation 

inclinaison de – 45° à +60° 

suivant 1 axe de 

rotation 


allongement 


allongement 

inclinaison 

35° maximum 

suivant 3 

directions 

35° maximum 

suivant 3 

directions 



temps réel 

temps réel 

3 secondes 

(cycle total) 

80°.s -1 

30°.s -1 

temps réel 

52°.s -1 

44°.s -1 

Rapide et sans intervention 

humaine pour le guidage 

Commande par joystick, 

manœuvrabilité faible pour 

le moment 

Robot autonome, très souple 

dans l'ensemble, mais lent 

Dimensions faibles, mais 

algorithme de calcul lent. 

Mouvement plan, vitesses 

d'inclinaisons faibles 

Bonne vitesse de réaction, 

mais ddl limités 

1 ddl, dimensions faibles, 

angle d'inclinaison faible 

1 ddl, dimensions faibles et 

angle de rotation faible 

- 3 ddl, dimensions faibles, 


9.5°.s -1 

temps réel 

Tableau 2.1. Tableau récapitulatif des caractéristiques de chaque partie distale présentée 

3 ddl, dimensions faibles, 


2 ddl, encombrant, mal 

adapté à la coloscopie 

Non 

Oui 

Oui 

Oui 

Oui 

Oui 

Oui 

Oui 

Oui 

Oui 

- 



Institut 

national des sciences appliquées de Lyon 67



De nombreuses recherches concernent la progression et l'orientation du coloscope. En ce qui 

concerne la progression autonome, les contacts avec les parois intestinales semblent a priori 

indispensables et des problèmes de glissement sont souvent mis en avant. La courbure de la tête 

du coloscope est obtenue, elle aussi, par diverses techniques et donc avec des performances 

différentes. Les AMF permettent de bonnes inclinaisons, mais sont en général trop lents. Les 

différents essais proposés par [PREIS 00 et 01] ne permettent pas d'angles de rotation 

importants de la tête du coloscope. D'autres techniques encore, manquent de manœuvrabilité ou 

de ddl. 

Mais le but principal est toujours le même : minimiser les contacts ou bien faciliter ou 

encore améliorer la possibilité de courbure de la tête de l'outil par rapport aux performances 

actuelles. [MENC 02] est parvenu à augmenter les angles d'inclinaison du robot et de la tête, 

mais des problèmes de temps de réaction et de glissements sur les parois intestinales empêche le 

robot d'être en accord avec notre cahier des charges. 

C'est donc toujours les contacts que l'on essaie de minimiser. C'est pour cela que des 

recherches similaires sont entreprises par le College of Electrical and Mechanical Engineering, 

National University of Science and Technology in Rawalpindi au Pakistan [KHAN 96] et par la 

Nanyang Technological University de Singapore [PHEE 98]. Elles décrivent un système de 

traitement d'image qui permet au colonoscope de naviguer automatiquement dans le colon. En 

fait, l'éclairement du côlon fourni par l'endoscope est utilisé ici pour déterminer si la paroi est 

proche ou pas de l'outil. Effectivement, en éclairant vers la profondeur de l'intestin, il n'y aura 

aucune réflexion et l'image apparaîtra très sombre à l'écran. Au contraire, sur les parois proches, 

il y aura un éclairement important. C'est ce contraste qui sera utilisé par un algorithme pour 

pouvoir mieux orienter la tête du coloscope. 

A défaut de ne pas toucher les parois intestinales, le Department of Medical Physics, 

University College of London propose une méthode pour contrôler les forces appliquées par 

l'endoscope [MOSSE 98]. Cet outil mécanique est en fait une poignée de forme tubulaire qui 

peut s'adapter sur les coloscopes courants. 

Des efforts sont faits pour améliorer les conditions d'opération de coloscopie : 

minimiser ou mieux éviter les contacts entre coloscope et intestin. Mais il est très difficile de 

concilier vitesse de réaction avec minimisation des contacts, ou encore angle d'inclinaison 

important et dimensions réduites. 

2.5 Conclusion 

Nous avons remarqué lors de l'état de l'art sur l'endoscopie, la grande diversité des 

actionnements qui sont utilisés. Chaque technologie présente un compromis sur ces 

performances d'actionnement et satisfait donc quelques applications particulières. Les 

technologies employées le plus souvent en industrie, sont fluidiques, thermiques ou électrique 

pour un mode de locomotion le plus souvent péristaltique. 

En ce qui concerne les opérations chirurgicales, de nombreuses applications sont en 

train d'évoluer. L'endoscopie médicale, qui concerne de nombreuses interventions dans les 





conduits naturels du corps humain, se développe très rapidement ceci notamment grâce à la 

capacité de miniaturisation. 

Pour la coloscopie, qui consiste à inspecter et à intervenir dans côlon, deux aspects 

sont à différencier : 

- la partie locomotion autonome qui concerne l'aptitude du robot à progresser seul 

dans le côlon. Ici, le mode de locomotion proposé le plus souvent est également de 

type "Inch-Worm", en venant prendre appui sur les parois intestinales et en 

s'allongeant en utilisant généralement de l'énergie pneumatique et des soufflets. 

- la partie distale du coloscope est, elle aussi, en pleine évolution. Des techniques 

d'actionnements AMF, fluidiques ou encore électromécaniques sont souvent 

présentes pour améliorer ses performances. Le but étant surtout de rendre moins 

dangereuse la procédure d'intervention. 

Les propositions les plus séduisantes sont certainement [DOGRAMADZI 98], 

concernant l'énergie fluidique et l'idée d'éviter les contacts avec les parois intestinales et 

[MENC 02] dont les résultats sont très prometteurs avec le robot réalisé en AMF et soufflets en 

silicone. 

Notre but étant de minimiser, voire d'éviter les contacts, entre l'outil et les parois 

intestinales, nous allons dans le prochain chapitre, détailler la conception de notre maquette de 

faisabilité de tête de coloscope. 












Conception de la maquette de faisabilité 

Partie 3 






3 

PARTIE 3 CONCEPTION DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ .......................................................... 72 

3 CONCEPTION DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ ........................................................................................ 74 

3.1 Introduction....................................................................................................................................... 74 

3.2 Problématique................................................................................................................................... 74 

3.2.1 Brefs Rappels .................................................................................................................................... 74 

3.2.2 Idées générales pour la conception de la maquette de faisabilité..................................................... 75 

3.3 Conception d'une maquette de faisabilité.......................................................................................... 77 

3.3.1 Aspect applicatif................................................................................................................................ 77 

3.3.1.1 Etudes de diverses solutions ........................................................................................................................ 1 

3.3.1.2 Choix d'une solution.................................................................................................................................. 80 

3.3.2 Conception de l'EDORA.................................................................................................................... 81 

3.3.2.1 Les soufflets métalliques ........................................................................................................................... 81 

3.3.2.2 Montage de l' EDORA............................................................................................................................... 82 

La plate-forme inférieure........................................................................................................................................ 83 

La plate-forme intermédiaire .................................................................................................................................. 84 

La plate-forme supérieure....................................................................................................................................... 85 

3.3.3 Les capteurs de distance ................................................................................................................... 87 

3.3.3.1 Introduction ............................................................................................................................................... 87 

3.3.3.2 Les dispositifs à ultrasons.......................................................................................................................... 88 

3.3.3.3 Les fibres optiques..................................................................................................................................... 88 

3.3.3.4 Les dispositifs à effet Hall ......................................................................................................................... 89 

3.3.3.5 Choix du capteur de distance et installation............................................................................................... 90 

3.3.4 Implantation générale de la maquette de faisabilité ......................................................................... 92 

3.3.5 Ergonomie du poste de travail .......................................................................................................... 95 

3.4 Conclusion ........................................................................................................................................ 99 





3. Conception de la maquette de faisabilité 

3.1. Introduction 

Le chapitre 2 témoigne du grand nombre de technologies nouvelles utilisées pour aider la 

Chirurgie à améliorer ses performances diagnostiques et thérapeutiques. 

De plus en plus, la Chirurgie Minimalement Invasive (MIS) inspire la conception de 

nouveaux outils chirurgicaux et les techniques de miniaturisation sont pratiquement 

indissociables de la MIS. 

La coloscopie est un examen incontournable pour la thérapie du côlon. En 1969, la 

première coloscopie décrite par Shinya et Wolf ouvrit l'ère du diagnostic et de la thérapie 

colique ; depuis, les choses n'ont cessé d'évoluer. Nous allons proposer ici une nouvelle 

conception de la tête du coloscope. 

Après un bref rappel de la problématique, nous étudierons les possibilités concernant 

la flexion de l'EDORA. C'est ainsi que nous nommerons la nouvelle extrémité distale de 

coloscope dont le mouvement essentiel sera de se fléchir. Une analyse de la source d'énergie 

utile à ce mouvement sera également détaillée. 

Nous étudierons ensuite la conception de la maquette de faisabilité, ainsi que 

l'instrumentation nécessaire à son bon fonctionnement tant en mode asservi qu'en mode 

manuel, et terminerons en nous préoccupant de l'ergonomie du poste de travail. 

3.2. Problématique 

3.2.1. Brefs Rappels 

Maintenant que les nombreux domaines de la Robotique Chirurgicale sont connus, nous allons 

nous focaliser sur la coloscopie qui est une opération d'exploration et d'intervention à l'intérieur 

du côlon, en passant par l'anus. Cette pénétration par un orifice naturel du corps humain est tout 

à fait en accord avec la Chirurgie Minimalement Invasive. 

Les discussions avec les chirurgiens et autres spécialistes ont orienté les recherches 

vers l'amélioration de la partie distale du coloscope. Nous allons donc conserver le moyen de 

locomotion utilisé actuellement : la poussée manuelle. Le problème n'est pas une inclinaison 

trop faible de la tête de coloscope, mais les contacts trop fréquents avec les parois intestinales. 

Il est certain que le coloscope prend appui sur les parois intestinales lors de la poussée. 

Ce n'est pas cet appui qui cause les dommages, mais bien uniquement les contacts de la partie 

distale du coloscope. Les problèmes de glisse sur les parois intestinales, rencontrés notamment 

lors des essais des robots de [KIM 02 (2)] ou de [CARROZZA 97], confirment les constats faits 

par les chirurgiens. 





C'est donc en apportant notre aide lors du positionnement de la partie distale dans 

l'intestin, que nous interviendrons. Effectivement, les statistiques affligeantes présentées au 

premier chapitre (près de 1000 perforations d'intestins et 3000 hémorragies internes par an) sont 

principalement dues à cette partie du coloscope. Une amélioration est donc indispensable du 

point de vue des chirurgiens. 

Il faut également prévoir une adaptation facile par le chirurgien, au nouveau dispositif 

à utiliser lors des opérations de coloscopie. Il ne devra pas être désorienté par les nouvelles 

technologies que nous voulons mettre en place et son savoir-faire ne devra pas être remis en 

cause. 

3.2.2. Idées générales pour la conception de la maquette de faisabilité 

Une modification de fonctionnement du coloscope a été discutée avec les spécialistes. 

Ceux-ci insistent sur le fait que l'habileté du chirurgien est un facteur non négligeable du succès 

d'une opération de coloscopie. Ils voient donc un grand intérêt dans le fait de réaliser un outil 

capable d'aider l'expérience du chirurgien lors de l'opération. Il aura non seulement cette 

capacité, mais permettra aux chirurgiens expérimentés de réaliser une intervention plus sûre et 

plus rapide. Moins de traumatismes seront causés à l'intestin, la réhabilitation des patients sera 

plus rapide et la période de convalescence à l'hôpital sera d'autant plus courte. 

Pour le mouvement de la tête du coloscope, les chirurgiens disposent actuellement de 

deux molettes qu'ils tournent dans un sens ou l'autre pour la faire pivoter (180° vers le haut, 80° 

vers le bas, 160° vers la droite et 160° vers la gauche) (ANNEXE 1). Ils sont donc capables, en 

théorie, de combiner ces mouvements pour atteindre toutes les directions souhaitées. Une 

utilisation adéquate du coloscope nécessite des heures de pratique (l'apprentissage préopératoire 

se pratique sur des porcs ou sur les patients décédés). 

L'objectif est de concevoir une tête de coloscope qui se positionne seule, sur l'axe de 

l'intestin, donc le plus loin possible des parois intestinales. Pour cela, elle se doit d'être très 

flexible. Ses dimensions faibles pourront lui permettre d'être adaptable directement sur les 

coloscopes actuels. D'autre part, il est indispensable d'utiliser une source d'alimentation 

transportable, ou déjà présente en salle d'opération. 

Pour que cette partie distale puisse détecter les parois pour se positionner 

automatiquement par rapport à elles, des capteurs de distance seront utilisés. Une étude du 

choix de ces capteurs sera présentée ultérieurement. 

Nous allons donc concevoir uniquement un prototype de tête de coloscope : 

l'EDORA. Dans un premier temps une maquette de faisabilité sera réalisée, pour valider le 

principe général, notamment l'asservissement. 





Cette maquette devra réaliser les fonctions suivantes : 

- intégrer l'EDORA qui aura comme objectifs de se fléchir dans toutes les directions, 

- permettre à l'EDORA de se repérer par rapport à la paroi environnante et de s'en 

éloigner. 

La partie béquillable d'un coloscope classique mesure 12.8 mm de diamètre et 50 mm 

de long. Le rayon de courbure minimal que peut prendre cette partie de l'outil est de l'ordre de 

15 mm. Les recherches préliminaires effectuées ont rapidement montré les difficultés à 

miniaturiser les actionneurs pour réaliser notre nouvel EDORA. De même, des problèmes de 

miniaturisation sont rencontrés pour le choix des capteurs de distance. 

Notre recherche actuelle a pour objet principal l'étude d'une nouvelle tête de 

coloscope, reposant sur des principes nouveaux, tant d'un point de vue de l'actionnement que de 

celui des mouvements de flexion autorisés. De plus, cette tête devra pouvoir progresser à 

l'intérieur du côlon en se ramenant toujours automatiquement sur l'axe de ce dernier ; ce point 

constitue l'avancée essentielle à cette conception. 

Pour des raisons de commodité de tests, de facilité de modification et d'usinage, nous 

avons choisi de tester ces apports en réalisant une maquette de faisabilité à l'échelle deux. 

Les trois schémas ci-dessous (figure 3.1) montrent la réactivité que devra avoir l' 

EDORA en présence de mouvements perturbateurs. 

(a) (b) (c) 

Figure 3.1. Schémas montrant la réaction de l'EDORA en présence de mouvement radiaux 

perturbateurs 

Sur le premier schéma (a), le centre de l' EDORA est confondu avec l'axe central d'un 

tube quelconque (intestin par exemple). A t 0 +dt, l'avance manuelle produit un décalage radial 

des deux axes (b). L' EDORA, à concevoir, doit alors réagir pour que son extrémité se 

repositionne automatiquement sur l'axe du tube (c). Enfin, sa dynamique doit être importante, 

pour que des mouvements radiaux rapides n'entraînent pas de contact avec le tube. 





C'est à partir des essais et tests de diverses solutions techniques que nous 

pourrons alors cerner ce qu'il convient de choisir pour une réalisation effective de 

l'EDORA accomplissant les objectifs visés. 

3.3. Conception d'une maquette de faisabilité 

3.3.1. Aspect applicatif 

3.3.1.1. Etudes de diverses solutions 

D'après le cahier des charges établi au premier chapitre, le mouvement à réaliser est un 

mouvement de flexion. La première difficulté rencontrée, est celle du choix de l'actionneur et de 

son alimentation. 

La conception d'un actionneur, devant entrer dans le corps humain, impose déjà un 

certain nombre de contraintes. De plus, sa réaction doit être rapide pour réagir aux changements 

de direction de l'intestin lors de la poussée du coloscope par le chirurgien. Le côlon étant très 

tortueux, l' EDORA mise au point devra être capable de se courber selon des angles importants. 

De nombreux actionneurs, éventuellement associés à une cinématique spécifique, 

existent pour réaliser un mouvement de flexion (électrostatiques, magnétiques, piézoélectriques, 

thermiques, en alliages à mémoire de forme, fluidiques). 

Dans le paragraphe 2.4, nous avons précisé que les actionneurs les plus utilisés en 

endoscopie étaient les actionneurs à AMF et les actionneurs fluidiques. 

D'autres actionneurs peuvent néanmoins réaliser des mouvements de flexion. L'étude 

qui suit nous permettra de prendre des décisions quant au choix d'actionnement pour notre 

EDORA. 

Les actionneurs électrostatiques peuvent fournir des mouvements très variés et précis 

dans les micro-systèmes. L'effort électrostatique se produit en présence d'une différence de 

potentiel entre deux électrodes séparées par un isolant. Il est possible d'obtenir, assez 

facilement, avec ce type d'actionneur, des mouvements de rotation ou de translation. 

Dans notre cas, il est difficile d'imaginer un actionneur fonctionnant sous tension à 

l'intérieur du corps humain. L'utilisation d'actionneurs électrostatiques est donc à prohiber. 

Dans le domaine des micro-mécanismes, les magnétostrictifs sont très bien maîtrisés. 

Pour des mouvements de flexion, la magnétostriction est une technologie à prendre en compte. 

Le matériau se déforme géométriquement en présence d'un champ magnétique convenablement 

orienté. L'effet magnétostrictif peut être positif ou négatif selon le matériau utilisé, c'est-à-dire 

qu'il est capable de s'allonger ou de se rétrécir dans l'axe du champ. Cependant, la faible 

amplitude des déformations de ce type d'actionneur reste dissuasive pour utiliser cette 

techniques pour notre application. 





Les micro-actionneurs piézo-électriques les plus répandus utilisent le matériau sous 

forme de cantilever bilame pour obtenir des fléchissements ou des élongations. Les piézoélectriques 

peuvent se déformer d'environ 0.1 % de leur dimension (soit 1/1000 e , comme pour 

les actionneurs magnétiques). C'est pourquoi ils sont fréquemment empilés pour obtenir des 

déplacements linéaires de plus grande amplitude. Mais même ici, les déplacements obtenus sont 

très faibles et les flexions de l'ordre de 2.2°. La encore, les faibles déplacements [TAKAYUKI 

96] et les tensions élevées sont des éléments rédhibitoires dans notre utilisation. 

Les micro-actionneurs thermiques sont basés sur le principe de dilatation d'un solide 

ou d'un fluide liquide ou gazeux. Le pilotage s'effectue par échauffement d'un corps d'épreuve. 

L’augmentation de température peut se faire en faisant passer un courant dans l'élément 

déformable, si toutefois celui-ci est conducteur. L'échauffement par effet Joule peut sinon se 

faire grâce à une résistance qui, par convection, va transmettre la chaleur à l'élément de 

dilatation. 

Cette solution est utilisée pour le robot [FUKUDA 89] présenté au paragraphe 2.2.2. 

Un alliage permettant le stockage d'hydrogène, peut apporter le contrôle en pression nécessaire 

au fluide, simplement par son changement de température (de 40 °C à 90 °C). Cet alliage, 

chauffé par une résistance, peut absorber et relâcher de l'hydrogène gazeux pour réaliser un 

équilibre de la pression. La dilatation du fluide provoque l'allongement de l'actionneur. 

Mais les efforts fournis sont liés aux capacités thermiques des corps d'épreuve, ce qui, 

malheureusement, n'est pas compatible avec de faibles temps de réponse. Le retour en position 

initiale n'est dépendant que du refroidissement (en général par convection) rarement commandé. 

C'est donc à cause de ce temps de refroidissement long, par rapport aux attentes des chirurgiens, 

que nous ne retenons pas cette solution d'actionnement. Dans beaucoup de cas, les températures 

requises sont incompatibles avec celles que peut supporter un individu. 

Parmi les actionneurs thermiques, les matériaux à alliage à mémoire de forme, qui 

subissent une transformation de phase solide/solide pour se déformer, occupent une place 

privilégiée. 

Nous avons évoqué, lors de l'état de l'art de l'endoscopie industrielle, un certain 

nombre d'actionneurs métalliques à AMF pour la locomotion autonome [YOSHIDA 

96][LIBERSA 98][TOUAIBIA 98][ABADIE 01], mais surtout pour la partie inclinable de 

l'outil [MAEDA 96][ARAMAKI 95][MINETA 01][LIM 96]. Les AMF sont également sources 

de nombreuses applications en endoscopie chirurgicale, notamment pour la partie distale 

(paragraphe 2.4.2.2). 

La rapidité de réponse de l'actionneur est un facteur déterminant de performances. Le 

chauffage de l'actionneur est souvent plus rapide que son refroidissement. Si ce dernier doit se 

faire avec une dynamique importante, il faut alors prévoir un dispositif spécifique permettant 

d'accélérer le refroidissement, dispositif pénalisant pour la taille et la complexité de 

l'actionneur. 

La dynamique de ce type d'actionnement, en particulier en refroidissement, n'est donc 

pas adaptée à notre application. 





Les actionneurs fluidiques permettent, eux, d'engendrer des mouvements de rotation, 

de translation et de fléchissement. Bien entendu, nous allons nous concentrer uniquement sur les 

actionneurs flexibles. Dans ce cas, l'actionneur fluidique de type FMA (Flexible Micro 

Actuator) est utilisé (figure 3.2). Il est généralement conçu en forme de doigt. Nous l'avons 

présenté dans l'état de l'art [SUZUMORI 91][SUZUMORI 92][DOGRAMADZI 98] au 

paragraphe 2.2.2. Les actionneurs en silicone de 16 mm de diamètre et de 85 mm de long 

peuvent fournir des efforts de 4 N en flexion, atteindre 45°, avec une pression d'alimentation de 

3 bars (figure 3.3). 

Figure 3.2. Un FMA en flexion 

Figure 3.3. Déformation du FMA en 

fonction de la pression 

[SUZUMORI 94] décrit le mode de fabrication de son actionneur "doigt" en 

stéréolithographie. Des exemples d'utilisation de cet actionneur sont donnés dans [SUZUMORI 

96] pour concevoir une table de translation, dans [TANIGUSHI 96] pour des réalisations de 

mains à 4 ou 5 doigts. Cet actionneur a aussi été choisi pour concevoir le mouvement d'un 

quadrupède [TANAKA 92][NOBUMOTO 96]. 

Plus récemment, cet actionneur a été utilisé à des fins de calibration. Au Dipartimento 

di Automatica e Informatica, Politecnico di Turino, il a été fabriqué par empilement de sections 

identiques de 52.5 mm de diamètre, sa longueur étant de 31.6 cm [BELFORTE 01]. L'étude 

consiste en la recherche de la position de la tête de cet effecteur dans l'espace. Elle est mesurée 

à condition de connaître trois distances à partir de trois points donnés. Le but est de connaître le 

domaine de l'espace dans lequel l'erreur de position de l'extrémité de cet effecteur est minimum. 

Une étude d'identification et de contrôle a aussi été menée dans [BELFORTE 98]. 

Le muscle artificiel [TONDU 99] est aussi un bon exemple de FMA. Cet actionneur 

alimenté sous pression, produit des déplacements linéaires. Il est constitué d'un boudin 

cylindrique déformable recouvert de tresses enroulées sur tout le corps (figure 3.4). Lorsque la 

chambre est soumise à une pression, le volume ne peut augmenter que longitudinalement. Cette 

propriété induite par le tissage permet aux extrémités de se rapprocher ou de s'éloigner l'une de 

l'autre. 





La pression de 5 bars conduit à des temps de réponse de 0.1 sec, pour des courses 

représentant 30 % de la longueur initiale. Ce muscle artificiel constitue donc une chambre 

déformable de grande amplitude. Deux de ses muscles peuvent, à l'aide d'une cinématique 

adaptée, engendrer un mouvement de rotation éventuellement d'amplitude importante. 

Concernant l'énergie pneumatique, [PRELLE 97] propose une étude d'actionneurs à 

soufflets métalliques. Leur élasticité naturelle permet des mouvements variés (figure 3.5) dans 

les directions axiales, angulaires et latérales. Le soufflet peut travailler en compression ou en 

extension, selon que la pression s'exerce à l'intérieur ou à l'extérieur de la chambre [BETEMPS 

90]. Cet élément a souvent été employé pour actionner des pinces compliantes [COUTURIER 

97] pour la saisie d'objets fragiles, ou encore pour l'actionnement d'un bras de robot parallèle 

compliant [PRELLE 96]. 

Figure 3.4. Actionnement d'un bras rotatif 

par muscles artificiels 

Figure 3.5. Photo des différents types de 

mouvements donnés par un soufflet 

métallique : axial, angulaire et latéral 

En endoscopie médicale (paragraphe 2.4.1), une application est proposée par [JOLI 

02], du CEMIF à l'IUT de l'Université d'Evry, pour la pose de prothèses dans les veines et 

artères. L'actionneur de type FMA est réalisé à l'aide de soufflets métalliques. Leur disposition 

rappelle l'utilisation du doigt à trois chambres de [SUZUMORI 91]. La déformation, pour 

pouvoir naviguer dans les artères est obtenue en pilotant la pression de sérum physiologique à 

l'intérieur des soufflets. 

3.3.1.2. Choix d'une solution 

D'après le cahier des charges précédemment établi et l'étude présentée ci-dessus, nous avons 

rejeté l'utilisation des actionneurs thermiques et alliages à mémoire de forme car peut adaptée à 

l'application que nous envisageons. 

Les actionneurs fluidiques possèdent une bonne diversité de déplacements et 

permettent surtout des amplitudes importantes. L'utilisation de FMA paraît alors séduisante 

pour notre application, et mérite d'être testée. 





Au vu des considérations précédentes et des possibilités de fabrication, qui 

existent également à petite échelle, nous avons choisi d'exploiter les soufflets métalliques 

comme corps d'épreuve à la base de notre EDORA. 

En effet, des produits standard de petites tailles sont largement commercialisés et ont 

déjà donné lieu à plusieurs actionneurs [BETEMPS 94]. Ainsi nous pourrons nous rapprocher de 

la taille souhaitée pour notre maquette de faisabilité. De plus, l'expérience du laboratoire dans 

l'utilisation des soufflets en tant qu'actionneur, permet de se reposer sur de solides 

connaissances de ce produit. 

Il faudra bien entendu rechercher une position adéquate des soufflets pour avoir un 

angle d'inclinaison maximal de l'EDORA et chercher la taille optimale des soufflets qui influera 

bien évidemment sur sa taille. 

L'inconvénient majeur de l'énergie fluidique est son encombrement : l'alimentation et 

la distribution d'un flux pneumatique ou hydraulique entraînent la présence d'éléments de 

transport d'énergie (tubes, raccords, … ) et de commande (vannes, valves, pompes, … ) 

[DARIO 97] qui ne sont pas encore réellement développés à des tailles millimétriques. 

Pour notre application, la taille des servovalves nécessaires au fonctionnement des 

soufflets pneumatiques n'est pas un problème majeur. Effectivement, elles peuvent tout à fait 

être placées en amont de la gaine d'introduction du coloscope. 

Signalons toutefois les micro-valves à actionnement thermique, comme par exemple 

celle développée par [GUNTHER 99]. La pression maximale contrôlée atteint 10 bars pour un 

débit de 450 ml.s -1 , avec une bande passante de 20 Hz. Bien qu'ayant un débit un peu faible, 

cette servovalve pourrait convenir à notre application. 

Nous allons exposer ci-dessous notre conception de l' EDORA : le choix du type de 

soufflets, de leur disposition particulière et les différentes pièces de connexion sera effectué. 

3.3.2. Conception de l'EDORA 

3.3.2.1. Les soufflets métalliques 

Les composants pneumatiques utilisent, pour la plupart, des corps déformables avec une raideur 

donnée. Ce sont en fait des chambres fermées qui sont alimentées sous pression, comme les 

muscles ou les soufflets. Leur variation de formes produit des déplacements qui sont exploités 

de façon continue. L'avantage des corps déformables est qu'ils ne nécessitent pas la présence de 

liaison cinématique au niveau des pièces chargées de l'étanchéité. 





Nous avons donc décidé d'utiliser des soufflets métalliques pour concevoir l'EDORA. 

Les principales propriétés des soufflets métalliques sont largement décrites dans [PRELLE 97] : 

- résistance à la pression, 

- une élasticité naturelle, 

- étanchéité absolue, 

- résistance à la corrosion, 

- résistance à la température, 

- et longue durée de vie sans entretien. 

Ce sont surtout les trois premières propriétés qui nous ont confortés dans notre 

décision. Cette élasticité naturelle des soufflets leur permet des mouvements dans les directions 

axiales, angulaires et latérales. 

Le choix du type de soufflets par rapport à la gamme proposée par le constructeur 

[ACCES] est exposé en ANNEXE 3. 

Nous allons avoir besoin de 12 soufflets pour concevoir notre EDORA. La plate-forme 

inférieure sera également utile pour les connexions pneumatiques. Pour éviter tout flambage des 

soufflets pendant l'inclinaison du prototype, nous décidons également de placer une plate-forme 

intermédiaire (figure 3.6). Les chambres déformables seront donc placées à 120° les unes des 

autres, comme nous le montre la vue de dessus de la figure 3.6. 

3.3.2.2. Montage de l'EDORA 

Nous réalisons trois chambres 

indépendantes pour autoriser 

l'inclinaison de notre EDORA. 4 soufflets assemblés 

Chaque chambre est constituée pour constituer une 

chambre déformable 

par l'assemblage de 4 soufflets 

standard de 18.8 mm longueur 

et de 9.53 mm de diamètre vue de 

(figure 3.6). 

face 

plate-forme 

supérieure 


intermédiaire 

Figure 3.6. Schéma de la 

position des plates-formes et 

des soufflets 


inférieure 

vue de 

dessus 





L'assemblage des soufflets et l'étanchéité des chambres sont réalisées par collage. 

Nous avons choisi cette méthode car elle est simple, peu encombrante et efficace, tant dans ses 

performances de maintien qu'en longévité. La colle LOCTITE 480 est tout à fait adaptée pour 

un collage de petites pièces métal sur métal et dont le jeu est inférieur à 1 mm. 

Cette colle sera utilisée pour assembler les soufflets deux à deux. Le type d'extrémité 

des soufflets [ACCES] est choisi de façon à faciliter cet assemblage, mais nécessite la présence 

de pastilles de connexion intermédiaires (visibles sur la vue d'ensemble figure 3.10). 

Les tuyaux d'alimentation choisis sont renforcés et de faible diamètre : 2.5 mm de 

diamètre intérieur et 3.5mm de diamètre extérieur. Ils peuvent prendre de faibles rayons de 

courbure sans s'obstruer. 

Des capteurs de position devront, par la suite, être placés sur la plate-forme supérieure 

de l' EDORA. Des espaces pour les câbles d'alimentation de ces capteurs sont donc prévus lors 

de la conception des plates-formes. 

La conception des trois plates-formes nécessaires au montage de l' EDORA, ainsi que 

des pastilles de connexion, est exposée ci-dessous. 

La plate-forme inférieure 

Cette plate-forme est la partie basse de l' EDORA. Elle devra principalement effectuer la 

connexion entre les trois arrivées pneumatiques et les soufflets. 

Des passages pour une éventuelle alimentation indépendante du second étage des 

soufflets (compris entre les plates-formes intermédiaire et supérieure), ainsi que pour les câbles 

des capteurs de position qui sont situés sur la plate-forme supérieure, y sont également prévus. 

La figure 3.7 représente le schéma de la plate forme inférieure. Il est indispensable de 

garder une distance minimale entre les soufflets pour que, lors d'une inclinaison, ils ne viennent 

φ 26 

φ 2 

A 

φ 4 

φ 3.5 

φ 8 

coupe A-A 

pas frotter les uns 

sur les autres. 

Figure 3.7. 

Schéma 

représentant la 


inférieure de 

l'EDORA 

A 

5 

grands 

Les trois 

alésages, 





de 8 mm de diamètre chacun, correspondent à la connexion des soufflets. Face aux soufflets, 

des alésages plus réduits permettront de connecter les tuyaux pneumatiques. Ces derniers seront 

collés directement dans leurs alésages, qui mesurent 3.5 mm de diamètre. 

Par les trois grands orifices de 4 mm de diamètre, pourra circuler l'alimentation 

pneumatique éventuelle de l'étage supérieur et par les trois petits de 2 mm de diamètre, 

passeront les alimentations des trois capteurs de distance. 

La plate-forme inférieure possède donc tous les alésages et orifices nécessaires au 

montage des soufflets, aux connexions de leur alimentation pneumatique et aussi au passage de 

l'alimentation de l'étage supérieur et de l'alimentation des capteurs de position. 

La plate-forme intermédiaire 

Le rôle principal de la plate-forme intermédiaire est d'éviter le flambage des chambres 

déformables. Effectivement, ces dernières étant constituées de 4 soufflets métalliques, leur 

longueur peut atteindre 90 mm pour 9.53 mm de diamètre. Le mouvement de l' EDORA impose 

une utilisation en flexion des chambres déformables, ce qui peut entraîner facilement du 

flambage. 

La conception de cette plate-forme (figure 3.8) doit prendre en compte d'une par le 

transfert des futures alimentations électroniques des capteurs de distance et d'autre part, la 

connexion, ou non, les deux étages de soufflets. 

φ 26 

orifice de connexion 

coupe B-B 

7 

B 

B 

Figure 3.8. Schéma représentant la plate-forme intermédiaire de l'EDORA 

Pour les alimentations électriques, il suffit de réaliser à nouveau trois orifices de la 

même manière que sur la plate-forme inférieure. 

Pour les chambres pneumatiques, la problématique est toute autre : il faut pouvoir 

facilement isoler les deux étages de soufflets ou, au contraire, les connecter. Il faut pour cela, 

dans un premier temps, prévoir une seconde alimentation de l'étage supérieur. Dans cette 





perspective, nous réalisons des perçages supplémentaires (orifices de connexion) pour relier 

l'arrivée du circuit pneumatique aux orifices de raccordement des soufflets à la plate-forme, 

comme le montre la figure 3.8. 

La même colle LOCTITE 480 utilisée pour le collage et l'étanchéité sera employée 

pour obstruer les trois orifices de connexion. 

Les alésages pour le raccordement des soufflets ont un diamètre de 8 mm et une 

profondeur de 2 mm. Pour permettre le perçage des orifices de connexion sans risquer de 

déboucher dans les alésages prévus pour les soufflets, nous avons choisi d'augmenter l'épaisseur 

de cette pièce de 5 mm à 7 mm. 

La plate-forme supérieure 

La plate-forme supérieure (figure 3.9) doit simplement assurer l'étanchéité au sommet 

des trois chambres déformables et permettre à nouveau le passage des connexions électroniques 

des capteurs de distance. Les alésages ont encore les mêmes dimensions (8 mm de diamètre 

pour 2 mm de profondeur) que pour les deux plates-formes précédentes. 

La plate-forme a ici une épaisseur de 4 mm, ce qui limite le poids. 

C 

coupe C-C 

C 

Figure 3.9. Schéma représentant la plate-forme supérieure de l'EDORA 

Sur la photo (figure 3.10), les plates-formes, les pastilles (utiles pour faciliter 

l'assemblage) ainsi que les soufflets sont disposés avant montage. 





pastilles 

Figure 3.10. Vue éclatée de l' EDORA avant montage et collage 

26 mm 

Une fois l'EDORA montée, elle mesure environ 94 

mm de hauteur pour 26 mm de diamètre. Sur la photo 3.11 

ci-contre, nous reconnaissons facilement les soufflets et les 

trois plates-formes (les pastilles sont plus difficilement 

visibles). 

94 mm 

L'outil montée nous permet de mieux en percevoir 

le fonctionnement, ainsi que l’emplacement des platesformes 

et la position des soufflets. 

L'intégration des capteurs de distances est détaillée 

dans la prochaine partie. Ils seront placés sur la plate-forme 

supérieure et auront pour rôle de détecter les parois d'un tube 

simulant mutatis mutandis celles du côlon lorsque la tête de 

coloscope progressera à l'intérieur. 

Remarque : 

Figure 3.11. Photo de l'EDORA 

L'EDORA conçue constitue l'élément moteur de 

l'EDORA-01 présentée au chapitre suivant. 

Effectivement, compte tenu des considérations 

médicale (homogénéité, stérilisation, étanchéité, …), 

nous devons évoluer vers une nouvelle structure. 





3.3.3. Les capteurs de distance 

3.3.3.1. Introduction 

Nous avons vu, au cours des chapitres précédents, que, pour être en accord avec la Chirurgie 

Minimalement Invasive, nous devons éviter de toucher les parois intestinales. L'objectif est 

donc de détecter sans contact la distance entre le coloscope et les parois intestinales. Grâce à 

notre maquette de faisabilité, nous pourrons tester le positionnement de capteurs de distance sur 

l'EDORA et valider leur efficacité, par rapport à notre application. 

Il n'est pas nécessaire que l'évaluation des distances soit précise. Le but étant en 

priorité d'éviter le contact, une détection approximative de la proximité de la paroi suffit. 

Les coloscopes actuels ont un diamètre de 13 mm environ. Pour nos premières 

expériences de faisabilité, l'EDORA mesure 26 mm de diamètre, soit sensiblement à l'échelle 2. 

Le diamètre du côlon étant de l'ordre de 15 à 25 mm, nous avons donc retenu pour nos premiers 

essais un tube de 50 mm de diamètre. 

Avec les dimensions choisies ci-dessus, les distances à détecter par les capteurs sont 

évaluées au maximum à 24 mm (diamètre de 26 mm pour l' EDORA et diamètre de 50 mm pour 

le tuyau). Evidemment, plus le capteur sera près de la paroi, plus la distance mesurée devra être 

précise. 

L'encombrement des capteurs est également à prendre en compte. Ayant la possibilité 

de commander trois chambres déformables, nous décidons d'associer un capteur à chaque 

actionneur, ce qui facilitera le système de contrôle-commande. 

Les capteurs de distance seront ainsi placés à 120° les uns des autres et trois distances 

seront mesurées. Le diamètre de la plate-forme supérieure ne mesurant que 26 mm de diamètre, 

les dimensions de ces derniers devront être les plus réduites possible. 

Le schéma de la figure 3.12 représente la position des capteurs de distance sur la plateforme 

supérieure de l' EDORA. 

les trois capteurs de 

distance 

paroi du tuyau 

simulant l'intestin 

(50 mm de diamètre) 

plate-forme supérieure de 

l'EDORA (26 mm de 

diamètre) 


représentant la position 

des capteurs de position 

sur la plate-forme 

supérieure de l'EDORA 





Nous allons maintenant décrire quelques solutions envisageables pour mesurer les 

distances de l'EDORA aux parois: ultrasons, fibres optiques et enfin capteurs à effet Hall. 

3.3.3.2. Les dispositifs à ultrasons 

Le transducteur à ultrasons fonctionne de la façon suivante : c'est un émetteur qui 

envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter (impédance différente) et ensuite 

revenir à la source. La distance entre le transducteur et l'objet est évaluée en fonction du temps 

du parcours du train d'ondes. 

Les utilisations d'ultrasons dans le domaine médical se font la plupart du temps par 

contact direct sur l'organe à traiter, ou bien par l'intermédiaire d'eau ou de gel. Effectivement, 

les ultrasons sont entièrement réfléchis par les os et les gaz et ne peuvent donc pas être utilisés 

pour explorer le squelette, ni les poumons. C'est pour cela que nous savons qu'il sera très 

difficile pour nous d'utiliser cette technique dans le côlon. 

Nous avons effectué tout de même différentes expériences pour détecter un tissu 

intestinal à partir d'ultrasons. 

Nous avons, dans un premier temps, vérifié expérimentalement que les ondes se 

déplacent plus facilement dans l'air à de faibles fréquences (de l'ordre de quelques dizaines, 

voire quelques centaines de kHz) et dans l'eau à de hautes fréquences (quelques MHz). 

Par contre, il est possible d'observer de petites distances dans l'air, à de hautes 

fréquences. Nous nous sommes donc intéressés à la propagation des ondes dans l'air pour de 

faibles distances (de 5 mm à 20 mm). Des phénomènes de résonance apparaissent alors et noient 

le signal de retour (l'écho sur la paroi intestinale). 

De plus tout capteur possède une "zone morte", qui correspond à la distance minimum 

que doit avoir l'objet à détecter par rapport au capteur pour que celui-ci fonctionne 

correctement. Pour les transducteurs testés, cette zone morte dépassait 50 mm. 

Il apparaît d'importants problèmes de compatibilité, dus principalement aux 

caractéristiques des transducteurs utilisés (impédance), qui ne sont pas utilisables dans un 

milieu gazeux. L'utilisation de basses fréquences permettrait de détecter des parois dans l'air, 

mais la taille du quartz à utiliser serait trop importante pour pouvoir être installée sur la tête de 

coloscope. 

Pour ces raisons, nous avons décidé de rejeter les ultrasons et de nous tourner vers une 

autre solution pour détecter les parois entourant l'EDORA. 

3.3.3.3. Les fibres optiques 

En endoscopie souple, c'est grâce à ces fibres optiques qu'il est possible d'éclairer 

l'intérieur de l'intestin. Il s'agit du guidage de la lumière dans des fibres de verre grâce au 

phénomène de réflexion totale. Le faisceau lumineux, qui se réfléchit continuellement sur les 

parois, est facilement guidé vers l'endroit désiré. 





Le principe que nous voulons mettre en application ici, est issu d'une utilisation en 

mini-capteur de position à haute résolution, développé à l'Université Technologique de 

Compiègne, dans le Laboratoire Roberval, Unité de Recherche en Mécanique [PRELLE 01 (a)]. 

Ce capteur de position de petites dimensions a une résolution nanométrique et permet de 

mesurer des déplacements sur une course de quelques millimètres. La fibre optique, constituée 

d'une fibre principale émettrice et de 4 fibres latérales réceptrices (figure 3.13), a pour but 

d'émettre de la lumière vers un miroir plan et de la capter à nouveau après réflexion. 

Fibres de réception 

Figure 3.13. Schéma de la section de la 

fibre optique : la fibre émettrice et les 

fibres réceptrices 

Fibre d'émission 

Le principe consiste à utiliser un miroir incliné pour transposer la résolution axiale en 

résolution latérale (on appelle résolution latérale, le déplacement minimal détectable par le 

capteur). Dans cette configuration, l'axe optique du capteur reste perpendiculaire à l'axe du 

miroir mobile, mais le vecteur déplacement n'est plus colinéaire au vecteur normal de la surface 

du miroir. Un bon compromis consiste à choisir un angle de 45° entre les deux vecteurs pour 

engendrer une résolution latérale de 2.26 nm, sur une étendue de mesure de 113 µm. 

Le fonctionnement des ces fibres est le suivant : la lumière est émise à partir d'une 

source lumineuse froide et est véhiculée par la fibre émettrice. Par réflexion sur une surface 

(réflexion en fonction de l'albédo du corps), elle pénètre dans les fibres de réception placées à la 

périphérie de la fibre émettrice. La distance entre le capteur à fibres optiques et la surface 

détectée est fonction de la quantité de lumière réfléchie. 

Cette solution de fonctionnement est donc tout à fait envisageable pour des 

expériences avec l'EDORA. Les fibres sont souples et peuvent accepter un rayon de courbure de 

l'ordre de 20 mm sans grandes variations de mesures. 

A leur extrémité, la partie rigide mesure 20 mm, ce qui est compatible avec le diamètre 

de l'EDORA (26 mm). Il faut évidemment que la lumière soit envoyée perpendiculairement à 

son déplacement pour détecter les parois dans un plan contenant la plate-forme supérieure. C'est 

pour cela que le rayon de courbure acceptable des fibres, ainsi que la taille de la partie rigide 

sont à prendre en compte avant le montage. 

Il est à préciser que les fibres optiques de taille réduite existent et pourront, être 

intégrées sur un prochain prototype. 

3.3.3.4. Les dispositifs à effet Hall 

Le dispositif à effet Hall est une autre possibilité à envisager pour mesurer une distance sans 

contact. Le principe consiste en l'apparition d'une différence de potentiel dans un métal ou un 





semi-conducteur parcouru par un courant électrique lorsqu’on l’introduit dans une induction 

magnétique perpendiculaire à la direction du courant. 

Ainsi, le capteur à effet Hall, fournit une tension de sortie proportionnelle au champ 

magnétique B variable. 

Pour pouvoir détecter un champ magnétique à une certaine distance, nous devons 

disposer d'un capteur à effet Hall suffisamment sensible. La précision est ici aussi secondaire, 

c'est-à-dire que l'ordre du mm nous satisfait amplement. Nous choisissons donc un composant 

Honeywell (SS495A1), qui délivre 3.125 mV par Gauss, avec une sensibilité de 0.094 mV 

(figure 3.14). Ce capteur dispose d'une plage de mesure de ± 670 Gauss. Ses dimension sont de 

2*3*4 mm, ce qui correspond à nos critères d'encombrement. 

La génération du champ magnétique peut s'effectuer par l'intermédiaire d'un aimant 

permanent. 

Figure 3.14. Photo d'un capteur à effet Hall 

3.3.3.5. Choix du capteur de distance et installation 

Nous avons proposé trois types de capteurs de position pour pouvoir détecter les parois du tuyau 

entourant l'EDORA. Le but est de détecter simplement si nous nous approchons dangereusement 

ou non de ces parois. 

L'étude précédente nous informe largement sur les difficultés rencontrées pour utiliser 

les ultrasons. La taille du transducteur, les fréquences d'utilisation et la présence d'une "zone 

morte" sont les critères qui rendent inenvisageable, pour le moment, la mise en place de tels 

outils. 

Par contre, les fibres optiques et les capteurs à effet Hall sont tout à fait compatibles 

avec notre objectif. Effectivement, il est envisageable de placer les capteurs à fibre optique sur 

la plate-forme supérieure de l'EDORA. Mais n'étant pas immédiatement disponibles, nous 

choisissons, dans un premier temps, d'équiper notre maquette des capteurs à effet Hall. 

Nous pourrons ainsi, tout en poursuivant les discussions avec l'UTC sur la 

miniaturisation des capteurs et leur intégration sur l'EDORA, tester la faisabilité de la 

commande en mode asservi avec les capteurs à effet Hall. Les fibres optiques seront une 

solution plus intéressante pour un futur prototype. 

Chacun des 3 capteurs à effet Hall délivre une tension de sortie qui est fonction de la 

force du champ magnétique. En plaçant les capteurs à effet Hall sur la plate-forme supérieure de 

l'EDORA, nous devrions créer un champ magnétique circulaire tout le long des parois du tube. 





Nous avons préféré placer un simple aimant sur la plate-forme supérieure de l'EDORA, 

et imiter ses déplacements aléatoires transversaux dans le tube par deux translations X et Y. 

Dans ce cas, nous pouvons simplement positionner les trois capteurs à effet Hall sur un plateau 

se trouvant dans le même plan que la plate-forme supérieure de l'EDORA (figure 3.15). Cette 

dernière ne progressera donc pas le long d'un tube, mais les mouvements perturbateurs induits 

par la table XY représenteront mutatis mutandis les conditions d'utilisation. C'est la réaction de 

l'EDORA à ces mouvements perturbateurs que nous allons étudier, dans le but d'éviter tout 

contact entre sa plate-forme supérieure et le plateau supportant les trois capteurs à effet Hall. 

Nous expliquerons la réalisation mécanique de ces mouvements dans le prochain paragraphe. 

La plate-forme supérieure de l'EDORA, de 26 mm de diamètre, est donc placée au 

centre d'un plateau supportant les trois capteurs à effet Hall. Ces derniers sont disposés à 120° 

les uns des autres, sur une couronne de 50 mm de diamètre. 

L'aimant permanent est fixé sur la plate-forme supérieure de l'EDORA. Il fournira 

simultanément au trois capteurs, un champ magnétique dont l'amplitude est fonction de la 

distance. 

La figure 3.15 donne un aperçu de l'emplacement des capteurs à effet Hall ainsi que de 

l'aimant et la figure 3.16 est une photographie du montage correspondant. 

les capteurs à effet Hall 

plateau supportant les trois 

capteurs à effet Hall 

aimant 

permanent 


supérieure de 

l'EDORA 

l'EDORA 

x 

z 

y 

couronne de 50 mm de 

diamètre représentant les 

parois du tuyau 

Figure 3.15. Schéma représentant la position des capteurs à effet Hall autour de la plate-forme 

supérieure de l'EDORA 





Figure 3.16. 

Photo 

représentant 

la position des 

capteurs à 

effet Hall 

autour de la 


supérieure de 

l'EDORA 

capteur à effet Hall 

aimant 

EDORA 

Pour des raison d'homogénéité de champ magnétique, nous avons choisi un aimant 

cylindrique, adaptable sur la plate-forme supérieure l'EDORA. Le but est d'engendrer un champ 

magnétique uniforme dans toutes les directions autour de l'outil et de le mesurer par trois 

capteurs à effet Hall. 

Le modèle d'aimant retenu satisfaisant les critères d'encombrement et de magnétisation 

est un élément en Neodyme-fer-bore de 15 mm de diamètre et de 5 mm de hauteur (référence : 

D2452E85Z UGIMAG). Cet aimant, d'après les documents du constructeur, engendre un champ 

de 5000 Gauss au contact, et 600 GAUSS à 3 mm, ce qui correspond à notre plage d'utilisation. 

L'étalonnage des capteurs à effet Hall, leur positionnement sur le plateau, en fonction des 

chambres déformables, seront détaillés au paragraphe 4.3. 

Cette disposition des trois capteurs à effet Hall et de l'aimant, nous permettra de 

mesurer les distances de l'EDORA au bord de la couronne et de la repositionner au centre de 

cette dernière, en réaction aux mouvements de perturbation. Le but est que la plate-forme 

supérieure supportant l'aimant ne touche jamais les bords de la couronne matérialisant les parois 

du tube. 

3.3.4. Implantation générale de la maquette de faisabilité 

Dans un premier temps, trois capteurs à effet Hall et un aimant permanent seront utilisés pour 

contrôler les distances de l'EDORA à la couronne représentant les parois du tube. Comme nous 

l'avons exprimé dans le paragraphe précédent, l'utilisation de ce type de capteur requiert une 

base mobile de l'EDORA pour imiter les mouvements transversaux lors de l'avance du 

coloscope dans un conduit. Pour cela, une table XY (deux translations découplées) est mise en 

place, sur une course de 24 mm dans les deux directions. Deux potentiomètres peuvent relever 

les distances suivant les axes X et Y du montage expérimental. Ainsi, lorsque l'EDORA se 

trouve verticalement au milieu de la couronne nous avons X = Y = 12 mm. 





Pour commander les pressions dans les chambres déformables, nous avons envisagé la 

possibilité d'inclure des microservovalves dans l'EDORA. Ceci permettrait de limiter les 

multiples conduits pneumatiques tout au long du futur endoscope. Pour alimenter les trois 

chambres déformables, une seule arrivée d'air suffirait alors. La micro-valve à actionnement 

thermique, présentée au paragraphe 3.3.1.2 [GUNTHER 99] pourrait convenir, mais son faible 

débit entraînerait une dynamique trop faible en flexion de l'EDORA. 

Nous avons donc choisi d'utiliser trois servovalves que nous placerons en amont du 

circuit pneumatique représentant la gaine d'introduction du coloscope. 

Les trois chambres déformables peuvent nécessiter des capteurs de pression pour leur 

commande (retour d'état par exemple), mais également pour l'analyse de la dynamique de 

l'EDORA. Des capteurs de petite taille sous forme de pastilles sont maintenant disponibles et 

peuvent être noyés dans un environnement sous pression pneumatique ou hydraulique. Le 

développement encore limité de ces composants ne nous a pas permis d'en utiliser. De plus, 

l'intérêt d'intégrer ces capteurs dans l'EDORA reste secondaire, c'est pourquoi nous avons opté 

pour la présence de capteurs de pression placés en sortie des servovalves de commande. La 

mesure qu'ils fournissent est une représentation des pressions dans les chambres déformables, 

avec un décalage temporel et des distorsions dues à la lignes pneumatique (compressibilité, 

effet d'onde), mais cela reste négligeable. 

La maquette de faisabilité est schématisée en totalité sur la figure 3.17 et sa photo est 

présentée figure 3.18 : l'EDORA mesure 94 mm de long et 26 mm de diamètre. Les 3 

alimentations pneumatiques et les câblages électriques des capteurs à effet Hall et des 

potentiomètres de la table XY y sont représentées. Les organes de commande fluidique ont été 

placés à l'extérieur de l'EDORA, elle est donc reliée à sa partie commande par l'intermédiaire de 

3 tuyaux d'alimentation. Ceux-ci correspondent à la longueur du coloscope, c'est-à-dire de 1.5 m 

à 2 m de long. 

Les tuyaux d'alimentation pneumatiques sont en polyuréthanne tramé pour résister, 

donc se courber sans s'obstruer, aux faibles rayons de courbure que devra prendre l'outil. 

L'EDORA est fixe, par l'intermédiaire de sa plate-forme inférieure, sur la table XY (elle-même 

fixe par rapport au support de travail) et peut donc avoir un mouvement plan. 






aimant 

plateau supportant 

les trois capteurs 

EDORA 

potentiomètre : 

déplacement suivant Y 

liaison glissière de 

la table X_Y 

table X-Y 

potentiomètre : 

déplacement suivant X 

3 tuyaux 

d'alimentations 

pneumatiques 

z 

y 

x 

Figure 3.17. Schéma représentant le montage complet de la maquette de faisabilité 

potentiomètres 

Figure 3.18. Photo de la maquette de faisabilité 





L'implantation générale de la maquette de faisabilité et de son environnement est 

représentée figure 3.19. Les trois chambres déformables, qui composent l'EDORA, sont 

commandées par trois servovalves de type jet pipe ATCHLEY (3a, 3b et 3c). Les 3 capteurs de 

pression (4a, 4b et 4c) sont placés à la sortie des servovalves, dans les circuits pneumatiques, de 

longueur 150 cm environ, allant jusqu'à l'EDORA. Le circuit pneumatique principal est alimenté 

par un compresseur et filtré par des filtres de 5 microns (1). 

Les capteurs à effet Hall (5a, 5b et 5c) sont disposés autour de l'aimant et les 

potentiomètres de la table XY (6X et 6Y) se trouvent sous l'EDORA. 

5b 

7 

8 

5a 

5c 

6X 

6Y 

4c 

4b 

4a 

3c 

3b 

3a 

2 

1 

Figure 3.19. Implantation générale de l'EDORA dans son environnement 

L'électronique nécessaire au pilotage des capteurs à effet Hall, des capteurs de 

pression, des servovalves et des potentiomètres est installée dans le Rack (7) comportant les 

cartes d'alimentation et de conversion des différents éléments. Ce rack constitue l'interface 

électronique avec la partie informatique assurée par un PC (8) équipé d'une carte DSP. 

3.3.5. Ergonomie du poste de travail 

La figure 3.20 représente les liens entre l'informatique de commande, l'électronique et la partie 

opérative. 

L'ordinateur qui pilote l'ensemble, est équipé d'une carte d'entrée/sortie munie d'un 

DSP (DS 1102 Scientific Software). Cette carte est munie initialement de deux convertisseurs 

analogiques/numériques 16 bits et de deux autres 12 bits. Quatre convertisseurs 

numériques/analogiques de 12 bits y sont également disponibles. 





alimentations 

+12V 0V -12V 0V +10V 

Conversion 

N / A 

12-bits 

250 kHz 

*3 

Réglage de la 

position initiale 

de la 

servovalve 

Montage 

différentiel 

Commande des 

servovalves 

Conversion 

V/I 

*3 

Servovalve 

jet Pipe 

Commande de 

mouvement 

Conversion 

A / N 

16-bits 

250 kHz 

Conversion 

A / N 

12-bits 

800 kHz 

*3 

*1 

*2 

*2 

Alimentation 

capteur à effet 

Hall 

0-10v 

Filtrage 

300 Hz 

Alimentation 

capteur de 

pression 

0-10v 

Filtrage 

300 Hz 

Amplificateur *2 

Amplificateur 

*100 

Conditionnement des 


Conditionnement des 

capteurs de pression 

Montage 

différentiel 

*3 

*3 

Mesures des trois 

distances 

Capteur à 

effet Hall 

Mesures des trois 

pressions 

Capteur de 

pression 

CARTE 

D'ACQUISITION 

- COMMANDE 

dSpace 1102 

Conditionnement des potentiomètres de la table X-Y 

CARTE INTERFACE 

*2 

potentiomètres 

Mesures des deux 

déplacements X et Y 

Alimentation 

externe 

0-10V 

Figure 3.20. Schéma synoptique de l'interface électronique 

Notre installation nécessite 8 entrées sur la carte d'acquisition : 3 pour les capteurs de 

pression, 3 pour les capteurs à effet Hall et 2 pour les potentiomètres de la table XY. Nous 

avons donc dû mettre en place un multiplexeur 8/4 qui nous permet de connecter tous nos 

signaux analogiques sur la carte dSpace. Nous avons ainsi quatre convertisseurs 

analogiques/numériques 16-bits et quatre de 12-bits. Nous décidons d'attribuer la plus grande 

précision en priorité aux trois capteurs à effet Hall (convertisseurs 16-bits). Ainsi, les deux 

capteurs de pression et les deux potentiomètres sont connectés aux convertisseurs 12-bits. 





En ce qui concerne les servovalves, nous utilisons les trois convertisseurs N/A. Chaque 

servovalve, commandée entre -20 mA et +20 mA, est alimentée par un convertisseur 

tension/courant et dispose d'un réglage d'offset. 

Les signaux issus des capteurs à effet Hall et des capteurs de pression sont filtrés 

(Passe Bas) à 300 Hz. Les expérimentations montrent que le rapport signal/bruit est grand et 

convient très bien à notre utilisation. 

Pour une utilisation simple à partir du PC, le module logiciel "Cockpit" associé à 

l'environnement dSpace est utilisé. Cette Interface Homme/Machine (IHM) est présentée figure 

3.21. 

A chacune des trois chambres déformables sont associés les éléments suivants : 

- une alimentation en air comprimé, 

- une servovalve, 

- un capteur de pression, 

- un capteur de distance (effet Hall), 

- la possibilité de choisir une commande manuelle ou asservie, 

- tout le matériel et logiciel nécessaire à l'asservissement en position au centre de la 

couronne. 

Remarque : 

Plutôt que asservissement, il serait plus juste de parler de régulation : en 

effet, nous allons piloter la grandeur de commande (courant des servovalves) 

afin que l'EDORA reste le mieux possible au centre de la couronne, et ce, 

quelle que soit la position aléatoire de la plate-forme de base. 

Lors d'une utilisation en mode automatique, suite à l'initialisation des pressions, il est 

possible de modifier les consignes de distance, les gains et les valeurs du correcteur de la chaîne 

directe. Les valeurs des distances suivant X et Y de la table XY sont toujours visibles, sur la 

dernière ligne de l'IHM. 





Figure 3.21. IHM de commande de l'EDORA - Cockpit 

Enfin, le schéma de commande figure 3.22 a été réalisé sous Simulink. Il gère le 

fonctionnement de chaque chambre déformable. On y remarque aussi facilement les trois lignes 

correspondant aux trois chambres). 

Les deux blocs nommés "Système Réel A/D (contrôle)" et " Système Réel D/A 

(commande)" représentent les connexions physiques avec la carte DS1102 pour les huit capteurs 

et les 3 servovalves. 

Le bloc nommé "traitement" se charge des conversions des unités et prend en compte 

les caractéristiques et étalonnage de chaque capteur pour que l'affichage sur l'IHM apparaisse 

clairement. 

Dans les trois blocs "retour1", " retour2" et " retour3", se trouvent : la boucle de retour 

en distance et le correcteur. Ils seront tous les deux étudiés dans le prochain chapitre. 





Figure 3.22. Schéma de commande complet du robot - Simulink 

3.1 Conclusion 

Les consignes du cahier des charges, détaillées au premier chapitre, ont été approchées pour la 

conception et la réalisation de la maquette de faisabilité. Même si la partie active a été 

développée ici à l'échelle 2, il sera possible dans une prochaine version de la diminuer 

facilement. 

Le but étant de progresser au moins aussi vite que les coloscopes traditionnels, nous 

avons voulons concevoir une EDORA qui pourra remplacer le système de béquillage situé à leur 

extrémité. La maquette de faisabilité réalisée va aisément dans ce sens. 

Elle a été conçue pour sa commodité d'utilisation, de réalisation de tests, pour sa 

facilité d'usinage et de modification. Elle permettra surtout de valider l'asservissement en 

position de l'EDORA. 

L'EDORA mesure 94 mm de long et 26 mm de diamètre et supporte un aimant. La 

maquette est équipée de trois capteurs à effet Hall pour mesurer la position courante de la plateforme 

supérieure de l'EDORA par rapport à la couronne représentant le tuyau à inspecter. 

Les servovalves commandent les changements de pression dans les chambres 

déformables en fonction de la position retournée par les capteurs à effet Hall. D'autres capteurs 

donnent à tout moment l'état des pressions présentes dans les chambres déformables. 

La table XY et ses deux potentiomètres permettent de simuler les mouvements 

aléatoires radiaux du coloscope dans d'intestin. Une photographie de l'ensemble du montage est 

montrée figure 3.23. 





Figure 3.23. Photo de l'installation générale de la maquette de faisabilité 

Chaque couple chambre déformable-capteur à effet Hall est indépendant des autres et 

agit dans sa propre direction pour éviter le contact entre la couronne et la plate-forme supérieure 

de l'EDORA. Nous sommes donc en présence de trois boucles de régulation indépendantes, 

mais mécaniquement liées (figure 3.24). 

1 

Auto 1 

2 

3 

Auto 2 

Auto 3 

3 capteurs à 

effet Hall 

1 2 3 

Servovalve 3 Servovalve 2 Servovalve 1 

EDORA 

3 chambres 

déformables 

1 2 3 

Figure 3.24. Représentation de la liaison automatique-mécanique de la maquette de faisabilité 

Au chapitre suivant, dans un premier temps, le modèle mathématique statique de 

l'EDORA sera détaillé et des essais expérimentaux permettront de le valider. Dans un second 

temps, nous aborderons la phase d'identification dynamique de la maquette de faisabilité, 

comprenant les servovalves et tout le circuit pneumatique. 








Modélisation et identification de l'EDORA et de la maquette de faisabilité 

Chapitre 4 

Modélisation et identification de l'EDORA 

et de la maquette de faisabilité 





4. 

CHAPITRE 4 MODÉLISATION ET IDENTIFICATION DE L'EDORA ET DE LA MAQUETTE DE 

FAISABILITÉ................................................................................................................................................... 102 

4 MODÉLISATION ET IDENTIFICATION DE L'EDORA ET DE LA MAQUETTE DE FAISABILITÉ......................... 104 

4.1. Introduction..................................................................................................................................... 104 

4.2. Modélisation statique de l'EDORA ................................................................................................. 104 

4.2.1. Capteurs à effet Hall ................................................................................................................... 110 

4.2.2. Capteurs de pression................................................................................................................... 113 

4.3. Modèle dynamique de la maquette de faisabilité ............................................................................ 113 

4.3.1. Introduction................................................................................................................................. 113 

Evaluation de l'amortissement de l'EDORA-01.................................................................................................... 114 

Evaluation de la raideur en flexion de l'EDORA-01............................................................................................. 115 

4.3.2. Partie pneumatique ..................................................................................................................... 117 

4.3.3. Partie mécanique ........................................................................................................................ 120 

4.3.4. Modèle dynamique ...................................................................................................................... 120 

4.4. Validation du modèle ...................................................................................................................... 124 

4.5. Conclusion ...................................................................................................................................... 127 





4. Modélisation et identification de l'EDORA 

et de la maquette de faisabilité 


Les phases de modélisation et d'identification vont concerner tout d'abord la validation du 

comportement statique de l'EDORA. 

L'étalonnage des capteurs sera pris en compte dans la modélisation dynamique 

générale de la maquette de faisabilité. La partie pneumatique de la maquette sera modélisée en 

dynamique, ainsi que sa partie mécanique. La validation expérimentale du modèle dynamique 

général de la maquette de faisabilité clôturera ce chapitre. 

4.2. Modélisation statique de l'EDORA 

L'établissement du modèle statique représente une première vérification de nos hypothèses. La 

mise en place de différents systèmes de coordonnées nous aidera lors de la recherche des 

équations mathématiques statiques. Ces équations permettront de relier les performances en 

inclinaison de l'EDORA à ses caractéristiques physiques, ainsi qu'aux pressions envoyées dans 

les chambres déformables. 

Pour la modélisation statique de l'EDORA, nous avons décidé de considérer deux 

systèmes en série, chacun constitué de deux plates-formes successives : la plate-forme 

inférieure, qui nous servira de référence, et la plate-forme intermédiaire, grâce à laquelle nous 

pourrons valider les mesures d’angle d'inclinaison du prototype, composent le premier système. 

Le second est constitué des plates-formes intermédiaire et supérieure. 

Les trois chambres déformables, placées comme l'indique la vue de dessus sur la figure 

3.6 du chapitre précédent, sont numérotées 1, 2 et 3 et leurs longueurs respectives sont 

désignées par , L 1 2 

et L . 

L 3 

Considérons maintenant uniquement le premier étage ; c'est-à-dire les platesformes 

inférieure et intermédiaire, ainsi que les trois chambres déformables. 

Nous introduisons également les angles θ 

1I 

et θ 

1II 

qui nous permettront de quantifier 

l'inclinaison de la plate-forme intermédiaire par rapport à la plate-forme inférieure pour le 

premier étage de l'EDORA. La figure 4.1 le représente, ainsi que les angles θ 

1I 

et θ 

1II 

et les 

trois chambres déformables. 





θ 1 ΙΙ 

plate-forme intermédiaire 

chambre déformable 2 


Figure 4.1. Schéma du 

premier étage de l'EDORA : 

positions des chambres 

déformables 1, 2 et 3 et des 

angles θ 1 Ι et θ 1 ΙΙ 


plate-forme inférieure 

Nous avons choisi le système de coordonnées suivant pour décrire ce premier étage 

(figure 4.2) : l'axe ( O, 

x 

r ) est défini comme passant par le centre de la plate-forme inférieure et 

le centre de la chambre déformable 1. L'axe ( O, 

y 

r ) est perpendiculaire à ( O, 

x 

r ) , dans le sens 

direct. Ainsi le plan ( O, 

x 

r , y 

r ) définit la plate-forme inférieure et l'axe ( O, 

z 

r ) vient compléter 

naturellement ce plan pour créer un référentiel dans l'espace. 

Dans le repère ( O, 

x 

r , y 

r ) , l'angle θ 

1 I est choisi tel que l'angle θ 

1II 

soit l'angle de plus 

grande pente de la plate-forme intermédiaire par rapport à la plate-forme inférieure. 

Nous nommons le repère supérieur, lié à la plate-forme supérieure ( O, 

u 

r , v 

r ) . La figure 

4.2 reprend les systèmes de coordonnées et leurs angles de rotation. 

Finalement, nous pouvons décrire les différentes orientations prises par la plate-forme 

intermédiaire comme une combinaison de deux angles de rotation : l'angle θ 

1I 

qui définit le 

r 

plan ( O, 

t , z 

r ) comme étant le plan de plus grande pente, et l’angle θ 

1II 

qui décrit une rotation 

autour de l'axe ( O, 

v 

r ) . Nous pouvons donc facilement retrouver le repère lié à la plate-forme 

r r r 

intermédiaire de l'EDORA ( O', 

u, 

v, 

w) 

par la succession des changements de repères suivants : 

( 

1 

θ 1 Ι 

θ1I 

θ II 

x, 

y, 

z) 

⎯⎯→( 

t, 

v, 

z) 

⎯⎯→( 

u, 

v, 

w) 

θ 1 II 

x 

z 

θ 1 II 

O' 

O 

θ 1 I 

w 

θ 1 II 

v 

t 

R 

y 


général du premier 

étage de l'EDORA avec 

les systèmes de 

coordonnées. 

R représente le rayon de 

courbure de l'EDORA. 

u 





En se basant uniquement sur la géométrie du premier étage de l'EDORA dans un état 

stable, nous pouvons trouver des relations liant les longueurs des soufflets L , L 1 2 

et L3 

aux 

angles θ 

1I 

, θ 

1II 

et à la longueur h (longueur de l'arc liant le centre de la plate-forme inférieure 

et le centre de la plate-forme supérieure) : 

= arctan 

3( L 

− L 

) 

2 3 

θ 

1I 

(1) 

2L1 

− L2 

− L3 

θ 

h 

1II 

1 

2L1 

− L2 

− L 

− 

3r 

cosθ 

3 

= (2) 

1 

= 

3 

3 

∑ L i 

i= 

1 

1I 

Ces trois relations sont démontrées en ANNEXE 4 

Plus importantes sont les relations liant les grandeurs de sortie θ 

1I 

, θ 

1II 

et h 1 aux trois 

pressions présentes dans les chambres déformables. 

Les points de départ de la démonstration des équations (4), (5) et (6) se trouvent dans 

[THOMANN 01 (a)] et la démonstration complète est développée en ANNEXE 5. Ces calculs 

nous permettent d'aboutir aux relations suivantes : 

tanθ 

θ 

h 

1II 

1I 

= 

S 

2( 

k 

2( 

k 

= − 

1 

1 

⎡ S2 

⎢( 

P2 

⎣ k2 

mg cosθ1II 

P1 

+ 

3k 

1 

mg cosθ1II 

S3 

+ ) − ( P3 

3k 

2 

k3 

S2 

mg cosθ1 

) − ( P2 

+ 

k 3k 

2 

2 

II 

mg cosθ 

⎤ 

II 

+ ) ⎥ 

3k3 

⎦ 

S3 

mg cosθ1 

) − ( P3 

+ 

k 3k 

3 

1 

mg cosθ1 

P2 

+ 

3k2 

3r 

cosθ 

1I 

S 

) − ( 

k 

S mg cosθ1II 

S2 

II 3 

mg cosθ 

1 1II 

P1 

+ ) − ( 

P3 

+ 

1 

3k1 

k2 

3 

3k 

) 

3 

1 

S 

mg cosθ 

3 

i 

1II 

1 

= Rθ1II = ∑( 

Pi 

+ ) + 

3 i= 

1 ki 

3ki 

L 

10 

avec 

θ 

1I 

: premier angle de rotation (rad), 

θ 

1II 

: second angle de rotation (rad), 

S 

i 

: section utile des soufflets (mm 2 ), 

ème 

P 

i 

: pression dans la i chambre déformable (N/mm 

2 ), 

L 

10 

: longueur des chambres déformables au repos (mm), 

ème 

k i : raideur de la i chambre déformable au repos (N/mm), 

r : rayon du cercle sur lequel les soufflets sont placés (mm), 

m : masse supportée par chaque chambre déformable (N), 

h : longueur de l'arc de cercle entre les centres des deux plates-formes (inférieure 

et intermédiaire) (mm). 

3 

3 

II 

) 

(3) 

(4) 

(5) 

(6) 





Les hypothèse suivantes peuvent être posées : 

- nous pouvons considérer ces équations pour de petits angles θ 

1II 

. Dans ce cas, 

nous pouvons faire l'approximation que cosθ 1 II 

≅ 1, 

- la masse de la plate-forme supérieure est usinée en aluminium, qui est un corps 

simple des plus légers : sa masse est de 2.92 grammes. Pour des pressions de 1 bar 

(pressions relatives moyennes d'utilisation) dans les trois chambres déformables, ce 

terme est plus de 1000 fois plus petit que les termes utilisant les pressions, et 

encore plus négligeable par rapport à L 10 (équation 6). Nous le négligerons donc 

lors de nos expériences statiques futures, 

- les soufflets qui constituent les trois chambres de déformation sont identiques. 

Ainsi, 

S = = que nous notons maintenant S 

1 

S2 

S3 

k = 

1 

= k = k k 

et les raideurs des chambres déformables 2 3 10 

Et après simplification, 

= arctan 

3( P 

− P ) 

2 3 

θ 

1I 

(7) 

2P1 

− P2 

− P3 

θ 

1II 

S(2P1 

− P2 

− P3 

) 

− 

3rk 

cosθ 

= (8) 

10 

1I 

h 

1 

3 

S 

= ∑ P 

3k 

10 i= 

1 

i 

+ 

L 

10 

Un calcul similaire nous permet d'obtenir des équations semblables pour le second 

étage de l'EDORA. 

Avec les mêmes hypothèse que pour le premier étage, nous arrivons à : 

= arctan 

3( P 

− P ) 

2 3 

θ 

2I 

(7') 

2P1 

− P2 

− P3 

(9) 

θ 

2II 

S(2P1 

− P2 

− P3 

) 

− 

3rk 

cosθ 

= (8') 

20 

2I 

h 

2 

3 

S 

= ∑ P 

3k 

20 i= 

1 

i 

+ 

L 

20 

(9') 

Les référentiels choisis nous permettent d'écrire, à partir des équation (7), (8), (9), (7'), 

(8') et (9'), le système suivant pour l'ensemble de l'EDORA [THOMANN 01 (b)] : 

= = θ 

= arctan 

3( P 

− P ) 

2 3 

θ 

I 

θ1I 

2I 

(10) 

2P1 

− P2 

− P3 





θ 

II 

θ 

1II 

+ θ 

2II 

S( 2P1 

− P2 

− P3 

) 

= − 

3rk 

cosθ 

= (11) 

I 

h 

S 

3 

= h1 

+ h2 

= ∑ 

3k 

i= 

1 

avec 

θ 

I 

P 

i 

+ 

L 

0 

: premier angle de rotation, 

θ 

II 

: second angle de rotation, 

S : section utile des soufflets, 

ème 

P 

i 

: pression dans la i chambre déformable, 

L 

0 

: longueur des chambres déformables au repos ( L 

0 

= L10 

+ L20 

), 

k : raideur des chambres déformables ( k = k 10 

2 = k20 

2 ) : deux étages identiques 

montés en série, 

r : rayon du cercle sur lequel les soufflets sont placés, 

h : longueur de l'arc de cercle entre les centres des plates-formes inférieure et 

supérieure. 

(12) 

Les équations 10, 11 et 12 sont donc celles qui définissent statiquement le 

comportement de notre EDORA. Elles sont semblables à celles qu'à obtenu [SUZUMORI 91] 

pour son actionneur fluidique, présenté au chapitre 2, figure 2.17. 

Nous avons vérifié expérimentalement ces équations, en représentant sur la figure 4.3, 

l'angle d'inclinaison θ II 

en fonction de la pression relative dans la première chambre 

déformable (vérification de la relation 11). Comme θ 

II 

≤ 25° 

, nous justifions ici le fait que le 

modèle mathématique posé est valable pour de petits angles de θ 

1II 

et θ 

2II 

. 

angle en ° 

25 

20 

15 

10 

5 

angle θII en fonction de la pression 

théorique 

expérimental 

0 

0,32 0,4 0,48 0,56 0,64 0,72 0,8 0,88 0,96 

pression relative dans la première chambre 

déformable, en bars 

Figure 4.3. 

Représentation 

de l'évolution de 

l'angle θ 

II 

en 

fonction de la 

pression dans la 

première 

chambre 

déformable 

Pour de petits angles, nous avons expérimentalement, beaucoup de bruit de mesure. 

C'est pour cela que nous avons représenté sur la figure 4.3, un angle qui commence à partir de 

7°, pour une pression de 0.34 bar. Nous remarquons que la courbe expérimentale suit 





correctement la droite théorique, avec une erreur maximale de l'ordre de 15 %. Les soufflets ne 

pouvant s'allonger que de 20.4 % (réf. notice constructeur [ACCES]), nous n'avons pas pu 

pousser plus loin l'expérience. 

La figure suivante (figure 4.4) montre l'évolution du paramètre h, lors d'une 

augmentation simultanée et identique des pressions dans les trois chambres déformables 

(vérification de la relation 12). 

longueur h, en mm 

112 

110 

108 

106 

104 

102 

100 

98 

valeur de la distance h en foncion de la pression dans les 

chambres déformables 

théorique 

expérimental 

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 

pression relative dans les trois chambres déformables, en bars 

Figure 4.4. 

Courbe 

représentant 

l'évolution de la 

longueur h en 

fonction de la 

pression dans les 

trois chambres 

déformables 

Sur cette figure sont représentées les valeurs expérimentales de la longueur h, la 

courbe de tendance associée et également l'évolution théorique de h (équation 12). Nous 

remarquons que le décalage entre les droites théorique et expérimentale est compris entre 1 mm 

et 3 mm, ce qui est très convenable. 

Remarque : 

La grandeur h n'entre pas directement en compte dans les 

performances de l'EDORA. Grâce aux variations des pressions dans les 

chambres déformables, nous agissons directement sur les deux angles 

d'orientation de la plate-forme supérieure, mais également sur la raideur de 

l'EDORA. Ainsi, pour un même angle d'inclinaison θ II 

, nous pouvons 

obtenir des raideurs k différentes. Une étude a déjà été effectuée dans 

[PRELLE 97]. 

Nous avons introduit le terme h principalement pour pouvoir établir les équations 

mathématiques représentant le modèle statique. Une vérification de ce terme h renforce encore 

plus la validité du modèle. 





La réalisation de l'expérimentation suivante peut illustrer les équations (10) et (11) et 

en particulier les évolutions des angles θ 

I 

et θ 

II 

[THOMANN 02 (a)]. En mettant sous pression 

uniquement la première chambre déformable (P 1 ), nous obtenons un angle θ 

I 

= 0° 

et 

θ 

II 

= − 2SP 

1 

3rk 

(figure 4.5). Si nous appliquons deux pressions identiques dans les chambres 

1 et 2 (P 1 et P 2 ), nous obtiendrons θ 

I 

= 60° 

(figure 4.6). 

Ainsi, nous pouvons aisément incliner l'EDORA à un angle de flexion θ 

II 

identique 

pour des angles θ différents. 

I 

Figure 4.5. Photo de l'EDORA avec une 

pression dans la première chambre 

déformable 

Figure 4.6. Photo de l'EDORA avec des 

pressions identiques dans les chambres 1 et 

2Etalonnage des capteurs 

Pour pouvoir élaborer le modèle dynamique de notre maquette de faisabilité, comprenant les 

servovalves, les capteurs de pression et les capteurs à effet Hall, nous devons dans un premier 

temps être sûr de leur étalonnage. 

Effectivement, notre but étant de réaliser une EDORA capable d'éviter les parois 

environnantes à l'aide de variations de pression dans trois chambres déformables, nous devons 

prendre en compte dans le modèle [THOMANN 02 (b)] : 

- l'interface électronique, 

- les servovalves, les connexions pneumatiques et les capteurs de pression, 

- la partie mesure de position comprenant les capteurs à effet Hall. 

4.2.1. Capteurs à effet Hall 

un capteur 

à effet Hall 

EDORA 

Comme nous l'avons souligné au chapitre précédent, nous 

utilisons un aimant et trois capteurs à effet Hall positionnés 

sur la couronne entourant la plate-forme supérieure de 

l'EDORA. La vue de dessus est représentée figure 4.7. 

la couronne 

l'aimant 

Figure 4.7. Vue de dessus du montage 





Chaque capteur est donc soumis à l'action du champ magnétique créé par l'aimant. 

Nous allons déterminer expérimentalement la relation liant la tension délivrée par le capteur à la 

distance à l'aimant. 

Remarque : 

Pour l'utilisation que nous envisageons, nous savons que nous 

n'avons pas besoin d'une grande précision, mais nous voulons détecter de 

façon sûre, le fait que l'EDORA se trouve près ou non de la couronne de 50 

mm de diamètre supportant les trois capteurs à effet Hall (figure 3.15 page 

91). 

La figure 4.8 donne la caractéristique expérimentale tension-distance d'un des capteurs. 

Au vu de ce relevé, nous avons choisi un modèle de la forme suivante : 

b 

V a + 

c(d) 

= (13) 

avec 

V : tension de sortie du capteur, 

a et b : constantes, 

c : une fonction de d, 

d : distance capteur-aimant. 

Le théorie indique que le champ magnétique (la tension V est proportionnelle au 

champ magnétique) varie comme l'inverse du carré de la distance. Le polynôme c(d) devrait 

formellement être du second degré. 

Cependant : 

- il a été montré [ANTHIERENS 99] que la différence entre modèle et points 

expérimentaux varie peu suivant le degré de c(d) (1 er ou 2 ème degré), 

- pour notre application, nous ne cherchons pas une grande précision de mesure. 

Nous retenons donc pour c(d) un polynôme du 1 er degré : 

c ( d) 

c d + c 

= (14) 

1 

0 

Nous déduisons des courbes expérimentales les 4 paramètres a, b, c 1 et c 0 pour chacun 

des trois capteurs. L'inverse de la relation (13) nous conduit à : 

d = − 

c + 

(15) 

c c 

1 1 

a 

V − c1 

b b 

0 1 





Cette relation nous permet de proposer les caractéristiques suivantes pour chaque 

capteur (d en mm et V en volt) : 

- pour le premier capteur : 

d 

1 

1 

= 0.1+ 

0.076V 

− 0.39 

- pour le second capteur : 

d 

2 

1 

= 0.72 + 

0.088V 

− 0.46 

- pour le troisième capteur : 

d 

3 

1 

= −0.27 

+ 

0.075V 

− 0.38 

1 

2 

3 

Nous constatons que ces trois équations, bien qu'ayant la même allure, ne sont pas 

semblables. Quand aux valeurs numériques, ceci est dû aux caractéristiques propres de chaque 

capteur à effet Hall. 

Lors d'expériences préliminaires, nous avons mis en évidence une plage d'utilisation du 

capteur entre 2 mm et 25 mm, pour une tension variant de 10 V à 5 V environ. La distance 

minimale de 2 mm nous évite de considérer les problèmes de saturation du capteur à effet Hall. 

Les trois équations ci-dessus sont compatibles avec ces spécifications. 

La figure 4.8 représente la caractéristique tension/déplacement du premier capteur à 

effet Hall, ainsi que son équation théorique. 

relevé 

expérimental 

courbe relative 

à l'équation 

théorique du 

premier 

capteur à effet 

Hall 

Figure 4.8. Courbes expérimentale et calculée du capteur à effet Hall n°1 





La caractéristique est tracée sur une amplitude de mouvement de 35 mm, ce qui 

englobe largement la plage d'utilisation. Sur le graphique, nous remarquons que la précision est 

très bonne pour des distances se situant en dessous de 20 mm. Par contre, pour des distances 

s'éloignant de 20 mm, l'erreur devient de plus en plus importante. 

L'EDORA, munie de l'aimant, a pour objectif de rester hors de contact de la couronne 

supportant les capteurs à effet Hall. Ainsi, en position idéale elle devra rester en son milieu. 

Connaissant les diamètres de cette couronne et de l'aimant (50 mm et 15 mm respectivement), il 

est important pour nous de détecter avec précision, le moment où la distance aimant-capteur 

deviendra inférieure à 17 mm. Nous pouvons alors valider les trois équations trouvées pour les 


Nous constatons, lors de nos expériences, que l'utilisation de l'aimant n'est en fait pas 

si simple : lorsque l'EDORA se courbe, l'orientation de l'aimant change par rapport au capteur à 

effet Hall (il ne reste pas horizontal) et le champ magnétique délivré par l'aimant ne pénètre 

plus perpendiculairement aux capteurs. 

Lors d'expériences en régime permanent, nous avons estimé l'inclinaison maximale de 

notre EDORA à 25°, ce qui engendre une erreur de mesure de 10 % sur la distance aimantcapteur. 

Cette erreur reste acceptable et nous verrons que les conséquences sur les résultats 

expérimentaux seront minimes. 

4.2.2. Capteurs de pression 

Grâce aux trois capteurs de pression, nous pouvons observer, en temps réel, l'évolution des 

pressions dans les chambres déformables. Sur la figure 3.20 donnée au chapitre précédent, nous 

avons représenté les capteurs de pression dans le circuit pneumatique, situés juste après les 

servovalves. La longueur de chaque alimentation pneumatique est de 130 cm, pour rester dans 

des conditions expérimentales similaires aux opérations de coloscopie. 

Les capteurs de pression ont une plage de mesure de 0 à 10 bars, pour une sortie en 

tension de 0 à 100 mV. La relation entre la pression et la tension est linéaire. Ils s'utilisent en 

mesure différentielle. Pour pouvoir correctement visualiser la pression sur notre IHM, nous 

avons dû amplifier 100 fois le signal de sortie des capteurs et, bien entendu, le filtrer. Un filtre 

du premier ordre de 300 Hz est utilisé, le même que pour les capteurs à effet Hall. 

4.3. Modèle dynamique de la maquette de faisabilité 

4.3.1. Introduction 

Vu la symétrie ternaire de l'EDORA, nous pensons effectuer une modélisation suivant un axe, 

pour la généraliser ensuite. Il nous faut donc dans un premier temps justifier l'homogénéité de 

l'EDORA. 





Evidemment, l'objectif futur est de le faire progresser dans un 

intestin. Pour cela, il est indispensable de placer une gaine de protection 

autour de l'EDORA actuel (figure 3.17, page 83). Cet enrobage autour du 

prototype permet également d'avoir un comportement plus homogène de 

l'EDORA et de considérer dorénavant un outil plus adapté aux 

considérations médicales. En figure 4.9 est représenté l'EDORA muni de 

cette gaine : l'EDORA-01. 

Figure 4.9. L'EDORA muni de la gaine en caoutchouc 

L'ajout de cette gaine en caoutchouc a pour conséquence directe 

de modifier le comportement de l'EDORA. Effectivement, nous 

remarquons un amortissement des oscillations en flexion. 

Evaluation de l'amortissement de l'EDORA-01 

capteur à 

effet Hall 

position 

finale de 

l'EDORA 01 

aimant 

fil 

plateau 

supportant les 

capteurs à 

effet Hall 

position 

initiale de 

l'EDORA-01 

Nous allons vérifier expérimentalement la 

modification de l'amortissement due à la gaine 

de caoutchouc. Pour cela, l'EDORA-01 sera 

isolée du reste du montage. L'expérience 

réalisée est la suivante : suivant une direction, 

nous tendons un fil pour fléchir l'EDORA-01 

en position initiale, puis nous le coupons. Elle 

sera en position finale, plus près du capteur à 

effet Hall (figure 4.10). 

Figure 4.10. Schéma représentant les positions initiale et finale de l'EDORA-01 

distance (en mm) 

réponse en distance de l'actionneur 

20 

18 

16 

14 

12 

10 

8 

0,15 0,35 0,55 0,75 0,95 

temps (en sec) 

Nous avons effectué 

ces expériences avec des 

pressions relatives initiales 

de 1 bar dans les trois 

chambres déformables. Cette 

expérience est donc réalisée 

pour l'EDORA avec gaine de 

protection en caoutchouc 

(figure 4.11). 

Figure 4.11. Réponse en distance de l'EDORA avec gaine de protection 





A partir de cette courbe expérimentale, nous pouvons déterminer que la fréquence 

propre est d'environ 62.4 rads.sec -1 et que la valeur de l'amortissement propre est proche de 

ξ = 0.17. 

Evaluation de la raideur en flexion de l'EDORA-01 

Cette gaine de protection apporte également une meilleure homogénéité de l'EDORA. 

Le montage expérimental de l'expérience est montré figure 4.12. Il s'agit de faire pivoter 

manuellement l'EDORA-01 autour de l'axe z à des pas de 10°, et de mesurer la flèche pour des 

poids de 0.3 et 0.6 N. 

rotation autour de z (pas de 10°) 

flèche mesurée 

z 

Figure 4.12. Montage 

expérimental 

F 

EDORA muni de la gaine 

Pour expliquer cette homogénéité, nous avons tracé le graphique figure 4.13. Il 

représente la flèche à l'extrémité de l'EDORA-01 pour une rotation de 360° autour de z. 

flèche (mm) en fonction de l'angle de rotation autour de 

0 

z (°) 

340 15 20 

320 12 

40 

9 

300 

60 

6 

280 

3 

80 

charge de 0,3 N 

0 

charge de 0,6 N 

260 

100 

240 

120 

220 

200 

180 

160 

140 

Figure 4.13. Flèche à l'extrémité de l'EDORA-01 en fonction de l'angle de rotation autour de z 

Nous remarquons sur ce graphique la légère forme triangulaire des tracés. Elle est le 

résultat logique de la symétrie ternaire de la conception. Les variations de flèche étant faibles 

tout au long de la rotation, nous pouvons considérer l'EDORA-01 comme homogène. 





D'autre part, le même montage expérimental nous permet de définir un produit E.I 

d'une poutre équivalente [THOMANN 03 (a)]. La flèche engendrée par l'action d'une force à 

l'extrémité d'une poutre est la suivante : 

3 

FL 

y = 

3EI 

(16) 

F = k' 

y 

et 

F 3EI 

k ' = = 

3 

y L 

(17) 

avec : 

E : Module de Young de l'EDORA-01 (N.mm -2 ), 

I : Moment d'inertie de l'EDORA-01 (mm 4 ), 

y : la flèche à l'extrémité de la poutre (mm), 

F : la force appliquée à l'extrémité de la poutre (N), 

L : la longueur de la poutre (mm), 

k' : raideur de la poutre en flexion (N/mm). 

Nous présentons, figure 4.14, la raideur k' en fonction de l'angle de rotation autour de 

l'axe z de l'EDORA-01. La symétrie ternaire nous permet de ne représenter qu'une rotation 

autour de 120°. 

raideur k', pour une rotation autour de z 

raideur (N/mm) 

0,056 

0,051 

0,046 

0,041 

raideur k' 

Linéaire (raideur k') 

y = 0,0492 

0 20 40 60 80 100 120 

angle de rotation autour de z (deg) 

Figure 4.14. Raideur k' de l'EDORA-01 en fonction de l'angle de rotation autour de z (120°) 

Sur cette figure, nous remarquons une valeur moyenne (pour 120°) de la raideur à 

0.0492 N/mm, avec une erreur maximale de 18 % sur une rotation de 120°. Nous pouvons 

maintenant calculer le produit E.I qui représente le système mécanique. Avec L = 94 mm (les 

trois chambres déformables soumises à la pression atmosphérique), nous avons : 

3 

k' 

L 

E * I = = 13622N. 

mm² 

3 

Lors de l'expérience suivante, nous voulons connaître l'évolution du produit E.I lors de 

changements de pression dans les chambres déformables. Nous mesurons la flèche y à 

l'extrémité de la poutre pour une force F appliquée également à son extrémité. L'équation (17) 

permet ainsi de calculer la raideur k' de l'EDORA-01. Sa longueur L (mesurée) et la raideur k' 





(calculée) nous amènent à la valeur du produit E.I. Pour trois pressions relatives initiales 

différentes, nous obtenons le tableau 4.1 suivant : 

pression 

relative P 

(bars) 

raideur k' 

(N/mm) 

longueur de 

l'EDORA-01 

(mm) 

produit E.I 

(N.mm²) 

0 0.0452 94 12514 

1 0.0393 98 12330 

2 0.0359 103 13076 

3 0.0308 106.5 12402 

Tableau 4.1. Evolution de la raideur k' de l'EDORA-01 en fonction de la pression dans les 

chambres déformables, et pour un angle donné 

Nous obtenons une légère variation des raideurs en flexion pour des pressions relatives 

initiales dans les chambres déformables s'échelonnant de 0 à 3 bars. Cette raideur diminue lors 

d'une augmentation de cette pression initiale. La longueur de l'EDORA-01 évoluant également, 

en fonction de pressions initiales, le facteur E.I reste à peu près constant (6.1 % d'erreur 

maximale). 

L'homogénéité de l'EDORA munie de la gaine de protection en caoutchouc a été 

vérifiée. Nous pouvons maintenant nous concentrer sur la recherche de son modèle dynamique. 

Comme indiqué au début de ce paragraphe, nous allons nous concentrer sur un axe de 

l'EDORA 01 pour établir ce modèle, c'est-à-dire que nous prendrons en compte une servovalve, 

un capteur de pression, un capteur à effet Hall et une chambre déformable. 

Dans notre cas, les variations des volumes dans les chambres déformables, constituées 

par les soufflets, sont faibles (6.35 % max.). Nous faisons donc valablement l'hypothèse 

simplificatrice que ces volumes restent sensiblement constants. Dans ces conditions, les 

expressions des fonctions de transfert d'une servovalve (munie d'un tuyau d'alimentation et d'un 

volume constant) et de la partie mécanique d'une chambre déformable peuvent être exprimées 

séparément : nous nommons respectivement ces parties "pneumatique" et "mécanique". 

4.3.2. Partie pneumatique 

La partie pneumatique est composée de la servovalve (Atchley 200PN Jet Pipe), du tuyau 

d'alimentation et d'un volume constant égal à la valeur moyenne de la chambre. Nous allons ici 

déterminer la fonction de transfert de cet ensemble. Sous l'action de la servovalve, la pression 

dans la chambre déformable est modifiée. Le résultat de cette variation de pression est une 

inclinaison plus ou moins importante de l'EDORA-01. 

La servovalve possède un orifice d'entrée pour deux orifices de sortie. Ainsi, 

l'alimentation en courant de la servovalve provoque une rotation de la buse vers un orifice de 

sortie ou l'autre. Le courant de commande de la servovalve peut varier de –20 mA à 20 mA. En 

ce qui nous concerne, nous avons connecté le tuyau pneumatique au premier orifice de sortie 





C1, ce qui engendre respectivement en sortie, 0 % à 100 % de l'entrée (et respectivement 100 % 

à 0 % en sortie de l'orifice C2). 

La carte de commande dSpace de l'ordinateur délivre des tensions de 0 V à 10 V. C'est 

le Rack d'interface électronique, représenté 7 sur la figure 3.19, qui réalise la conversion 

tension/courant. 

La recherche du modèle dynamique impose un choix de grandeur de sortie pour la 

servovalve. Pour établir les équations mathématiques statiques, nous avons mis en relation les 

pressions relatives, présentes dans les chambres déformables, avec les angles d'inclinaison de 

l'EDORA. Nous choisissons donc d'établir le modèle dynamique de la servovalve en considérant 

également sa pression (à l'orifice C1) comme grandeur de sortie. 

Puisque les caractéristiques courant/pression de la servovalve nous montrent des nonlinéarités 

pour des courants extrêmes, nous allons par la suite nous fixer un point de 

fonctionnement autour duquel nous allons mener nos expériences. Nous fixons ce point 

d'équilibre à 1 bar dans les trois chambres déformables de l'EDORA-01, ce qui lui assure une 

plage d'utilisation suffisante. 

D'après [PRELLE 01(b)], nous pouvons considérer la fonction de transfert P(S)/I(S) 

comme du premier ordre. 

P( 

s) 

k1 

H ( s) 

= = 

I( 

s) 

1+τs 

1 (18) 

où k 1 et τ sont respectivement le gain et la constante de temps du système à identifier. 

Nous allons vérifier la forme générale de cette fonction de transfert et l'identifier, en 

faisant débiter la servovalve dans une chambre à volume constant V 0 , égal à la somme du 

volume moyen de la chambre déformable et du volume du tuyau d'alimentation. 

Nous avons tracé sur la figure 4.15, la réponse en pression, dans le volume V 0 , à un 

échelon de courant d'amplitude 4 mA. 

relevé expérimental 

tracé de la fonction de transfert de la 

partie pneumatique 

Figure 4.15. 

Réponse de la 

partie 

pneumatique à 

un échelon de 

courant 





Le comportement rectiligne de la partie pneumatique (situé entre 0 et 0.15 seconde) 

rappelle la non-linéarité de la servovalve. La méthode des moindres carrés permet d'obtenir la 

fonction de transfert (19). Grâce à cette méthode, nous obtenons des valeurs optimales pour les 

deux paramètres k 1 et τ. Mais dans notre cas, seule la valeur de τ offre un intérêt. La constante 

de temps est τ = 0.15 et pour l'essai réalisé ci-dessus, k 1 = 0.45 bar.mA -1 . Soit la fonction de 

transfert suivante : 

P( 

s) 

0.45 

= = 

I( 

s) 

1+ 

0.15s 

s 

3 

+ 6.7 

(19) 

Un agrandissement sur le début de la courbe du relevé expérimental (0 à 20 ms), 

permet d'observer un retard pur e -Ts dû à la longueur du tuyau pneumatique (figure 4.16) 

La longueur du tuyau étant de 130 cm et la vitesse du son de 340 m.s -1 , le retard pur 

calculé est de T = 3.8 ms. Sur la figure ci-dessous, nous voyons tout à fait l'effet de ce retard sur 

la réponse en pression. 

réponse en pression 

échelon de courant 

Figure 4.16. Réponse de la servovalve à un échelon de courant – agrandissement sur le début 

de la courbe 

La fonction de transfert de la partie pneumatique, comprenant une servovalve la 

longueur d'un tuyau d'alimentation et d'une chambre de volume constant V 0 , a été établie. 

L'impact de la longueur du tuyau (retard pur) est mis en évidence sur la figure ci-dessus. Pour 

compléter notre étude, nous nous intéressons maintenant uniquement à la partie mécanique : 

l'EDORA-01. 





4.3.3. Partie mécanique 

Le modèle dynamique de connaissance de l'EDORA-01 en flexion, soumise à une pression 

interne, est délicat à établir. C'est pourquoi nous proposons de le décrire par un modèle de 

représentation, suffisant pour en réaliser la commande. Des expériences préliminaires nous ont 

permis tout de même de mettre en évidence l'ordre de sa fonction de transfert (équation 20) : 

D( 

s) 

P( 

s) 

= H 

2 

( s) 

= 

s 

2 

2 

k2ω 

n 

+ 2ξω 

s + ω 

n 

2 

n 

Grâce à cela, nous allons pouvoir rechercher le modèle dynamique global de notre 

maquette de faisabilité. 

(20) 

4.3.4. Modèle dynamique 

Les études menées dans les deux paragraphes précédents nous permettent de considérer la forme 

de la fonction de transfert du système global G(s) comme du troisième ordre (équation 21). 

G( 

s) 

D( 

s) 

d 

1 

= = 

3 2 

(21) 

U ( s) 

s + c1s 

+ c2s 

+ c3 

c 1 , c 2 , c 3 et d 1 étant des constantes à identifier. 

Nous avons décidé de définir le système de la façon suivante (figure 4.17) : 

- l'entrée du système est la tension de sortie de la carte dSpace ® , 

- la sortie est la distance de l'aimant au capteur à l'effet Hall. 

Carte 

dSpace ® 

u i 

Amplificateur 

Convertisseur 

i i 

Partie 

pneumatique 

P i 

Chambre 

déformable et 


d i 

Figure 4.17. Blocs diagrammes représentant le système global en boucle ouverte 

- u (V) est la commande en tension de la servovalve (sortie de carte dSpace), 

- i (mA) est la commande de la servovalve, après amplification et conversion par 

l'interface électronique, 

- P (bars) est la pression relative en entrée de la chambre déformable, 

- d (mm) est la distance EDORA-01-capteur suivant la direction concernée. 

Cette chaîne directe correspond donc à la commande suivant une direction de 

l'EDORA-01. L'identification qui va suivre concerne par exemple la seconde direction, c'est-àdire 

la commande de la seconde servovalve, la pression mesurée par le second capteur de 

pression, la déformation de la seconde chambre et la mesure de la distance par le second capteur 

à effet Hall. 





L'expérience consistant à trouver la fonction de transfert G(s) représentant le modèle 

dynamique global est la suivante : initialement, 1 bar de pression relative est appliquée dans les 

trois chambres de l'EDORA-01, c'est le point d'équilibre. Pour identifier le système global 

(amplificateur-convertisseur, servovalve + tuyau d'alimentation, chambre déformable et capteur 

à effet Hall), nous appliquons un échelon de tension d'amplitude 0.5 V en sortie de la carte 

dSpace ® . 

Ici, il est à nouveau important de signaler que le couplage chambre déformable-capteur 

à effet Hall est indispensable pour l'identification. En effet, au vu de la figure 4.17, chaque 

chambre, une fois déformée, doit pouvoir fournir une information de distance. C'est pour cela 

que, lors de la conception des trois plates-formes, nous avons prévu de placer chaque capteur en 

opposition de sa chambre déformable, comme le montre la figure ci-dessous (figure 4.18). Elle 

représente la vue de dessus de la couronne supportant les capteurs à effet Hall, au milieu de 

laquelle se trouve la plate-forme supérieure de l'EDORA-01 supportant elle-même l'aimant. 

Le schéma ci-dessous nous montre que la distance EDORA-01-capteur diminue 

lorsque la pression augmente dans la chambre déformable. Ainsi, la distance diminue lorsque la 

tension de commande augmente. Effectivement, le capteur à effet Hall étant placé en opposition 

par rapport à la chambre déformable, quand celle-ci s'allonge, la distance capteur-aimant 

diminue. 

y 

chambre2 

capteur3 

EDORA-01 


couronne supportant 

les capteurs à effet 

Hall 

capteur1 

x 

chambre1 

Figure 4.18. Vue de 

dessus représentant 

les positions des 

chambres 

déformables par 

rapport aux 

emplacements des 


chambre3 

capteur2 

La réponse en distance à un échelon de tension est tracée figure 4.19. Cet échelon de 

tension est converti en échelon de courant pour commander la servovalve. La position de la 

buse de cette dernière est alors modifiée et la pression dans la chambre déformable augmente. 

C'est ainsi que la distance EDORA-01-capteur diminue (de 10.4 mm à 6.3 mm). 





réponse du système à un échelon de tension 

11,0 

tension (en V) 

2,5 

distance (en mm) 

10,0 

9,0 

8,0 

7,0 

6,0 

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 

temps (en sec) 

2,4 

2,3 

2,2 

2,1 

2,0 

1,9 

1,8 

Figure 4.19. 

Réponse du système 

global à un échelon 

de commande en 

tension 

La réponse temporelle tracée figure 4.19 permet d'atteindre la fonction de transfert du 

système. Pour cela, nous utilisons la méthode de Levenberg-Marquardt (L-M), dont l'algorithme 

a été développé sous Matlab. 

Cet algorithme optimise la méthode des moindres carrés par l'intermédiaire du calcul 

de son Gradient et de son Hessien. Cette méthode de L-M a fait ses preuves et fonctionne 

remarquablement, si bien qu'elle constitue désormais le standard pour résoudre les problèmes 

d'ajustement aux moindres carrés de modèles non-linéaires. 

Pour pouvoir utiliser cette méthode dans les meilleures conditions, les données 

expérimentales ont été modifiées de la façon suivante : à t = 0, la tension est nulle et pour t > 0, 

la courbe est une réponse à un échelon d'amplitude 0.5 V. 

La figure 4.20 représente l'échelon de tension et la réponse en distance, en prenant en 

compte les transformations échelles indiquées ci-dessus. 

réponse en distance 

échelon de tension 

Figure 4.20. Réponse du système total à un échelon de commande en tension, dans des 

conditions optimums d'identification 





En nous basant sur l'étude présentée aux deux paragraphes précédents, il est judicieux 

de choisir un troisième ordre pour identifier la courbe ci-dessus. L'identification par la méthode 

de L-M nous fournit également les valeurs des quatre coefficients d 1 , c 1 , c 2 et c 3 de l'équation 

(21). Ainsi, le modèle global suivant est obtenu [CHEN 03]: 

262850 D( 

s) 

G ( s) 

= 

3 2 

s + 34s 

+ 4950s 

+ 34500 U ( s) 

= (22) 

Le résultat de cette identification est représenté sur la figure 4.21. Compte tenu des 

difficultés à établir ce modèle, le modèle trouvé par identification est très satisfaisant. La 

dynamique de départ (0 à 0.1 ms) est très bien représentée et les erreurs sont minimes tout au 

long de la courbe, pendant 1 seconde. 

modèle 

relevé expérimental : distance (mm) 

échelon de 

tension 

tension (V) 

3 

2 

1 

0 

Figure 4.21. Identification du système total à un échelon de commande en tension 

Cette fonction de transfert peut également s'écrire sous la forme : 

3 

s) 

= ⋅ 

( s + 7.3) ( s 

( 

2 

87617 

+ 26.6s 

+ 4754) 

G (23) 

Le premier terme de cette fonction de transfert représente la partie pneumatique. Nous 

remarquons toutefois une très légère différence dans la valeur de la constante de temps 

τ = 1/7.3 = 0.137 s (relation (19) : τ = 0.15 s, identifiée au paragraphe 4.4.2). Ceci est 

probablement dû aux non-linéarités du système et de la servovalve en particulier. 

Le second terme regroupe la fonction de transfert de la partie mécanique (chambre 

déformable + capteurs à effet Hall) et de la partie amplificateur/convertisseur (figure 4.17). La 

tension délivrée par la carte dSpace ® peut varier de 0 à 10 V et le courant de commande des 

servovalves peut évoluer de 0 à 40 mA. Nous avons donc un facteur 4 (mA/V)entre la tension U 

et le courant i. 





La fonction de transfert G(s) peut donc logiquement s'écrire de la façon suivante : 

3 

s) 

= 4⋅ 

⋅ 

( s + 7.3) ( s 

( 

2 

21904 

+ 26.6s 

+ 4754) 

G (24) 

La fonction de transfert ci-dessus correspond au modèle dynamique global de maquette 

de faisabilité. Il y est mis en évidence les différentes étapes de la chaîne de commande 

correspondant à la figure 4.17. La factorisation de cette fonction de transfert n'a pu être réalisée, 

qu'en faisant l'hypothèse d'une variation de volume faible dans les chambres déformables. 

A partir de cette équation, nous pouvons déduire la pulsation propre de notre EDORA 

01 : ω n = 68.9 rads.sec -1 et l'amortissement : ξ = 0.19. Nous pouvons également trouver la 

constante k 2 = 4.6 mm.bar -1 . 

Ces valeurs sont sans aucun doute liées à la forme exponentielle-sinus, représentée 

figure 4.11 pour l'EDORA-01 en oscillations libres. Sur cette dernière, la pulsation est ω n = 62.4 

rads.sec -1 , l'amortissement propre proche de ξ = 0.17. 

Nous avons trouvé ici, le modèle dynamique de la maquette de faisabilité dans une des 

trois directions commandées. La commande s'effectuant de la même manière dans les trois 

directions, nous admettons le modèle dynamique global de la maquette complètement connu. 

Lors de l'optimisation de la réponse en distance, pour utiliser la méthode de L-M, nous 

avons également décalé la courbe dans le temps du retard correspondant à la longueur du tuyau 

d'alimentation. Nous allons, dans la partie suivante, vérifier le modèle en montrant l'influence 

de ce retard pur. 

4.4. Validation du modèle 

A partir du modèle de représentation trouvé précédemment, nous pouvons tracer le diagramme 

de Bode correspondant, pour pouvoir observer notamment, l'effet du retard de phase induit par 

la longueur du tuyau. 

Nous avons décidé de réaliser les expériences suivantes avec une entrée en courant et 

une sortie en distance. Il faut donc prendre en compte le coefficient 4 (mA/V) du convertisseur 

tension/courant : un échelon d'amplitude de 4 mA correspond à un échelon en tension de 1 V. 

Ainsi, la fonction de transfert, dont nous traçons le diagramme de Bode, est la suivante : 

D( 

s) 

I( 

s) 

= 

s 

3 

+ 34s 

2 

65700 

+ 4950s 

+ 34500 

(avec 65700 ≅ 262850 / 4) (25) 

Le tracé correspondant est donné figure 4.22. Nous y remarquons une faible résonance 

pour une fréquence de coupure proche de la pulsation propre de l'EDORA 01. Le troisième 

ordre se repère plus facilement avec le tracé de la phase qui a pour assymptote –270°. 





Figure 4.22. 

Tracé du 

diagramme 

de Bode de la 

fonction de 

transfert (25) 

Pour vérifier la fonction de transfert trouvée, nous allons comparer le diagramme de 

Bode ci-dessus avec les deux tracés suivants (figure 4.23) : 

- la même fonction de transfert (25) à laquelle nous allons ajouter un retard pur de 

3.8 ms, 

- le tracé point par point des réponses en fréquences du système. 

Ainsi, le premier des deux tracés est le diagramme de Bode de la fonction suivante : 

D( 

s) 

I( 

s) 

= 

s 

3 

−0.0038s 

65700 ⋅e 

2 

+ 34s 

+ 4950s 

+ 34500 

(26) 

Le second tracé est réalisé point par point : nous avons excité l'EDORA-01 par une 

entrée sinusoïdale en courant pour différentes fréquences. L'amplitude du courant est constante 

(4 mA) pour tous les essais. Cette réponse en fréquences du système est représentée par des 

étoiles sur le diagramme suivant. 

Sur le tracé des amplitudes, la concordance est très bonne puisque les points de la 

réponse en fréquence suivent les courbes confondues des équations (25) et(26), ce qui est 

également le cas pour le pic de résonance. 

Sur le tracé de la phase, il est très important de remarquer une allure générale identique 

pour les trois tracés. Cependant, une différence apparaît dans le domaine des hautes fréquences : 





le modèle prenant en compte le retard pur (équation 26), est plus proche des points représentant 

les réponses en fréquence. 

___ 

- - - 

* 

: modèle avec retard : équation (26) 

: modèle : équation (25) 

: réponse en fréquence 

Figure 4.23. Tracé du diagramme de Bode des réponses en fréquences et des équations (25) et 

(26) 

Le graphique ci-dessus valide finalement notre modèle avec retard. Ainsi, en 

considérant comme entrée la tension de sortie U de la carte dSpace ® et comme sortie la 

distance d EDORA-01-capteur à effet Hall, nous pouvons conclure que la fonction de transfert 

(27) régit notre modèle dynamique. 

Cette fonction de transfert prend en compte : 

- la conversion tension/courant de l'interface électronique, 

- l'action de la servovalve, qui engendre une variation de pression dans la chambre 

déformable correspondante, 

- la longueur des tuyaux d'alimentation pneumatique, 

- la chambre déformable de l'EDORA-01 et le capteur à effet Hall correspondant. 





4.5. Conclusion 

Dans un premier temps nous avons calculé, puis vérifié, le modèle mathématique 

statique de l'EDORA. Pour la constitution de la maquette de faisabilité, les capteurs à effet Hall 

ont été étalonnés et les relations inverses ont été établies. 

Les caractéristiques mécaniques de l'EDORA munie de la gaine en caoutchouc ont été 

étudiées. Une fois l'homogénéité de l'EDORA-01 démontrée, sa modélisation dynamique 

globale a été établie dans une des trois directions. Ainsi, nous adopterons donc par la suite, le 

modèle suivant : 

D( 

s) 

U ( s) 

= 

s 

3 

−0.0038s 

262850 ⋅ e 

2 

+ 34s 

+ 4950s 

+ 34500 

(27) 

Cette équation (27) est le modèle dynamique global final de notre maquette de 

faisabilité en boucle ouverte. Il prend notamment en compte le retard pur induit par la longueur 

du tuyau d'alimentation pneumatique. Ce modèle nous permettra d'effectuer des simulations en 

boucle fermée et dans différentes circonstances. 

Le prochain chapitre, est dédié aux résultats expérimentaux effectués à partir de la 

maquette de faisabilité. Les premiers essais serviront à établir la limite de stabilité de l'EDORA- 

01, comparativement à l'étude de la fonction de transfert (27). 

La mobilité en flexion de l'EDORA-01, provoquée par les mouvements aléatoires 

engendrés, validera la conception de la maquette de faisabilité et nous positionnera par rapport 

aux exigences du cahier des charges mis en place dans le premier chapitre. 

Puis, le montage des fibres optiques sur l'EDORA 01 nous permettra de le faire 

progresser dans un tube rectiligne. Nous constaterons que les résultats obtenus sont très 

encourageants ; un prototype plus élaboré est déjà en cours de réalisation. 












Expérimentations et Résultats 

Partie 5 






5 

PARTIE 5 EXPÉRIMENTATIONS ET RÉSULTATS ................................................................................ 130 

5 EXPÉRIMENTATIONS ET RÉSULTATS ........................................................................................................ 132 

5.1. Introduction..................................................................................................................................... 132 

5.2. Réponse à un échelon de position ................................................................................................... 132 

5.3. Réponse de l'EDORA-01 à un mouvement aléatoire....................................................................... 137 

5.4. Adaptation à la progression dans un tuyau : intégration des fibres optiques................................. 141 

5.5. Exploration dans un tuyau .............................................................................................................. 145 

5.6. Conclusion ...................................................................................................................................... 149 





5 Expérimentations et Résultats 


La phase d'essais a été réalisée dans le but de valider la conception et la réalisation décrites 

dans les chapitres précédents. Nous allons pratiquer, dans ce chapitre, des essais en boucle 

fermée de l'EDORA-01, munie de l'aimant et des capteurs à effet Hall. Nous pourrons ainsi 

observer sa réaction à des mouvements aléatoires de la table XY. Les variations de pression 

dans trois chambres déformables et les distances des capteurs à l'aimant seront observées en 

détail. 

Puis nous allons intégrer des fibres optiques à l'EDORA-01. Elle pourra alors évoluer 

dans un tuyau rectiligne et nous pourrons y observer sa trajectoire. 

En dernier lieu, nous allons évoquer l'utilité ou non d'un correcteur pour l'EDORA-01, 

suivant les objectifs cités dans le cahier des charges. 

5.2. Réponse à un échelon de position 

Lors de toutes les expériences de validation à venir, nous allons initialiser l'EDORA-01 avec 

une pression de 1 bar dans chaque chambre déformable. Cette position d'équilibre est choisie 

pour deux raisons : 

- nous nous trouvons dans une zone plus 

linéaire de la caractéristique de 

pression/intensité de la servovalve, 

- nous pouvons, en agissant sur la 

commande d'une servovalve, nous 

rapprocher ou nous éloigner du 

capteur à effet Hall correspondant. 

Pour tester la dynamique de 

l'EDORA-01 en boucle fermée, nous 

allons la faire répondre à un échelon de 

position. En la positionnant initialement à 

la verticale, nous allons lui donner comme 

consigne, un changement de position 

(entre l'aimant et un capteur à effet Hall). 

Elle va donc se rapprocher du capteur à 

effet Hall et une erreur statique va être 

observée. La figure 5.1 représente le 

montage expérimental. 

Figure 5.1. Photo de l'EDORA-01, de l'aimant, des trois capteurs à effet Hall et de la table XY 





Nous avons décidé de réaliser un échelon par exemple suivant la seconde direction 

(second capteur à effet Hall) : la distance initiale est 14 mm, et la consigne finale 6 mm. 

La figure 5.2 représente le bloc diagramme simplifié de la commande en boucle fermée 

de l'EDORA-01, suivant une seule direction. 

Nous y retrouvons la consigne de position d 0 (mm) et le convertisseur numérique G 

(V/mm) réglable, qui nous permet d'agir sur la stabilité du système. 

L'amplificateur/convertisseur C 2 (mA/V), la partie pneumatique, l'EDORA-01 et le 

capteur à effet hall (représenté par C 1 (V/mm)) forment ce que nous avons appelé l'ensemble 

maquette de faisabilité. 

L'ensemble développé sous Matlab/Simulink comprend : 

- le convertisseur inverse 1 C 

1 

(mm/V), 

- la boucle de retour unitaire, 

- le comparateur qui analyse la différence entre cette position courante d 1 et la consigne de 

position d 0 , 

- et le convertisseur numérique G. 

consigne 

d 0 

+ _ 

maquette de faisabilité 


effet Hall 

∆d ∆U ∆i ∆P d 1 

pneumatique 

chambre d 1 V 

G C 

1 

2 C 

déformable 

1 C 

1 

d 1 

PC : Matlab - Simulink 

Figure 5.2. Bloc diagramme de la commande en boucle fermée de l'EDORA-01, suivant une 

seule direction 

Pour compenser la forte non-linéarité du capteur à effet Hall , nous introduisons 

numériquement sous Matlab – Simulink, un inverseur 1 C 

1 

dont les équations ont été trouvées 

au paragraphe 4.3.1. 

En simplifiant le bloc diagramme ci-dessus nous obtenons alors : 

C 1 

consigne 

d 0 

+ _ 

∆d 

G 

∆U ∆i ∆P 

pneumatique 

chambre 

C 2 

déformable 

d 1 

d 1 

Figure 5.3. Bloc diagramme simplifié de la commande en boucle fermée de l'EDORA-01, 

suivant une seule direction 





A partir de la figure ci-dessus et de l'équation (23), nous obtenons une nouvelle 

fonction de transfert représentant la position en fonction de la variation de la tension ∆U : 

D( 

s) 

3 

G s) 

= = ⋅ 

∆U 

( s) 

( s + 7.3) ( s 

( 

2 

87617 

+ 26.6s 

+ 4754) 

La figure 5.4 représente l'échelon d'entrée, ainsi que la réponse de l'EDORA-01. Lors 

de ces essais, nous avons fait varier le gain G de 0.1 à 0.6. Nous observons sur la figure 

suivante, les réponses en distance de notre outil. 

0.1 

0.2 

0.3 

0.4 

0.45 

consigne 

0.6 0.55 

0.5 

Figure 5.4. Echelon et réponses du système en boucle fermée, avec différentes valeurs de gain 

Les réponses observées sur la figure 5.4 étaient attendues. En effet pour des gains 

faibles, de l'ordre de 0.1 à 0.3, nous observons une grande erreur statique, pas beaucoup 

d'oscillations et une bonne stabilité. Pour des gains allant de 0.4 à 0.5, la réponse de l'EDORA- 

01 est oscillatoire, mais reste encore stable. 

Par contre, pour les gains de 0.55 et 0.6, nous observons une oscillation permanente et 

des erreurs statiques plus faibles que précédemment. La limite de stabilité se trouve donc dans 

cette gamme de gain : aux alentours de 0.55. 

Ce graphique confirme également que l'erreur statique est proportionnelle à l'inverse 

du gain. 

Pour vérifier la limite de stabilité pour l'EDORA-01, nous pouvons tracer le lieu des 

racines (figure 5.5) pour l'équation suivante : 

262850 ⋅G 

s) 

= 

( s + 7.3)( s + 26.6s 

+ 4754) 

( 

2 

H bo (28) 





Mais ce tracé du lieu des racines ne tient pas compte du retard engendré par la 

longueur du tuyau d'alimentation pneumatique. Ce retard, dans notre cas où le tuyau mesure 1.3 

m, est de 3.8 ms. 

Nous avons donc représenté également sur la figure 5.5, l'effet du retard pur (fonction 

de transfert 27), sur le tracé du lieu des racines. 

Pour effectuer cette représentation, le logiciel Matlab ne permet pas d'utiliser la 

fonction exponentielle comme facteur multiplicateur de la fonction de transfert. Pour tracer ce 

lieu des racines avec le retard pur, nous avons donc dû utiliser la fonction de transfert suivante, 

qui aboutit finalement à la même représentation : 

e 

−0.0038s 

1 

≈ 

0.0038s 

+ 1 

Ce qui nous amène donc à représenter la fonction de transfert suivante : 

1 

262850 ⋅G 

s) 

= 

⋅ 

0.0038s 

+ 1 ( s + 7.3)( s + 26.6s 

+ 4754) 

( 

2 

H bo (29) 

Nous avons représenté un tracé superposant les équations (28) et(29) pour observer 

l'effet du retard pur sur les courbes de gain. 

fonction de transfert : 

équation (28) 

fonction de transfert avec retard pur : 

équation (29) 

Figure 5.5. Tracé du lieu des racines des deux fonctions de transfert (28) et (29) 

Les deux pôles imaginaires et le pôle réel (équation 28) apparaissent sur le graphique 

ci-dessus. Le second pôle réel, causé par l'ajout de la fonction de transfert dû au retard pur, est 

également représenté. Les départs des trois branches représentent des gains G nuls, dont la 

veleur croît ensuite vers l'infini. 





Il est évidemment important de s'intéresser à la stabilité du système. Pour un tracé du 

lieu des racines, la limite de stabilité correspond au gain pour une partie réelle nulle. Nous 

avons donc effectué un agrandissement de la partie correspondante de la figure 5.5 pour pouvoir 

vérifier cette limite de stabilité (figure 5.6). 

Figure 5.6. Tracé du lieu des racines les deux fonctions de Transfert (28) et (29) : limite de 

stabilité 

Nous remarquons sur la figure ci-dessus, que la limite de stabilité, trouvée à partir du 

tracé du lieu des racines (équations 28 et 29), donne les mêmes résultats que les essais en 

réponse à un échelon : pour un gain de 0.55 environ. En ajoutant un retard pur à la fonction de 

transfert (28), la limite de stabilité a tendance à diminuer légèrement : G = 0.487 contre G = 

0.513 sans le retard pur. Heureusement, la diminution de cette limite de stabilité n'est pas 

importante et nous permet de conserver une bonne dynamique, malgré la longueur du tuyau 

d'alimentation. 

Finalement, la fonction de transfert (29) ajoute un autre pôle au tracé du lieu des 

racines précédent, mais n'influe pas sur la stabilité du système. 

Les prochains essais avec un mouvement aléatoire de la table XY nous permettront 

également d'observer le comportement l'EDORA-01 asservi, mais aussi et surtout sa dynamique. 





5.3. Réponse de l'EDORA-01 à un mouvement aléatoire 

Un mouvement aléatoire de la plate-forme inférieure (table XY) nous permettra d'observer le 

comportement de l'EDORA-01. Ce mouvement sera engendré (manuellement) par l'action en 

translation suivant les deux directions X et Y de la table XY. Il sera donc considéré comme une 

perturbation ajoutée au système décrit et utilisé jusqu'à présent [THOMANN 03 (b)] (figure 

5.7). 

consigne 

d 0 

+ _ 

∆d 

perturbation 

∆U ∆i ∆P 

pneumatique 

chambre 

d 1 

G C 2 

déformable 

d 1 


seule direction, en considérant les perturbations. 

Il semble bon de rappeler la problématique que nous devons résoudre. Nous voulons 

que l'EDORA-01 reste éloignée des bords de la couronne supportant les capteurs à effet Hall et 

simulant une coupe transversale de l'intestin. 

En boucle fermée, nous allons donc donner une consigne telle que l'aimant reste à une 

même distance des trois capteurs ; c'est-à-dire la même consigne dans les trois directions. Le 

diamètre de la couronne mesure 50 mm et l'aimant a un diamètre de 15 mm. Ainsi, pour que les 

distances de la plate-forme supérieure aux trois capteurs à effet Hall soient équidistantes, nous 

allons fournir une consigne de 17 mm. 


effet Hall 

EDORA-01 

17 mm 

50 mm 

La figure ci-contre nous montre les 

conditions initiales et la consigne avant 

l'application d'un mouvement aléatoire de la 

table XY. L'EDORA-01 est initialement 

verticale et au centre du plateau. 

la couronne 

l'aimant 

Figure 5.8. Vue de dessus du montage et 

consigne en position de l'EDORA-01 (17 mm) 

Lorsque nous actionnons manuellement la table XY dans les deux directions 

correspondantes, nous pouvons tracer la figure 5.9. Nous réalisons ce déplacement sans 

asservissement : durant toute la manipulation, l'EDORA-01 reste donc à la verticale. 

Ce relevé a été réalisé pour comparer l'évolution des distances X et Y avec les 

distances 1, 2 et 3 données par les trois capteurs à effet Hall. Nous n'y avons pas représenté les 

pressions correspondantes, puisqu'elles n'évoluent pas, et restent égales à 1 bar. 





Y 

x 

X 

Lorsque le mouvement induit est uniquement suivant la 

direction X (figure ci-contre), et que la position suivant Y est 

constante au milieu de sa plage d'utilisation (Y = 12 mm), alors les 

deux axes x (lié à la plate forme inférieure) et X sont confondus, et 

la distance 1 est image de la distance X. C'est est le cas, pour la 

figure ci-dessous, pour un temps compris entre 0 et 1.4 secondes. 

(a) 

mouvements de la table XY suivant l'axe X et l'axe Y 

distance 2 

(b) 

distance 1 

distance 3 

Figure 5.9. Evolution des distances X, Y (a) et des distances 1, 2 et 3 (b) lors d'un mouvement 

aléatoire de la table XY et sans asservissement 

Nous notons l'amplitude des distances X et Y : de 0 à 24 mm, comme indiqué dans le 

paragraphe 3.3.4. Les amplitudes des distances 1, 2 et 3 varient de 5 mm à 25 mm environ pour 

les trois capteurs, et correspondent à leurs plages d'utilisation (voir paragraphe 4.3.1). C'est 

cette amplitude que nous devons réduire, pour un même mouvement de la table XY, pour éviter 

les contacts entre la plate-forme supérieure de l'EDORA-01 et la couronne supportant les 


Sur la figure 5.11, nous représentons les résultats pour l'EDORA-01 fonctionnant en 

boucle fermée. Nous y avons représenté le déplacement de la table XY uniquement suivant l'axe 





X, l'évolution de la distance 1 et l'évolution des trois pressions dans les chambres déformables. 

L'axe des X (parallèle à l'axe x représenté figure 4.2) correspond au premier capteur à effet Hall 

positionné face à la première chambre déformable. 

distance 1 

(a) 

mouvement de la table XY suivant l'axe X 

pression 1 

pression 3 

pression 2 

(b) 

Figure 5.10. Evolution des distances X et 1 (a) et des pressions (b) lors d'un mouvement 

aléatoire suivant l'axe X de la table XY (Y = constante) 

Dans le cas du système asservi, une évolution quelconque du mouvement suivant l'axe 

X produit une modification de la distance 1. Il est fondamental de noter l'amplitude de cette 

distance. Lorsque l'amplitude du mouvement est de 24 mm pour la table XY suivant l'axe X, la 

distance 1 évolue de 14 mm à 20.5 mm. Il se produit donc une réjection de perturbation : 

effectivement, la distance 1 a une amplitude beaucoup plus faible que la distance X. 

Contrairement à la figure 5.9 où les pressions étaient constantes, nous avons ici un 

changement de la position de la buse dans les trois servovalves, ce qui provoque un changement 

de pression dans les chambres déformables et une inclinaison dynamique de l'EDORA-01. C'est 

cette inclinaison qui produit une diminution de l'amplitude de la distances 1 qui était beaucoup 

plus importante sur la figure 5.9. 

Lorsque nous augmentons manuellement la distance X, nous éloignons dans le même 

temps l'EDORA-01 du premier capteur à effet Hall et la distance 1 a tendance à augmenter, 

provoquant une variation de la commande de la première servovalve, ce qui engendre une 

augmentation de la pression dans la première chambre déformable. Evidemment, les distances 2 





et 3 ne sont pas fixes et les pressions dans ces chambres varient inversement à celle dans la 

première. 

Nous pouvons tracer le même type de courbes pour un mouvement aléatoire de la table 

XY dans le deux directions (figure 5.11). 

distance Y 

(a) 

distance X 

distance 1 

(b) 

distance 2 

distance 3 

pression 1 

pression 2 pression 3 

(c) 

Figure 5.11. Evolution des distances (b) et des pressions (c) lors d'un aléatoire de la table XY 

suivant les deux directions (a) 

Ici, nous remarquons les mêmes évolutions que sur la figure 5.10, mais pour les trois 

distances et les trois pressions. Bien que les commandes soient indépendantes dans les trois 

directions, nous observons des correspondances entre les pressions et les distances suivant les 

différents axes. Ceci était tout à fait prévisible vu que nous ne considérons que trois mesures de 

distances. Il faudra donc établir des combinaisons de pressions pour que l'EDORA-01 se courbe 

dans des directions complémentaires. 

Le graphique ci-dessus apporte d'importantes satisfactions : les amplitudes de 

déplacement de la plate-forme supérieure de l'EDORA-01 (distances 1, 2 et 3) varient de 12 à 

22 mm. La boucle de retour mise en place nous permet d'obtenir des déplacements beaucoup 





moins importants de cette plate-forme, par rapport à la plate forme inférieure : les distances X et 

Y varient de 2 à 25 mm. Cette différence d'amplitude prouve le bon positionnement automatique 

de l'EDORA-01. 

Nous avons ici décidé de mouvoir la base de l'EDORA-01 par rapport aux parois 

alentours. Les résultats attendus sont obtenus : nous arrivons à diminuer par 2, voire par 3, les 

amplitudes de la plate-forme supérieure de l'EDORA-01 par rapport à sa base, et de la maintenir 

à peu près au centre de la couronne. Ceci est un résultat satisfaisant vu que notre outil ne peut se 

courber que d'environ 25° au maximum. 

Les expériences réalisées avec un aimant et des capteurs à effet Hall suivent nos 

attentes. Par contre, pour explorer un conduit, nous ne pouvons en aucun cas utiliser la même 

technique. Il est indispensable d'intégrer des capteurs de distance sans contact sur l'EDORA-01. 

Pour cela, nous avons réfléchi aux techniques des transducteurs à ultrasons mais nous n'avons 

pas retenu cette solution pour les raisons évoquées dans le paragraphe 3.3.3.2. Par contre, les 

fibres optiques peuvent être intégrées à l'DORA-01. Cette étude et les validations 

correspondantes sont exposés dans le paragraphe suivant. 

5.4. Adaptation à la progression dans un tuyau : intégration des fibres 

optiques 

Les fibres optiques que nous allons intégrer à l'EDORA-01 sont celles présentées au paragraphe 

3.3.3.3. Elles ont été prêtées par l'Unité de Recherche en Mécanique du Laboratoire Roberval, 

de l'Université Technologique de Compiègne. 

Les tests effectués à l'UTC sur intestins de porc sont très encourageants. La courbe de 

la figure 5.12 représente la caractéristique en tension par rapport aux distances entre les fibres 

optiques et une paroi intestinale de porc. 

800 

mesure du capteur (en mV) 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

0 2 4 6 8 10 12 14 

Etendue de mesure (en mm) 

Figure 5.12. Figure montrant la réponse du capteur à fibres optiques en fonction de sa distance 

à la paroi de l'intestin (mesures établies à l'UTC par Christine Prelle et Frédéric Lamarque) 





La forme "en cloche" de cette courbe est générale pour tout type de capteurs à fibre 

optique, ou encore à infra-rouge [COIFFET 86]. L'amplitude de la courbe va dépendre 

fortement du coefficient de réflexion de l'objet, c'est-à-dire de son albédo. Ceci entraînera donc 

obligatoirement une calibration du capteur à fibre optique pour tout nouveau type de surface à 

détecter. Cette courbe possède également un maximum pour une distance d'environ 0.5 mm. Il 

est également possible d'avoir, pour un même signal de sortie, deux distances capteur-objet 

différentes. 

Nous expliquerons par la suite pourquoi la forme en cloche, le maximum de 0.5 mm et 

les deux distances possible pour un même signal de sortie, ne nous posent pas de problème par 

rapport à la mesure de distance pour notre maquette de faisabilité. 

Le but étant d'éviter tout contact entre l'EDORA-01 et la paroi du tuyau, la précision 

de mesure de la distance que nous donne le capteur à fibres optique est suffisante. En ce qui 

concerne la partie comprise entre 0.5 mm et 6 mm, nous estimons que la sensibilité donnée par 

le capteur est comprise entre 50 mV/mm et 10 mV/mm (le coefficient directeur de la pente la 

plus faible est à l'abscisse x = 6 mm), ce qui est largement exploitable après amplification par 

l'interface électronique (paragraphes 3.3.6). Pour les distances situées entre 6 mm et à 14 mm, la 

sensibilité diminue par contre jusqu'à 1 mV/mm. A ce stade de la distance, il suffit en fait de 

savoir que nous sommes éloignés de la paroi ; la précision devient dans ce cas secondaire. 

Les trois fibres optiques, sont intégrées à un adaptateur, réalisé dans un cylindre en 

PVC. La partie terminale rigide de chaque fibre mesure 23 mm et a la forme suivante : 

8 mm 15 mm 

Les deux fils apparaissant sur le schéma ci-dessus sont utiles pour : 

- amener la lumière (par la fibre émettrice de lumière), 

- ramener la lumière (par les quatre fibres réceptrices). 

La longueur de ces fils de fibres optiques est de 1.8 m. Nous devons, lors du placement 

des fibres sur la plate-forme supérieure de l'EDORA-01, nous préoccuper de leur rayon de 

courbure. Effectivement, le rayon lumineux qui se propage à l'intérieur de la fibre touche 

parfois le bord lorsqu'il n'est pas parallèle à la fibre ou lorsque celle-ci est incurvée. S'il arrive 

sur le bord avec un angle faible, il se trouve complètement réfléchi vers l'intérieur et il ne se 

produit pas de pertes d'informations. Par contre, avec un grand angle d'incidence, le chemin 

parcouru devient beaucoup plus long et les pertes d'informations peuvent devenir importantes. Il 

est donc indispensable de trouver une pièce qui permette d'intégrer les parties rigides des fibres 

optiques tout en conservant des rayons de courbure élevés. 





Nous avons pour cela placé un adaptateur (photo 

ci-contre) dont le schéma est donné figure 5.14. Il est en 

PVC et est fixé sur la plate-forme supérieure avec la colle 

déjà utilisée pour coller les soufflets (LOCTITE 480). Nous 

avons choisi cette colle pour être sûr de la non-mobilité de 

l'adaptateur, mais également pour pouvoir le démobiliser 

par un simple effort de cisaillement. 

Figure 5.13. Photo de l'adaptateur en PVC placé sur l'EDORA-01 et intégrant les fibres 

optiques 

Figure 5.14. Adaptateur en PVC pour le placement des fibres optiques sur l'EDORA-01 

Les deux diamètres de la partie rigide de la fibre sont de 1.5 mm et de 2.5 mm. Nous 

avons donc taraudé trois trous de 2 mm et 3 mm, avec un angle de 120° entre chaque axe. Le 

diamètre inférieur de l'adaptateur en PVC mesure 15 mm et permet ainsi à la partie souple des 

fibres d'émerger de la plate-forme supérieure ; leurs extrémités rigides sont logées alors dans les 

trous de l'adaptateur. La longueur, du trou taraudé de 3 mm de diamètre, est de 8 mm de long, 

ce qui permet à l'extrémité de la partie rigide de dépasser de l'adaptateur de 3 mm. Cette 

extrémité est donc alignée avec l'ensemble de l'EDORA-01 (26 mm de diamètre). 

En ce qui concerne l'implantation physique des fibres optiques, le boîtier fourni par 

l'UTC comporte la source de lumière froide pour la fibre optique émettrice le filtre passe-bas à 

100 Hz et le convertisseur en tension, proportionnel à la quantité de lumière réfléchie. 

Sur la figure 5.12, nous avons remarqué que nous obtenions un pic de tension pour de 

faibles valeurs de la distance. Notre objectif étant de rester toujours loin de la paroi, nous 

pouvons considérer que cette forme de caractéristique ne nous pose pas de problème, car ce pic 

de tension correspond à une distance inférieure au millimètre, donc non atteignable. 





Nous commençons par repérer la valeur en tension de ce pic, nous amplifions ensuite 

le signal jusqu'à +10V pour obtenir un maximum de précision. Puis les réflexions des fibres 

optiques sur un tuyau simulant les parois intestinales nous permettent de caractériser les fibres 

optiques par les équations suivantes (u en V et d en mm) : 

u 

u 

u 

1 

2 

3 

− 50 

= d + 2 

3 2 

1 

− 54 

= 

2 

1.5d 

+ 2.5 

2 

− 40 

= 

2 

1.6d 

+ 2.4 

3 

Le tuyau mesure 35 mm de diamètre et notre tête de coloscope, 26 mm. Si nous 

estimons rester toujours éloigné de plus de 1 mm de la paroi du tuyau, nous aurons une distance 

maximale de l'ordre de 8 mm entre la tête de l' EDORA-01 et la paroi du tuyau. Les courbes 

caractéristiques de conversion tension distance que nous cherchons, doivent tenir compte de ces 

deux paramètres (figure 5.15). 

(30) 

(31) 

(32) 

* 

___ 

: points expérimentaux 

: modèle 

Figure 5.15. Courbe caractéristique de conversion tension/distance pour la troisième fibre 

optique 

Le modèle obtenue ci-dessus pour la troisième fibre optique est satisfaisante, en 

particulier pour des distances de 1 à 7 mm. 





5.5. Exploration dans un tuyau 

D'après les caractéristiques trouvées dans le paragraphe précédent, nous pouvons 

conclure que les amplifications en tension, sont suffisantes. Nous n'avons pas besoin ici de 

source de tension pour les fibres optiques, comme c'était le cas pour les trois capteurs à effet 

Hall. 

Lors des expériences de validation, nous avons introduit verticalement l'EDORA-01 

dans le tuyau d'essai. Nous l'avons fait progresser sur une longueur de 20 cm. 


plate forme supérieure 

de l'EDORA-01 

d1 

y 

O' 

d3 

d2 

x 

Du fait du faible angle 

d'inclinaison de l'outil dans le tuyau, 

nous avons fait l'approximation suivante : 

la plate-forme supérieure de l'EDORA-01 

reste toujours orthogonale à l'axe du 

tuyau. Nous avons représenté 

schématiquement (figure 5.16) les 

distances des trois fibres optiques d1, d2 

et d3 et la position de la plate-forme 

supérieure de l'EDORA-01 dans le tuyau. 

Figure 5.16. Schéma représentant les distances d1, d2 et d3 des fibres optiques et la position de 

l'EDORA-01 dans le tuyau 

La figure cicontre 

représente les 

distances des trois 

fibres optiques d1, d2 

et d3, par rapport à la 

paroi du tuyau : 

fibre optique 1 


Figure 5.17. Distance 

entre chaque fibre 

optique et la paroi du 

tuyau 






La figure ci-dessus nous apprend que la partie rigide des fibres ne s'approche jamais à 

moins de 1.6 mm de la paroi du tuyau. La réaction de l'EDORA-01 suit donc nos attentes et le 

pic de tension, situé sous le millimètre, n'est jamais atteint. 

Nous pourrions représenter 

y 

l'évolution du centre O', de l'EDORAparoi 

du 

d3 

01, dans le tuyau de 35 mm de 

d 

diamètre (figure 5.18). Cette 

représentation en 3D n'étant pas 

d1 

d4 

exploitable, nous avons représenté la 

O" O' 

x 

projection du point O' (centre de la 

plate forme supérieure 

de l'endoscope 

d2 

plate-forme supérieure) dans un plan 

r r 

( O", 

x, 

y) 

relié à l'axe du tuyau (O" 

étant sur l'axe central). 

Figure 5.18. Position du centre O', de la plate-forme supérieure de l'EDORA-01, dans le tuyau 

La distance O'O" 

n'étant jamais supérieure à 

4 mm, nous avons 

représenté, figure 5.19, la 

position du point O' sur un 

disque de rayon 4 mm. 

y 

x 

Figure 5.19. Position du 

point O' dans le plan 

r r 

( O", 

x, 

y) 

Le centre de l'EDORA-01 ne s'éloigne donc jamais à plus de 4 mm de l'axe central du 

tuyau. Nous pouvons conclure que les bords de l'EDORA-01 resteront, tout au long de sa 

progression, à un minimum de 0.5 mm de cette paroi (le rayon de l'EDORA-01 est de 13 mm et 

le rayon du tuyau de 17.5 mm). 





La figure 5.17 indique un minimum en distance de 1.7 mm entre la paroi du tuyau et 

l'EDORA-01. Sa position sur la figure 5.18 indique qu'il est tout à fait probable qu'elle se trouve 

naturellement plus proche de la paroi (distance d4) que ce qu'annonce les trois fibres optiques. 

Il est évident qu'avec plus de capteurs de positions sans contact, nous serions constamment plus 

loin de la paroi et nous aurions donc plus de stabilité pour notre EDORA-01. Il faudrait par 

contre prendre en compte l'encombrement de ces derniers. 

Finalement, les trois asservissements indépendants suivant les trois directions de 

l'EDORA-01 (26 mm de diamètre), permettent ne jamais s'approcher à moins de 0.5 mm de la 

paroi du tuyau (35 mm). 

La figure ci-dessous représente l'enveloppe des positions extrêmes de la plate-forme 

supérieure de l'EDORA-01 dans le tuyau pour une progression sur 20 cm. Les positions 

représentées ont été déduites de la figure 4.19 et constituent l'enveloppe de ces points, 

extrapolés au diamètre de l'EDORA-01. 

Nous avons également représenté sur cette figure la paroi du tuyau, la position de la 

plate-forme centrée et des trois chambres déformables. 

y 

paroi du tuyau (diamètre 

intérieur 35 mm) 

C 

B 

A 

enveloppe des 

positions extrêmes 

de l'EDORA-01 

dans le tuyau 

x 

EDORA-01 

positionnée au 

milieu du tuyau 

(d iamètre 26 mm) 

10 mm 

10 mm 

Figure 5.20. Positions extrêmes de l'EDORA-01 dans le tuyau, lors d'un déplacement suivant z 

Nous pouvons représenter l'évolution de la position des contours de l'EDORA-01 sur 

toute la longueur du tuyau, ou cours du temps. Les figures 5.21 et 5.22 nous montrent les 

projections de ces positions dans les plans (x, z) et (y, z), liés au tuyau. 





Position de l'EDORA-01 dans le tuyau linéaire (plan (x, z)) : 


13 mm 

13 mm 

Figure 5.21. Position de l'EDORA-01 dans le plan (x, z) 

Position de l'EDORA-01 dans le tuyau linéaire (plan (y, z)) : 

Figure 5.22. Position de l'EDORA-01 dans le plan (y, z) 





Lors de l'insertion du prototype dans le tuyau, la vitesse de progression est d'environ 

5cm.sec -1 , ce qui nous donne une idée de la dynamique du système. Cette vitesse correspond à 

la vitesse maximale d'introduction du coloscope dans le colon. 

Nous avons démontré que la mise en place de l'asservissement de position nous permet 

de faire progresser l'EDORA-01 dans un tuyau de diamètre légèrement supérieur, sans le 

toucher. Les essais préliminaires effectués sur l'outil avec les capteurs à effet Hall ont été utiles 

dans la mesure ou nous avons pu rapidement valider l'approche que nous nous étions fixée. 

Nous avons également pu valider la solution des fibres optiques pour des mesures de 

faibles distances dans de l'air. Il faut noter que les caractéristiques de ces dernières sont propres 

à chaque matériau. Il faudra donc caractériser à nouveau les fibres lors d'une utilisation sur une 

paroi intestinale. 

5.6. Conclusion 

Nous avons, dans ce chapitre, montré que notre conception de la maquette de faisabilité réagit 

correctement à nos attentes. 

Dans un premier temps, nous avons validé notre modèle de fonction de transfert trouvé 

par la méthode de Levenberg-Marquardt. Pour cela, nous avons recherché expérimentalement la 

limite de stabilité en boucle fermée de l'EDORA-01, et nous l'avons comparée à celle 

correspondant au modèle. 

Puis, nous avons confirmé expérimentalement le bon fonctionnement de l'EDORA-01 

muni des capteurs à effet Hall. Nous avons vu que les servovalves réagissent très rapidement à 

un changement de consigne due aux perturbations induites et qu'il ne se produit aucun contacts 

entre l'EDORA-01 et la paroi environnante. 

Nous avons enfin intégré des fibres optiques sur l'EDORA-01, pour pouvoir effectuer 

une inspection intratubulaire, en la poussant manuellement sans que celle-ci ne touche les parois 

du tuyau. Effectivement, nous avons continuellement une distance supérieure à 0.5 mm entre la 

plate-forme supérieure de l'outil et la paroi du tuyau. Ceci est en accord avec notre cahier des 

charges, qui n'imposait aucuns contacts. La plate-forme inférieure de l'EDORA-01 peut toucher 

le tuyau car ces contacts ne sont pas traumatisants lors d'une opération de coloscopie. 

Nous avons vu dans ce chapitre, que le système asservi proposé présente une erreur 

statique, une limite de stabilité, un certain temps de réponse. Nous pouvons nous poser la 

question de l'utilité, ou non, de l'ajout d'un correcteur, dont l’objectif est d’améliorer un ou 

plusieurs de ces différents paramètres sans, bien sûr, le faire au détriment des autres. 

Lors des expériences de réponse à un échelon de position, nous avons observé une 

erreur statique (figure 5.4). Compte tenu de l'utilisation de l'EDORA-01, nous pouvons affirmer 

que l'élimination de cette erreur statique n'est pas primordiale. La suppression du dépassement, 

en revanche, est indispensable. Effectivement, des dépassements sont absolument interdits, car 

l'objectif à terme, est d'éviter les contact avec les parois intestinales. Une réponse rapide est 

également essentielle. 





Un premier correcteur de type PI trouvé avec le critère de Ziegler-Nichols, permet 

d'annuler l'erreur statique, mais impose un dépassement important (20 %) : il n'est donc pas 

satisfaisant. 

Un second, dont les coefficients ont été adaptés par rapport à nos critères, annule le 

dépassement, mais provoque une baisse importante de la vitesse de réaction. Le troisième de 

type PID n'a pas fourni, lui non plus, d'améliorations notables : il permet d'améliorer la vitesse 

de réaction de l'EDORA-01, mais provoque également un dépassement important. 

Ces brefs essais effectués avec correcteurs ont prouvé qu'il était possible d'améliorer 

les temps de réponse de l'EDORA-01, d'annuler l'erreur statique (pas indispensable), mais 

malheureusement, un dépassement est actuellement toujours induit. 

Ces observations nous conduisent à prendre la décision de conserver, pour le moment, 

notre commande de l'EDORA-01, mais justifient un approfondissement dans ce domaine. 








Conclusion et Perspectives : de la Maquette au Prototype 

Conclusion et Perspectives : De la 

Maquette au Prototype 

Le travail présenté dans ce mémoire aborde le thème de la robotique chirurgicale par la 

conception et la réalisation d'une tête de coloscope compatible avec la Chirurgie Minimalement 

Invasive. 

Lors de l'étude préliminaire, nous avons mis en avant les différents moyens de 

détection d'anomalies dans le côlon. Nous avons remarqué qu'un test, commercialisé sous la 

marque Hémoccult II ® , permettait de déceler la présence de sang dans les selles. Economique (il 

ne coûte que 4 €), et sans aucun danger pour le patient, il est utilisé dans le carde d'un dépistage 

de masse chez des patients assymptomatiques et sans risques. Lorsqu'il se révèle positif, le 

diagnostic doit être confirmé par coloscopie, c'est-à-dire par un examen visuel de la paroi 

interne du côlon effectué à l'aide d'un endoscope. Il convient de noter que la coloscopie n'est 

pas une pratique anodine. Elle comporte un risque de perforation intestinale de 1 pour 1000, et 

un risque de mortalité de 1 pour 10 000. 

Ainsi, dans le premier chapitre concernant l'introduction à la coloscopie, nous avons 

mis en avant que, malgré des outils de qualité à la disposition des spécialistes, des problèmes 

persistent. C'est le cas notamment de : 

- l'anesthésie, qui présente des effets secondaires indésirables et qui a un coût non 

négligeable, 

- la douleur (sans anesthésie), ressentie surtout par la formation de boucles qui, en 

grandissant, tirent sur les muscles mésentériques, 

- la perforation, qui reste un risque permanent, 

- la stérilisation, très lourde, surtout en temps, 

- le coût de l'appareillage qui est difficilement réductible ; le coût de 

l'hospitalisation peut être aisément réduit, en grande partie si l'anesthésie est 

diminuée. 

Le cahier des charges du projet, défini en étroite collaboration avec les spécialistes, 

nous a permis de décrire plus précisément les objectifs à réaliser. Les douleurs provoquées sur 

les parois intestinales, les hémorragies et autres perforations étant provoquées par la partie 

distale du coloscope, nous avons voulu concevoir une nouvelle tête flexible pour cet outil de 

diagnostic et de thérapie. 





La progression manuelle de l'outil chirurgical dans l'intestin ne posant pas de 

problèmes, elle a été conservée. Par contre, notre volonté de minimiser les contacts entre cette 

nouvelle tête flexible et les parois intérieures du côlon, nous oriente naturellement vers la 

Chirurgie Minimalement Invasive. 

Notre but a été de concevoir et de réaliser une tête de coloscope intelligente pouvant 

éviter tout contact avec son environnement. Pour cela, son automatisation a pour objectif de se 

recentrer suivant l'axe de l'intestin. Les contraintes fixées sont de conserver une diamètre de 15 

mm maximum, une flexibilité et un déplacement angulaire similaires aux outils actuels, et 

d'assurer une étanchéité parfaite par rapport à l'environnement. 

L'état de l'Art réalisé a permis de nous familiariser avec les techniques d'intervention 

et de progression dans des tubes ou conduits divers. Les recherches effectuées dans le domaine 

de l'endoscopie industrielle nous ont apporté des idées intéressantes pour la progression et 

l'inclinaison d'outil, chacune présentant un compromis sur ses performances d'actionnement, 

satisfaisant donc quelques applications particulières. 

La Robotique Chirurgicale nous a montré que les chirurgiens acceptent de plus en plus 

l'intervention d'outils liés à la robotique lors de leurs interventions. Que ce soit en 

télémanipulation, dans le domaine de la réalité virtuelle, en Chirurgie Assistée par Ordinateur 

ou plus précisément en laparoscopie, des robots ou autres outils robotisés intermédiaires 

assistent les spécialistes. Ainsi la précision du geste chirurgical, ou encore la concentration du 

chirurgien, s'accroît avec l'apparition de nouveaux outils plus performants. 

Le troisième chapitre aborde la conception de l'EDORA. Pour des raisons 

principalement de commodité de tests, de facilité de modification et d'usinage, nous avons 

réalisé une maquette de faisabilité de la tête de coloscope à l'échelle 2. Nous avons choisi de 

concevoir et de fabriquer une EDORA à l'aide de soufflets métalliques standard. 

Notre principale contribution réside dans la conception, la réalisation et les tests 

du comportement autonome de l'EDORA et de l'EDORA-01. De nombreuses difficultés ont 

été rencontrées pour choisir le type de capteurs de distance sans contact. Pour la maquette de 

faisabilité, des capteurs à effet Hall et un aimant permanent ont pu être utilisés. La maquette de 

faisabilité a eu pour but de tester la capacité de l'EDORA-01 à se repositionner 

automatiquement au milieu d'un cercle représentant les parois d'un tube. Une table de 

translation XY a également été installée pour déplacer en translation la plate-forme inférieure 

de l'EDORA01. Ce déplacement a été imaginé pour représenter les mouvements transversaux du 

coloscope dans l'intestin. Ce sont ces mouvements brutaux, combinés parfois à un mauvais 

mouvement de la partie distale du coloscope, qui peuvent endommager les parois intestinales. 

Suite au montage de cette maquette, une modélisation de l'EDORA a pu être effectuée 

en vue de son automatisation. Une fois le modèle mathématique statique trouvé, les premières 

expériences nous ont permis de vérifier la validité du modèle et de poursuivre cette 

modélisation. Suite à l'étalonnage des capteurs à effet Hall et à diverses expériences, visant à 





démontrer l'homogénéité de l'EDORA-01, nous avons déterminé la fonction de transfert globale 

du système comprenant l'EDORA-01, les capteurs et la partie pneumatique. La méthode des 

réponses en fréquence a permis de valider ce modèle. L'influence de la longueur du tuyau 

d'alimentation a été mise en évidence. 

La maquette de faisabilité nous a permis d'observer les réactions de sa plate-forme 

supérieure à des mouvements de perturbation de sa base. Nous avons pu ainsi réaliser une 

commande en boucle fermée de l'EDORA-01. Les capteurs à effet Hall n'étant pas transposable 

pour faire progresser l'outil dans un tuyau, nous avons intégré des fibres optiques à son 

extrémité. A cause de sa limitation en inclinaison, nous l'avons fait évoluer dans un tube 

rectiligne simulant les parois de l'intestin 

Les résultats obtenus sont très satisfaisants car l'EDORA-01 ne vient jamais en contact 

avec les parois du tuyau, tout au long de se progression manuelle. 

Les objectifs posés dans le cahier des charges ont été atteints : la conception de la 

partie distale du coloscope a été repensée de façon à éviter automatiquement les contacts avec 

les parois de l'intestin. Le mode de progression manuel a été conservé ainsi que les techniques 

d'opération pour le chirurgien. Pour ce qui est de la maquette de faisabilité et de l'EDORA-01, 

des matériaux standard peu coûteux ont été utilisés. 

En ce qui concerne les perspectives 

Il nous faudra maintenant concevoir un nouvel outil a priori adaptable à la place de la partie 

distale actuelle du coloscope. Le passage à l'échelle 1 de cette partie distale reste donc à 

accomplir, mais ne devrait pas poser de difficultés majeures si nous conservons le même 

principe d'actionnement. 

Pour permettre une réduction par deux de la taille de l'EDORA-01, nous avons pensé à 

plusieurs possibilités : utiliser à nouveau des soufflets métalliques, de taille réduite ou alors 

reconsidérer une nouvelle structure. 

Etant donné que les performances de la nouvelle version de l'EDORA doivent être 

supérieure aux performances actuelles, une nouvelle structure semble indispensable. 

Effectivement, L'EDORA-01 se courbant au maximum à 25°, le nouveau prototype devra 

permettre une inclinaison beaucoup plus importante. 

Les essais effectués avec la géométrie proposée sont convainquants. Ainsi, la nouvelle 

structure conservera les trois chambres déformables placées à 120° les unes des autres. De plus, 

ayant défini une commande utilisable pour le repositionnement de l'EDORA-01, il est dans 

notre intérêt de l'utiliser sur un nouveau prototype de même géométrie. L'actionneur fluidique 

de [SUZUMORI 91] nous inspire à nouveau dans ce sens. 

Le comportement automatique de l'EDORA-01 étant très satisfaisant, sa structure 

générale a donc été conservée pour créer, par moulage, un nouveau prototype en silicone (figure 

5.23). Cette matière peut posséder différents module d'Young suivant les dosages utilisés. 





Figure 5.23. Photo du nouveau prototype en silicone 

Des contacts industriels nous ont permis d'avoir une idée plus précise du module 

d'Young compatible avec nos attentes. 

Nous avons donc conçu et fabriqué un nouveau prototype expérimental en silicone 

possédant trois chambres déformables cylindriques. Un orifice central cylindrique, permettant le 

passage de tous les câbles d'alimentation et des outils chirurgicaux a également été prévu. Ce 

prototype mesure 15 mm de diamètre pour 80 mm de long. 

Pour le moment, uniquement des essais en boucle ouverte ont été réalisés. Ces essais 

préliminaires nous permettent d'espérer de bons résultats de ce prototype. Effectivement, en 

soumettant une chambre déformable à une pression relative d'un bar, il est possible d'atteindre 

une courbure de près de 170°. De plus, il n'a été observé qu'une faible augmentation de diamètre 

de la section lors de cette courbure. 

Pour pouvoir pousser plus loin de futures expériences, l'intégration de fibres optiques 

de taille réduite est indispensable. Ainsi, l'utilisation de la commande proportionnelle mise en 

place permettra à ce prototype d'évoluer, par poussée manuelle, dans un environnement tortueux 

sans en toucher les parois. 

En parallèle, la recherche de correcteur évolués de type PI, PID ou retour d'état est à 

poursuivre. Un tel correcteur pourra ainsi être mis en place pour une commande, plus en phase 

avec nos attentes, sur un prototype qui sera beaucoup plus proche d'un coloscope traditionnel. 












Bibliographie 

[ABADIE 01] 

ABADIE J.,CHAILLET N.,LEXCELLENT C., A new SMA bending actuator 

controlled by Peltier effect, Proceeding of the 5th Franco-Japanese Congress 

& 3rd European-Asian Congress of MECHATRONICS, Besançon, France, 

2001, 9-11 octobre, pp. 467-472. 

[ACCES] Catalogue SERVOMETER, ACCES, BP 111, F-67028 Strasbourg Cedex 1 

[ACCUSCAN 03] Trégouet, Coloscopie Virtuelle, ARN VIH, Besoins spirituels du moment (en 

ligne). Disponible sur : http://www.00dr.com/article.php3?id_article=846 

Site Web consulté en mars2003 

[AESOP TM ] 

AESOP® Endoscope Positioner, ComputerMotion, Products and solutions (en 

ligne). Disponible sur : http://www.computermotion.com/aesop.html 


[APLLEYARD 01] APLLEYARD Mark, GLUKHOVSKY Arkady, SWAIN Paul, Wireless- 

Capsule Diagnostic Endoscopy for Recurrent Small-Bowel Bleeding, The new 

English Journal of Medicine, January 18, 2001, Vol 344, N° 3. 

[ANAES 01] 

Place de coloscopie virtuelle dans le dépistage du cancer colorectal. Rapport 

de l'ANAES – Janvier 2001 

[ANTHIERENS 99] C. Anthierens, Conception d'un Microrobot à actionneur asservi 

électropneumatiquement pour l'inspection intratubulaire (en ligne). Thèse 

LAI. Lyon : INSA de Lyon, 1999, 145 p. 

http://csidoc.insa-lyon.fr/these/1999/anthierens/index.html 

[ARAMAKI 95] ARAMAKI Shinji, KANEKO Shinji, ARAI Kazuhiko, TAKAHASHI 

Yuichiro, ADACHI Hieduki, YANAGISAWA Kazuhisa, Tube Type Micro 

Manipulator Using Shape Memory Alloy (SMA), 6 th International Symposium 




on Micro Machine and Human Science, Nagoya, October 4-6, 1995, pp. 115- 

120. 

[AROUS 95] 

AROUS M., ANDRE P., Fluidic Micro Actuator Synthesis in Micro Robotics, 

International Symposium on Micro Robots and Systems, Sendaï, Japan, 

September 27-29, 1995, pp. 53-58. 

[BELFORTE 98] BELFORTE Gustavo, DABBENE Fabrizio , GAY Paolo, Optimal Design of a 

Measurement System for the Calibration of Flexible Pneumatic Actuator, 

Proc. Of the IEEE International Conference on Control Application, Trieste, 

September, 1998, pp. 532-536. 

[BELFORTE 01] BELFORTE Gustavo, DABBENE Fabrizio , GAY Paolo, Identification and 

Control of a Nonlinear Deformable Pneumatic Actuator, Proc. ASIAR 01 – 

Second Asian Symp. On Industrial Automation and Robotics, Bangkok, 

Thailand, May 17-18, 2001. 

[BETEMPS 90] BETEMPS Maurice, JUTARD Alain, YE, N., Ationneur asservi par fluide 

sous pression pour petits mouvements, France, Brevet n°90-03359, 1990. 

[BETEMPS 94] BETEMPS Maurice, Use of mechatronic concept for the realisation of a 

feedback control actuator with metal bellows, Some applications, In 

Proceedings of the 2 nd France-Japan Congress on Mechatronics, Takamatsu, 

Japan, November 1-3, 1994, Vol. 2, pp. 701-706. 

[BOURJAULT 02] BOURJAULT Alain, CHAILLET Nicolas, Micro-actionneurs, In : La 

Micro robotique, Traité IC2 – Informatique – Commande – Communication, 

Hermès Science Publication, Paris, Editeur LAVOISIER 2002, 287 p., 24 cm. 

[BURCKHARDT 95] BURCKARDT C., FLURY P., GLAUSER D., Stereotactic Brain Surgery 

– Integrated MINERVA system meets demanding robotic requirements, IEEE 

Engineering in Medicine and Biology Magazine, 1995, May/June, Vol 14, N° 

3, pp. 314-317. 

[CANY-GASCUEL. 98] CANY-GASCUEL M.P., Synthèse d'Images et Applications 

Médicales, Journée de l'axe GMCAO (Gestes Médoco-Chirurgicaux Assistés 

par Ordinateur), Grenoble, 26 mai 1998. 

[CARROZZA 97]CARROZZA Maria Chiarra, GRANIERI G. C., D'ATTANASIO S., 

LAZZARINI R., LENCIONI L., DARIO Paolo, A sensorised Robotic System 

for Computer-Assisted Colonoscopy, IARP, Proceeding of the 2 nd Workshop 




on Medical Robotics, Heidelberg, Germany, November 10-12, 1997, pp. 26- 

33. 

[CHAILLET 99] CHAILLET Nicolas, Contribution à la modélisation, la commande et la 

réalisation de micro-actionneurs et de composants pour la micro-robotique, 

Habilitation à diriger des Recherches, Université de Franche-Comté, 

Laboratoire d'Automatique de Besançon, 1999. 

[CHAILLOU 98] CHAILLOU C., Simulation Pédagogique au Geste Chirurgicaux, Journée de 

l'axe GMCAO (Gestes Médoco-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur), 

Grenoble, 26 mai 1998. 

[CHAPELLE 02] CHAPELLE Frédéric, BIDAUD Philippe, DUMONT Georges, Conception et 

évaluation de micro-endoscopes basés sur les algorithmes évolutionnaires, 

5 èmes Journées du Pôle Micro-Robotique, 1 ères Journées du RTP Micro- 

Robotique, IRISA et ENS Cachan, Antenne de Bretagne, Rennes, 6 et 7 

Novembre, 2002, 6 p. 

[CHEN 03] 

CHEN Gang, THOMANN Guillaume, BETEMPS Maurice, REDARCE 

Tanneguy, Identification of the Flexible Actuator of a Colonoscope, 

IROS2003, Las Vegas, USA, October 27-31, 2003, pp. 3355-3360. 

[CHOI 02] CHOI H. R., RYEW S. M., JUNG K. M., KIM H. M., JEON J. W., NAM J. 

D., MAEDA R., TANIE K., Micro Robot Actuated by Soft Actuators Based 

on Dielectric Elastomer, Proceedings of the IEEE/RSJ, Intl. Conference on 

Intelligent Robots and Systems, EPFL, Lausanne, Switzerland, October, 2002, 

pp. 1730-1735. 

[CLASSEN 02] CLASSEN M., TYTGAT G. N. J., LIGHTDALE C. J., Chapter 12 : 

Colonoscopy : Basic Instrumentation and Technique, In Gastroenterological 

Endoscopy. Georg Thieme Verlag 2002. 

[COIFFET 86] 

[COHN 95] 

COIFFET Philippe, Les capteurs d'informations pour la commande des 

robots. Les capteurs extéroceptifs, Chapitre 5, In : La Robotique, principes et 

applications, HERMES, Paris, Editions Hermès, 1986, pp. 97-114. 

COHN Michael B., CRAWFORD Lara S., WENDLANDT Jeffrey M., 

SASTRY, S. Shankar, Surgical applications of milli-robots. Journal of 

Robotic Systems, 1995, Vol 12, N° 6, pp. 401-416. 




[COUTURIER 97] COUTURIER P., Commande par réseaux de neurones : Application au 

contrôleur d'un préhenseur électro-pneumatique. Thèse LAI. Lyon : INSA de 

Lyon, 1997. 

[DARIO 92] DARIO Paolo, VALLEGGI R., CARROZZA Maria Chiarra, MONTESI M. 

C., COCCO M., Microactoators for Microrobots: A Critical survey, Journal of 

Micromechanics and Microengineering, 1992, Vol 2, pp. 141-157. 

[DARIO 94] 

DARIO Paolo, GUGLIELMELLI Eugenio, ALLOTTA Benedetto, Robotics In 

Medicine, IROS 94, Proceedings of the IEEE/RSJ/GI International 

Conference on Intelligent Robots and Systems. 'Advanced Robotic Systems 

and the Real World', Munich, Germany, 12-16 September, 1994, Vol. 2, pp. 

739-752. 

[DARIO 96] DARIO Paolo, CARROZZA Maria Chiarra, ALLOTTA Benedetto, 

GUGLIELMELLI Eugenio, Mechatronics in Medicine, IEEE/ASME 

Transaction on Mechatronics, 1996, June, Vol. 1, N°2, pp. 137-148. 

[DARIO 97] 

[DARIO 99] 

[DE SARS 02] 

DARIO Paolo, CARROZZA Maria Chiarra, LENCIONI L., MAGNANI B., 

D'ATTANASIO S., A Micro Robotic System for Colonoscopy, ICRA 1997, 

Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and 

Automation, Albuquerque, New Mexico, April, 1997, pp. 1567-1572. 

DARIO Paolo, CARROZZA Maria Chiarra, PIETRABISSA Andrea, 

Development and InVitro Testing of a Miniature Robotic System for 

Computer-Assisted Colonoscopy, Computer Aided Surgery, 1999, Vol 4, pp. 

1-14. 

DE SARS Vincent, SZEWCZYK J. BIDAUD Philippe, Construction d'une 

Micro-Structure Active pour la Chirurgie Mini-Invasive, JJCR15, 15èmes 

Journées des Jeunes Chercheurs en Robotique, Strasbourg, 31 janvier et 1 er 

février, 2002, 6 p. 

[DEPEURSINGE 99] DEPEURSINGE Christian, CONDE Ramiro, COQUOZ Olivier, 

Microendoscopy Report, EPFL, Applied Optics Institute, 1999, 24 p. 

[DOGRAMADZI 98] S. Dogramadzi, C.R. Allen, G.D. Bell, Computer Controlled 

Colonoscopy, IEEE Instrumentation and Measurment Technology 

Conference, St. Paul, Minnesota, May 18-21, 1998, pp. 210-213. 

[EILSEIN 00] EILSTEIN Daniel, HEDELIN Guy, SCHAFFER Paul, Bulletin du Cancer, 7- 

8, Juillet Août 2000, Vol. 87, Numéro double. 




[FERREIRA 02] FERREIRA Antoine, FONTAINE Jean-Guy, Téléopération Modelling based- 

Control of an In-Pipe Miroc-Machine with Pin-type Ultrasonic Actoators,, 

CLAWAR2002, 5 th International Conference on Climbing and Walking 

Robots, Paris, France, Septembre 2002, pp. 651-658. 

[FUKUDA 89] FUKUDA Toshio, HOSOKAI Himedi UEMURA Masahiro, Rubber Gas 

Actuator Driven by Hidrogen Storage Alloy for In-Pipe Inspection Mobile 

Robot with Flexible Structure, Proceeding of the IEEE International 

Conference on Robotics and Automation, Scottsdale, Arizona, Etats-Unis, 

1989, pp. 1847-1852. 

[GAY 02 ] 

GAY G., DELVAUX M., FASSLER I., Entéroscopie et capsule vidéoendoscopique, 

ACTA Endoscopica, 2002, Vol. 32, Supplément 2, N° 3, pp. 

533-540. 

[GUNTHER 99] GUNTHER G., Application of a silicone microvalves to pilot-operation of 

pneumatic valves. ICRAM99, Istanbul, May, 1999, pp. 411-421. 

[GUITTET 88] GUITTET Jack, La robotique médicale, Paris, Editions Hermes, 1988. 

[HAIGRON 98] HAIGRON P. Navigation 3D et Endoscopie Virtuelle, Journée de l'axe 

GMCAO (Gestes Médoco-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur), Grenoble, 

26 mai 1998. 

[HAYASHI 95] HAYASHI Iwao, IWATSUKI Nubuyuki, IWASHINA Shigeru, The Running 

Characteristics of a Screw-Principle Microrobot in a Small Bent Pipe, 6 th 

International Symposium on Micromachine and Human Science, Nagoya, 

1995, pp. 225-228. 

[HERMES TM ] 

HERMES® Control Center, ComputerMotion, Products and solutions (en 

ligne). Disponible sur : http://www.computermotion.com/hermes.html 


[HIRATA 02] 

HIRATA Ryokichi, SAKAKI Taisuke, OKADA Seiichiro, NAKAMOTO 

Zenta, HIRAKI Noriaki, OKAJIMA Yasutomo, UCHIDA Shigeo, TOMITA 

Yutaka, HORIUCHI Toshio, BRMS:Bio-Resposive Motion 

System(Rehabilitation System for Stroke Patients), IROS 2002, IEEE/RSJ 

International Conference on Intelligent Robots and Systems, EPFL, 

Switzerland, September 30 - October 4, 2002, Vol. 2, pp. 1344-1348. 




[HIROSE 86] 

[HOWE 99] 

[IRCAD 03] 

HIROSE S., IKUTA K., TSUKAMOTO M., SATO K., UMETANI Y., Serval 

Considerations on Design of SMA Actuator, Proceeding of the International 

Conference on Martensitic Transformation, The Japan Institute of Metals, 

1986, pp. 1047-1052. 

HOWE Robert D., MATSUOKA Yoky, Clinical Implementation and 

Acceptance Issue, In Robotics for Surgery, Annual Revue Biomedical 

Engineering 1999, Vol. 1, pp. 211-240 

Virtual-surg (en ligne), disponible sur : http://www.virtual-surg.com/ 

Site Web consulté le 26 février 2003 

[IWASHINA 94] IWASHINA Shigeru, HAYASHI Iwao, IWATSUKI Nubuyuki, NAKAMURA 

Katsumi, Development of In-Pipe Operation Microrobots, 5 th International 

Symposium on Micromachine and Human Science, Nagoya, 1994, pp. 41-45. 

[JOLI 02] 

[KIM 02 (1)] 

[KIM 02 (2)] 

[KHAN 96] 

[LAFON 99] 

JOLI P., FRANCOIS Ch., GAGARINA T., BOUDGHENE F. , Modeling and 

process Design of a new type of catheter for special endovascular treatments 

of abdominal aortic aneurysms, CARS2002, Paris, France, 26-29 juin, 2002, 

pp. 849-854. 

KIM Byungkyu, JEONG Younkoo, LIM Hun-Young, KIIM Tae Song, PARK 

Jong-Oh, DARIO Paolo, MENCIASSI Arianna, CHOI Hyoukryeol, Smart 

Colonoscope System, IROS 2002, Proceeding of the IEEE/RSJ International 

Conference on Intelligent Robots and Systems, EPFL, Switzerland, September 

30 - October 4, 2002, Vol. 2, pp. 1379-1384. 

KIM Byungkyu, LIM Hun-Young, KIM Kyoung-Dae, JEONG Younkoo, 

PARK Jong-Oh, A Locomotiive Mechanism for a Robotic Colonoscope, 

IROS 2002, Proceeding of the IEEE/RSJ International Conference on 

Intelligent Robots and Systems, EPFL, Switzerland, September 30 - October 

4, 2002, Vol. 2, pp. 1373-1378. 

KHAN Gul N., GILLIES Duncan F., Vision based navigation system for an 

endoscope, IMAVIS, Image and Vision Computing, 1996, Vol. 14, pp. 763- 

772. 

LAFON Cyril, PRAt Frédéric, AREFIEV Alexis, THEILLERE Yves, 

Ultrasound Intestinal Applicator for Digestive Endoscopy In Vivo Destruction 

of Bilary Tissus, 1999IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 1447-1450. 




[LAGARRIGUE 01] LAGARRIGUE J.P., Compte rendu de la troisième journée de réflexion 

sur l'Endoscopie Digestive Française, organisée par la SFED le 27 janvier 

2001 (en ligne), disponible sur 

http://www.sfed.org/pdf/Journee_Reflexion_Endo_2001.pdf, 4p. 

[LAUGIER 98] 

[LEWIS 02] 

LAUGIER C., Simulation Dynamique avec Application au Geste, Journée de 

l'axe GMCAO (Gestes Médoco-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur), 

Grenoble, 26 mai 1998. 

LEWIS B. S., Enteroscopy : Endangered by the Capsule? Endoscopy, May 

2002, Vol. 34, N° 5, pp. 355-434. 

[LIBERSA 98] LIBERSA Christine, ARSICAULT Marc, LALLEMAND Jean-Paul, 

ZEGHLOUL Saïd, Design Study and Development of a two Stable 

Equilibrium States SMA-Actuated Deformable Structure. A Microrobotics 

Exemple of Application. Proceeding of the 4 th Japan-France Congress and 2 nd 

Asia-Europe Congress on Mechatronics, Kitakyushu, Fukuoda, Japan, 

October 6-8, 1998, Vol. 1, pp. 278-283. 

[LIM 96] 

[LIN 97] 

[MAEDA 96] 

LIM Geunbae, MINAMI Kazuyuki, YAMAMOTO Keisuke, SUGIHARA 

Masahisa, UCHIYAMA Masaru, ESASHI Masayoshi, Multi-Link active 

Catheter snake-like motion. Robotica, 1996, Vol 1, pp. 499-506. 

LIN Liangming, GAO Liming, YAN Guozheng, RONG Rong, A study on the 

Endoscope, System Driven by Squirmy Robot, In Proceeding of the 1997 

IEEE International Conference on Intelligent Processing Systems, Beijing, 

China, October 28-31, 1997, pp. 75-81. 

MAEDA Shiego, ABE Kasuhiro, YAMAMOTO Keisuke, TOHYAMA 

Osamu, ITO Hirotaka, Active Endoscope With SMA (Shape Memory Alloy) 

Coil Springs, MEMS '96, In Proceedings of the IEEE 9 th Annual 

International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, Feb 11-15 

1996, pp. 290 –295. 

[MARESCAUX 02] Guide CATEL de la Télémédecine, mars 2002 (en ligne), disponible sur : 

http://www.telemedecine.org/data/01-1pr_marescaux.htm 

Site Web consulté en mars 2003 

[MENCIASSI 02] A. Menciassi, Jong H. Park, S. Lee, S. Gorini, P. Dario, Jong-Oh Park, 

Robotic Solutions and Mechanisms for a Semi-Autonomous Endoscope. 

IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 




2002, EPFL, Switzerland, September 30 - October 4, 2002, Vol. 2, pp. 1379- 

1384. 

[MINETA 01] 

[MOSSE 98] 

[NAGAI 02] 

MINETA, T. MITSUI T., WATANABE S., KOBAYASHI S., HAGA Y., 

ESASHI M., Batch fabricated flat meandering shape memory alloy actuator 

for active catheter, In Journal of Sensors and Actuators A: Physical, Vol./Iss. 

: 88 /2, pp.112-120 

MOSSE C. A., MILLS T. N., BELL G. D., SWAIN C. P., Device for 

Measuring the Forces exerted on the shaft of an endoscope during 

colonoscopy, Medical & Biological Engineering & Computing, 1998, Vol. 36, 

pp. 186-191. 

NAGAI Kiyoshi, HANAFUSA Hideo, TAKAHASHI Yoko, BUNKI Hitomi, 

NAKANISHI Isao, YOSHINAGA Takuma, EHARA Toshiya, Development 

of a Power Assistive Device for Self-Supported Transfer Motion, IROS 2002, 

IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, EPFL, 

Switzerland, September 30 - October 4, 2002, Vol. 2, pp. 1433-1438. 

[NOBUMOTO 96] NOBUMOTO Yasukazu, TANAKA Hirohisa, Enhanced FMA Legs 

Quadruped Walking, International Symposium on Fluid Power, JHPS, 

Proceedings of the 3 rd Jappan Hydrolics and Pneumatics Society, Yokohama, 

1996, pp. 115-120. 

[PARK 99] 

[PHEE 97] 

[PHEE 98] 

PARK Ki-Tae, ESASHI Masayoshi, A multilink Active Catheter with 

Polyimide Based Integrated CMOS Interface Circuit, Journal of 

MicroElectroMechanical Systems, December 1999, Vol 4, N°8, pp. 349-357. 

PHEE S. J., NG W. S., CHEN I.-M., SEOW-CHOEN F., DAVIES B.L., 

Locomotion and Steering Aspects in Automation of Colonoscopy, Part One: 

A Literature Review, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 

November/December, 1997, USA, Vol. 16, N° 6, pp. 85-96. 

PHEE S. J., NG W. S., CHEN I.-M., SEOW-CHOEN F., DAVIES B.L., 

Automation of Colonoscopy, Part Two: Visual Control Aspects, IEEE 

Engineering in Medicine and Biology Magazine, 1998, Vol. 17, N° 3, pp. 81- 

88. 

[PHEE 01] PHEE L., ARENA, A., GORINI S., MENCIASSI Adrianna, DARIO Paolo , 

JEONG Y. K., PARK J. O., Development of microrobotic devices for 

locomotion in the Human Gastrointestinal Tract, CIRA 2001, Proceeding of 




the International Conference on Computationale Intelligence, Robotics and 

Autonomus Systems, Singapore, November 28-30, 2001, 6p. 

[PIENK 01] 

[PEIRS 97] 

[PEIRS 00] 

[PEIRS 01] 

[PRELLE 96] 

[PRELLE 97] 

P. PIENKOWSKI et la Commission Cancérologie du CREGG, Montauban, 

France, Enquête sur les réseaux de cancers et la pratique de la cancérologie 

par les gastro-entérologues en France, Acta Endoscopia, 2001, Vol. 31, n°3. 

PEIRS Jan, REYNAERTS Dominiek, VAN BRUSSEL Hendrik, Shape 

Memory Micro-Mechanisms for Medical Applications, ICAR'97, Proceeding 

of the 8th International Conference on Advanced Robotics, Monterey, CA, 

USA, July 7-9, 1997, pp. 155-160. 

PEIRS Jan, REYNAERTS Dominiek, VAN BRUSSEL Hendrik, A miniature 

manipulator for integration in a self-propelling endoscope, Eurosensors XIV, 

Proceeding of the 14 th European Conference on Solid-State Transducers, 

Copenhague, Denmark, August 27-30, 2000, pp. 309-312. 

PEIRS Jan, REYNAERTS Dominiek, VAN BRUSSEL Hendrik, A miniature 

manipulator for integration in a self-propelling endoscope, Sensors and 

Actuators, A: Physical, 2996 (2001), pp. 1-8. 

PRELLE Christine, BETEMPS Maurice, Compliance Control of a pneumatic 

actuator using a state feedback law. Application to a Delta Robot, In 

Proceedings of the 3 rd France-Japan Congress and 1 st Europe-Asia Congress 

on Mechatronics, Besançon, France, October 1-3, 1996, Vol 2, pp. 471-474. 

PRELLE Christine, Contribution au contrôle de la compliance d'un bras de 

robot à actionnement électropneumatique. (en ligne). Thèse LAI. Lyon : 

INSA de Lyon, 1999, 122 p. 

http://csidoc.insa-lyon.fr/these/1997/prelle/index.html 

[PRELLE 01(a)] PRELLE Christine, LAMARQUE Frédéric, MAZERAN Pierre-Emanuel, 

Miniature high resolution position sensor for long stroke measurement, 5th 

Franco-Japanese congress, 3rd European-Asian congress of Mechatronics, 

Besançon, France, 9-11 Octobre 2001, pp 443-446. 

[PRELLE 01(b)] PRELLE Christine, JUTARD Alain, BETEMPS Maurice, Compliance 

adjustment of a metal bellows actuator by control law parameters, Journal of 

Mechatronics, 2001, Vol 11, pp. 631-647. 




[REMBOLD 01] REMBOLD Ulrich, BURGHART Catherina R., Surgical Robotics, An 

Introduction, Journal of Intelligent and Robotic System, January, 2001, Vol. 

30, N° 1, pp. 1-28. 

[ROVETTA 97] ROVETTA Alberto, WEN Xia, Prototype of a new Télé-Robotic Endoscope, 

IARP, Proceeding of the 2 nd Workshop on Medical Robotics, Heidelberg, 

Germany, November 10-12, 1997, pp. 37-46. 

[SCHULLMANN 02] SCHULLMANN Karsten, REISER Markus, SCHMIEGEL Wolff, 

Côlonic Cancer and Polyps, Best Practice & Research Clinical 

Gastroenterology, 2002, Vol. 16, N° 1, pp. 91-114. 

[SCHURR 98 (1)] SCHURR Marc Olivier, KUNERT W., NECK J., VOGES Udo, BUESS 

Gerhard, Telematics and telemanipulation in surgery, Minimaly Invasive 

Therapy And Allied Technologies, 1998, July, Vol. 2, pp. 97-103. 

[SCHURR 98 (2)] SCHURR Marc Olivier, , BUESS Gerhard, NEISIUS B., VOGES Udo, 

Robotics and Allied Technologies in Endoscopic Surgery Surgical 

Technology, International VII, 1998, pp. 83-88 

[SFED 00 (1)] 

2 jours d’endoscopie digestive en France, Enquête 2000, Société Française 

d'Endoscopie Digestive – SFED – (en ligne) Disponible sur : 

http://www.sfed.org/pratiquepro/2jendoscopie2001.htm 

Site Web consulté en décembre 2002 

[SFED 00 (2)] 

Rapport d'Evaluation Technologique sur la Coloscopie Virtuelle de la Société 

Française d'Endoscopie Digestive, Janvier 2000 – SFED – (en ligne) 

Disponible sur : http://www.sfed.org/pdf/Coloscopie_virtuelle.pdf 


[SFED 00 (3)] 

Recommandations pratiques pour la mise en place de procédures pour le 

nettoyage et la désinfection en Endoscopie Digestive, 2000 – SFED (en 

ligne), Disponible sur : http://www.sfed.org/pdf/Nettoyage_desinfection.pdf 


[SLATKIN 95] 

SLATKIN A. B., BURDICK J.W., GRUNDFEST W.S., The Development of 

a Robotic Endoscope, Proceeding of the International Conference on 

Intelligent Robots and Systems, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, August 05- 

09, 1995, Vol. 2, pp. 2162-2171. 




[SNFGE] Société Nationale Française de Gastro-Entérologie 

http://www.snfge.asso.fr/lavieprofessionnelle/livre-blanc/chapitre-3/3- 

3/chapitre3-3-1-b-Plateau_technique_avenir_endoscopie.htm 


[SORID 00] 

SORID Daniel, MOORE Samuel K., The Virtual Surgeon, IEEE Spectrum, 

July 2000. 

[SUZUMORI 91] SUZUMORI Koichi, IIKURA Shoichi, TANAKA Hirohisa, Development of 

Flexible Microactuator and its Applications ti Robotics Mechanisms, 

Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and 

Automation, Sacramento, California, April 1991, pp.1622-1627. 

[SUZUMORI 92]SUZUMORI Koichi, IIKURA Shoichi, TANAKA Hirohisa, Applying a 

Flexible Microactuator to Robotic Mechanisms, 1992 IEEE Control Systems, 

February 1992, pp. 21-27. 

[SUZUMORI 94]SUZUMORI Koichi, KOGA Akihiro, HANEDA Riyiko, Micro fabrication of 

Integrated FMA using Stereolothography, MEMS '94, Proceedings of the 

1994 IEEE Micro Electro Mechanical System, Oiso, Japan, January 1994, 

pp.136-141. 

[SUZUMORI 96] SUZUMORI Koichi, KOGA Akihiro, KONDO Fumika, HANEDA Riyoko, 

Integrated flexible microactuator system, Robotica, 1996, Vol. 14, pp. 493- 

498. 

[TAKAYUKI 96] TAKAYUKI Tominaga, KOUJI Senda, NOBUYUKI Ohya, TAKAHARU 

Idogaki, TADASHI Hattori, A bending and expanding moion actuator, 

Robotica, 1996, Vol. 14, pp. 483-486. 

[TANAKA 92] 

TANAKA Hirohisa, YOKOI Hide-aki, Quadrupped Trotting Animation by 

Flexible Microactuators, IFToMM, International Symposium Theory of 

Machines and Mechanisms, Nagoya, Japan, September 24-26, 1992, pp. 277- 

281. 

[TANIGUSHI 96] TANIGUSHI Hisashi, TANAKA Hirohisha, Applying Flexible- 

Microactuator to Multi-Fingered Robot-Hand, Fluid Power, 3 rd JHPS 

International Symposium, 1996, pp. 427-430. 

[TENDICK 98] TENDICK Franck, SASTRY Shankar S., FEARING Ronald S., COHN 

Michael, Application of Mechatronics in Minimaly Invasive Surgery, 




IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, Mars, 1998, Vol. 3, N°1, pp. 34- 

42. 

[THOMANN 01 (a)] THOMANN Guillaume, NIELSEN Morten Bo, NZIHOU Niémet, 

REDARCE Tanneguy, Etude d'un Endoscope Intelligent, Quatrièmes Journées 

du Pôle de Microrobotique, INSA de Lyon, Lyon, France, 4 et 5 juillet 2001, 

6p. 

[THOMANN 01 (b)] THOMANN Guillaume, NIELSEN Morten Bo, BETEMPS Maurice, 

REDARCE Tanneguy, The design of a colonoscope, 5th Franco-Japanese 

congress, 3rd European-Asian congress of Mechatronics, Besançon, France, 

9-11 Octobre 2001, pp. 423-427. 

[THOMANN 02 (a)] THOMANN Guillaume, BÉTEMPS MAURICE, REDARCE 

TANNEGUY, BLASI Oriol, The Design of an Intelligent Surgical Tool for 

the Intestinal Inspection, 11 th International Workshop on Robot and Human 

Interactive Communication, IEEE-ROMAN 2002, Berlin, Germany, 

September 25-27, 2002, pp. 448-453. 

[THOMANN 02 (b)] THOMANN Guillaume, BETEMPS Maurice, REDARCE Tanneguy, The 

Design of a new Type of Micro Robot for the Intestinal Inspection, IEEE/RSJ 

International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2002, 

EPFL, Switzerland, September 30 - October 4, 2002, Vol. 2, pp. 1385-1390. 

[THOMANN 03 (a)] THOMANN Guillaume, REDARCE Tanneguy, BETEMPS Maurice, A 

New Mechanism for the Orientation of the Tip of the Endoscope for the 

Intestinale Inspection, The International Federation for The Promotion of 

Mechanism and Machine Science, IFToMM 2003, Tianjin, China, August 

18~21, 2003, 5p. 

[THOMANN 03 (b)] G THOMANN Guillaume, BETEMPS Maurice, REDARCE Tanneguy, 

The Development of a Bendable Colonoscopic Tip, IEEE International 

Conference on Robotic and Automation, ICRA 2003, Taipei, Taiwan, 

Septembre 14-19, 2003, pp. 658-663. 

[TONDU 99] 

[TOSHIBA 97] 

TONDU B., Static and Dynamic modeling of the McKibben artificial muscle, 

ICRAM99, Isanbul, May, 1999, pp. 444-458. 

T. YAMANAKA/AFP, Mini-robot passe partout, Sciences et Avenir, avril 

1997, p. 24 




[TOUAIBIA 98] TOUAIBIA Mohamed, CHAILLET Nicolas, BOURJAULT Alain, In-Pipe 

Microrobot System Based on Shape Memory Actuators, Proceeding of the 4 th 

Japan-France Congress and 2 nd Asia-Europe Congress on Mechatronics, 

Kitakyushu, Fukuoda, Japan, October 6-8, 1998, Vol. 1, pp. 272-277. 

[WAYE 02] WAYE J.-D., The Best Way to Painless Côlonoscopy, Endoscopy, June, 2002, 

Vol. 34, pp. 489-491. 

[WEBER 02] 

WEBER A., BREITWIESER H., BENNER J., A flexible Architecture for 

Telemanipulator Control, Control Engineering and Practice, November, 2002, 

Vol. 10, N°11, pp. 1293-1299. 

[YOSHIDA 96] YOSHIDA Katzuhiro, MAWATARI Hideki, YOKOTA Shinichi, An In-pipe 

Mobile Micromachine Using Fluid Power Traversable Branched Pipe, 3 rd 

JHPS, Fluid Power, Yokohama, 1996, pp. 229-234. 

[ZEUS TM ] 

ZEUS® Surgical System, ComputerMotion, Products and solutions (en ligne). 

Disponible sur : http://www.computermotion.com/zeus.html 

Site Web consulté en mars 2003 

[ZHANG 02] ZHANG S. H., WANG D. X., ZHANG Y. R., WANG Y. H., WANG Y. 

G., MA X. P., The Human-machine Interface Implementation for the Robotassisted 

Endoscopic Surgery System, IEEE-ROMAN 2002, In Proceeding of 

the 11 th International Workshop on Robot and Human Interactive 

Communication, Berlin, Germany, September 25-27, 2002, pp. 442-447. 

[ZIEGLER-NICHOLS] FRANKLIN Gene F., POWELL J. David, EMAMI-NAENI Albas, 

Chapter 4 : Basic Properties of Feedback, In Feedback Control of Dynamic 

Systems, Inc, Third Edition, Reading, Mass. : Addision Wesley, 1994, 778 p. 




Bibliographie Personnelle 

Publications soumises à des revues internationales 

Guillaume Thomann, Tanneguy Redarce, Maurice Bétemps, Gang Chen, The Development of a 

Bendable Colonoscopic Tip, In IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, in submission 

Communications dans des congrès internationaux avec actes 

G. Thomann, M. Bo Nielsen, M. Bétemps, T. Redarce, The design of a colonoscope, 5 th Franco- 

Japanese congress, 3 rd European-Asian congress of Mechatronics, 9-11 octobre 2001, Besançon, 

France, pp. 423-427. 

G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, O. Blasi, The Design of an Intelligent Surgical Tool for the 

Intestinal Inspection, 11 th International Workshop on Robot and Human Interactive Communication, 

IEEE-ROMAN 2002, September 25-27, 2002, Berlin, Germany, pp. 448-453. 

G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, The Design of a new Type of Micro Robot for the Intestinal 

Inspection, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2002, 

September 30 - October 4, 2002, EPFL, Switzerland, Vol. 2, pp. 1385-1390. 

G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, A New Intelligent Tool for the Colonoscopy and Compatible 

with MIS, 24th Annual International Conference of the IEEE-EMBS and Annual Fall Meeting of the 

BMES, 23-26 octobre 2002, Westin Galleria Hotel, Houston Texas, USA, pp. 2362-2363. 

G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, Study of a new Intelligent Tool for the Colonoscopy, 27th 

Annual Canadian Medical and Biological Engineering Conference, CMBEC 27, November 21-23, 

2002, Delta Hotel, Ottawa, Ontario, 4p. 

G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, The Development of a Bendable Colonoscopic Tip, IEEE 

International Conference on Robotic and Automation, ICRA 2003, September 14-19, 2003, Taipei, 

Taiwan, pp. 658-663. 

Guillaume Thomann, Tanneguy Redarce, Maurice Bétemps, A New Mechanism for the 

Orientation of the Tip of the Endoscope for the Intestinale Inspection, the International Federation for 

the Promotion of Mechanism and Machine Science, IFToMM 2003, April 1-4, 2003, Tianjin, China, 

5p. 

G. Chen, G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, Identification of the Flexible Actuator of a 

Colonoscope, IROS2003, Bally's Las Vegas Hotel Las Vegas, USA, 2003, October 27-31. 




En soumission dans des congrès internationaux avec actes 

Guillaume Thomann, Tanneguy Redarce, Christine Prelle, Frédéric Lamarque, Gang Chen, An 

Instrumented Colonoscopic Tip for Intestinal Inspection, 2004 IEEE Instrumentation and 

Measurement Technology Conference, IMTC2004, , May 18-20 2004, Grand Hotel Di Como, Lake 

Come, Italie. 

Communications nationales 

G. Thomann, M. Bo Nielsen, N. Nzihou, T. Redarce, Etude d'un Endoscope Intelligent, 4 ème 

Journées du Pôle de Micro Robotique, INSA de Lyon, 4-5 juillet 2001, Lyon, France, 6p. 

G. Thomann, M. Bétemps, P. Pinsard, T. Redarce, Conception d’un nouveau type d’endoscope 

intelligent compatible avec la MIS, 15 èmes journées des jeunes chercheurs en Robotique, JJCR'15, 

LSIIT Strasbourg, 31 Janvier, 1 er février 2002, Strasbourg, France, 8p. 

Guillaume Thomann, Tanneguy Redarce, Maurice Bétemps, Conception et réalisation d'un Micro 

Robot pour la Coloscopie, 5 ème journées du Pôle de Micro Robotique, 1ères Journées du RTP 

Microrobotique, IRISA et ENS Cachan, Antenne de Bretagne, 6 et 7 novembre 2002, Rennes, France, 

7p. 

G. Thomann, M. Bétemps, T. Redarce, Réalisation d'une tête d'Endoscope pour l'inspection 

Intestinale, 17èmes journées des jeunes chercheurs en Robotique, JJCR'17, Laboratoire de Robotique 

de Versailles, 3 et 4 avril 2003, Versailles, France, pp.121-127. 

Autres communications 

Guillaume Thomann, Conception et réalisation d'un endoscope intelligent - Poster, Doctoriales 

2002, 24-29 mars 2002, Sévrier, Rhône-Alpes, France. 

Guillaume Thomann, Conception d’un nouveau type d'instrument chirurgical pour la côlonoscopie, 

1 er Colloque des doctorants de Lyon, INTERSCIENCES2002, 4 avril 2002, Lyon, 2p. 

Guillaume Thomann, Conception d'un endoscope intelligent - Poster, 13 ème Rencontres Régionales 

de la Recherche, 26 Septembre 2002, Alexpo, Grenoble. 

Diffusions publiques 

Guillaume Thomann, La Robotique au secours de la Médecine, Le Progrès du Rhône, 29/12/2002. 

Guillaume Thomann, La Robotique au secours de la Médecine, Le Progrès de l'Ain, 01/01/2003. 

Guillaume Thomann, L'aventure intérieure de Guillaume Thomann, les Dernières Nouvelles 

D'Alsace, Mardi 25 février 2003, Pages Locales, Arrondissement 12, N° 47, page 12. 




Annexe 1 

Fonction de l'endoscope, 

Terminologie et 

caractéristiques 
















Annexe 2 

Complément sur les autres 

applications de la Robotique 

Chirurgicale 

Réalité Virtuelle 

Opérer en réalité virtuelle, c'est opérer en se référant à un modèle 2D ou 3D représentant le réel. 

Les modèles représentés sur l'écran sont entièrement virtuels et créés à partir de modèles 

construits (en éléments finis par exemple) ou issus de la fusion d'images réelles ou d'atlas. 

Dans [SORID 00], nous comprenons immédiatement que la réalité virtuelle est un sujet 

d'actualité, vieux déjà de près de dix ans. M. Satava, chirurgien général du Centre Médical des 

Armées à Washington déclarait à propos de la médecine que "nous sommes à l'orée d'un 

changement fondamental de ce qu'est la médecine grâce à la révolution de l'informatique". 

Effectivement, la réalité virtuelle (ou Virtual Reality, VR) est apparue grâce surtout 

aux progrès fantastiques de l'informatique. Ainsi, il y a une dizaine d'années, on a vu apparaître 

d'abord dans des laboratoires de recherche, puis sur le marché, des stations d'entraînement par 

VR qui incorporaient des graphiques réalistes et dans certains cas, le sens du toucher. Les 

simulateurs du commerce sont maintenant capables de pratiquer des tâches comme introduire un 

endoscope flexible dans un patient virtuel ou manipuler des outils chirurgicaux de laparoscopie. 

Les universités et les industriels mettent actuellement au point des systèmes qui peuvent simuler 

des procédures plus complexes comme suturer un tissu ou insérer un cathéter dans une veine en 

utilisant un outil laparoscopique. 

Sachant que des mois et des mois de pratique sont nécessaires à un chirurgien débutant 

pour acquérir une certaine assurance, la VR est surtout utilisée pour concevoir des outils 

d'entraînement. Ces outils préparent psychologiquement les étudiants pour les tâches 

chirurgicales ; des complications opératoires peuvent être, par exemple, simulées. 

L'IRCAD (L'Institut de Recherche Contre les Cancers de l'Appareil Digestif) fait 

figure de pionnier et est à la pointe de la recherche médicale concernant la réalité virtuelle 

(figure 2.18) et la télémanipulation. [IRCAD 03] nous explique que l'utilisation des nouvelles 

technologies de la réalité virtuelle et de la robotique servent fortement la détection et la 

résection des tumeurs cancéreuses. On se doit aujourd'hui de permettre la détection des tumeurs 

encore indécelables et réaliser des outils permettant d'opérer ces petites lésions. Pour y parvenir, 

l'IRCAD utilise la Réalité Virtuelle, la Télé Robotique et la Réalité Augmentée. 




Figure A2.1. Représentation d'un côlon en 3D (IRCAD) pour 

des essais d'opération en réalité virtuelle 

De l'équipe GMCAO du Laboratoire TIMC de 

Grenoble, nous pouvons citer également: les possibilités de 

modélisation et de navigation en trois dimensions et 

d'endoscopie virtuelle de [HAIGRON 98], de modélisation 3D 

par des éléments finis et d'animation sur des tissus déformables 

(foie) comportant des retours d'efforts, des reflets et 

l'apparition de sang de [CANY-GASCUEL 98], de simulation 

dynamique et interactive et de modélisation de collision pour 

une détection en temps réel [LAUGIER 98], ou encore de 

simulateurs développés pour l'endoscopie du duodénum ou 

pour l'échographie [CHAILLOU 98]. 

Nous avons vu dans le chapitre précédent, que la coloscopie virtuelle est une technique 

séduisante, car elle est peu invasive et pourrait donc être plus facile à accepter par les patients 

que la coloscopie. Mais cette technique manque encore de références pour pouvoir être utilisée 

de façon systématique et fiable. 


La Réalité Virtuelle est séduisante, car non invasive, mais elle n' est pas 

encore utilisée sur le plan clinique. Cette technique est très prometteuse, 

notamment pour la détection des polypes dans le côlon. 

Télé-Manipulation 

La télé-manipulation est en fait un système mécanique semi-automatisé et dirigé 

directement ou indirectement par l'homme. La télérobotique est un nouvel instrument 

chirurgical qui remplace le bras du chirurgien par un bras articulé, mais qui reste contrôlé et 

dirigé par l'utilisateur. Les avantages sont multiples : le chirurgien se fatigue moins et peut 

opérer d’une manière plus précise. 

Actuellement, les robots utilisés en bloc sont ROBODOC et AESOP, et quelques 

autres systèmes encore à l'état de prototype. Les systèmes manipulés à distance (DaVinci et 

ZEUS) sont très peu nombreux, surtout en routine chirurgicale). Effectivement, l'Institut de 

Mécanique de l'Université de Karlsruhe explique que la télé-manipulation est exercée de plus en 

plus en salle d'opération [WEBER 02]. Compatible avec la MIS, la télé manipulation est en fait 

réalisée par un chirurgien qui donne des ordres au robot-manipulateur par l'intermédiaire d'une 

console. Généralement, il manipule des joysticks qui commande les outils chirurgicaux à 

l'extrémité des bras du robot. Il utilise également la voix pour diriger l'endoscope, qui renvoie 

une image de la zone qu'il veut visualiser. Ses pieds utilisent des pédales pour toutes autres 

instructions à donner aux outils chirurgicaux (scalpel électrique, jet d'eau, aspiration, … ). Très 




important en télé-manipulation, le retour d'effort informe le chirurgien sur les forces qu'il est en 

train d'exercer sur les tissus et autres organes du patient. 

Il ne faut pas négliger non plus le fait que, sans des moyens de communication évolués 

et de toute dernière technologie, ce type d'opération ne pourrait pas avoir lieu. Les 

télécommunications sont donc un moyen d'aller plus loin dans les méthodes d'opérations 

chirurgicales. Ainsi, [SCHURR 98 (1)], de l'Université Eberhard-Karls à Tübingen 

(Allemagne), remarque trois groupes de développement télé-chirurgicaux : 

- la télé-consultation : d'autres experts dans d'autres cliniques peuvent être consultés 

pendant une opération, 

- la télé-assistance : en plus de la simple consultation à distance, le chirurgien peut 

intervenir et contrôler un outil grâce aux lignes de télécommunication. Les 

chirurgiens donnent leurs avis sur la démarche à suivre après avoir observé et 

inspecté par eux-mêmes le champ opératoire, 

- la télé-manipulation : ici, le chirurgien, placé à distance, peut mener l'opération luimême 

en manipulant les outils chirurgicaux et l'endoscope qui lui retourne le 

champ visuel. 

Le chirurgien est placé soit dans la salle d'opération à quelques mètres du patient, mais 

il peut aussi se trouver à quelques kilomètres, voire plus [MARESCAUX 02]. Effectivement, 

lors de l'opération Lindbergh, le Professeur Jacques Marescaux, président de l'IRCAD de 

Strasbourg alors à New York a opéré une patiente se trouvant à Strasbourg. Cette opération a 

nécessité des techniques de télé-manipulation qui étaient compatibles avec la MIS. 


La Télé-Manipulation n'est pas un de nos objectifs prioritaires. Il est 

difficile, pour le moment, d'envisager une manipulation à distance du 

coloscope par le chirurgien. 

A long terme, il ne serait pas surprenant de voir apparaître en salle 

d'opération, un coloscope télé-manipulé à partir d'une console. 

Les exemples d'applications qui suivent ont pour but de présenter un aspect général des 

possibilités de la robotique en chirurgie. Ils utilisent souvent l'une ou l'autre des techniques 

énoncées dans le paragraphe précédent. 

Laparoscopie 

Dans les dernières années, la laparoscopie a vraiment évolué de façon spectaculaire pour 

devenir une des aides les plus précieuses par rapport à la MIS. Elle offre les avantages d'une 

intervention rapide et efficace, tout en causant moins de douleurs, des traumatismes et un temps 

de convalescence réduit. Beaucoup de dispositifs robotiques, d'outils spéciaux et d'aide 

informatique ont été développés pour la laparoscopie : des vidéoscopes, trocarts, instruments 

chirurgicaux et autres actionneurs. 




La laparoscopie consiste à introduire des outils, situés en bout de bras de robot, par de 

petites incisions faites dans l'abdomen du patient. L'opération est effectuée depuis l'extérieur du 

corps par un chirurgien qui commande ces outils. L'abdomen est toujours préalablement gonflé 

à l'air pour offrir un espace de travail plus grand au chirurgien (figure A2.2). Généralement, 

trois incisions sont effectuées : une pour pouvoir introduire le vidéoscope et deux autres pour 

les outils chirurgicaux que manipulera le chirurgien (figure A2.3). 

Pendant les opérations courantes de laparoscopie, le chirurgien manipule ses 

instruments et les assistants positionnent le vidéoscope sur ordre du médecin. La coordination 

de ces activités est très difficile : la caméra et les instruments peuvent ne pas être bien 

positionnés. C'est pour cela que beaucoup de recherches ont été effectuées pour développer des 

guides pour les outils d'une part et pour permettre au chirurgien, par l'intermédiaire d'une 

Interface Homme Machine (IHM), de se servir facilement de ces dispositifs. 

Figure A2.2. Schéma du gonflement de 

l'abdomen pendant une opération de 

laparoscopie 

Figure A2.3. Photo des trois bras 

manipulateur du robot de laparoscopie 

ZEUS 

Des systèmes robotisés ont rapidement vu le jour pour permettre au chirurgien d'opérer 

dans les meilleures conditions possibles de concentration et de confort. Ainsi, il n'est pas rare de 

voir, dans une salle d'opération, un chirurgien à quelques mètres de la table du patient en train 

de réaliser l'opération. Il peut facilement commander les bras du robot, par l'intermédiaire de 

deux manettes qu'il tient dans ses mains et agir sur le vidéoscope (endoscope) par 

l'intermédiaire de la voix, qui est le moyen le plus répandu actuellement [HERMES TM ] (figure 

A2.4). Ce moyen de communication peut facilement s'adapter à de nombreux robots de 

laparoscopie comme [AESOP TM ] ou [ZEUS TM ] (figure A2.5). 




Figure A2.4. Ci-dessus : le système HERMES TM 

Figure A2.5. Ci-contre : Le chirurgien manipulant 

à distance les bras de robot ZEUS 

Pour le même type de chirurgie, [SCHURR 98 (2)] propose le robot ARTEMIS. Le but 

de ce robot est de retrouver toute la mobilité intra-corporelle de l'instrument endoscopique avec 

6 ddl et d'augmenter l'ergonomie de l'utilisateur lors de la manipulation des instruments. La 

plate-forme comprend également deux bras de robot-maître qui servent à manipuler les outils 

chirurgicaux et des moniteurs qui retournent l'image de l'opération. 

La chirurgie cardiaque utilise le même style de robot à trois bras. Les opérations 

conventionnelles nécessitaient une ouverture du thorax, mais avec ce robot, trois bras 

manipulateurs sont suffisants pour mener à bien l'opération. Cependant, l'installation robotique 

nécessaire pour cette intervention est très coûteuse et il est de moins en moins courant d'opérer 

un cœur avec ce robot. Les chirurgiens sont en train de réfléchir à des robots qui pourraient 

ouvrir le thorax. 

Une autre idée plus sérieuse serait d'utiliser un robot pour des procédures percutanées, 

lors de laquelle un liquide pathologique est envoyé dans le péricarde par une aiguille. Avec le 

robot, la localisation de l'insertion et la trajectoire à prendre sont déterminées par des images 

échographiques de la région du cœur du patient. Des tests concluant ont déjà été effectués sur 

des animaux. 

Enfin, toujours pour des opérations de laparoscopie, l'Université de Californie à 

Berkeley a développé une endo plate-forme qui permet de contrôler plus finement la position de 

l'endoscope dans l'abdomen, sans toucher aux tissus environnants [COHN 95]. Cette plateforme 

est composée de deux plateaux séparés par un tube rigide et un court ressort à travers 

lesquels passent les outils de laparoscopie (figure A2.6). Trois tendons, qui agissent entre les 

deux plateaux, peuvent être tirés indépendamment pour permettre l'orientation du plateau 

supérieur par rapport à l'inférieur (figure A2.7). Les trois tendons sont attachés à des poulies sur 

des servomoteurs à courant continu, munis de codeurs de position optiques. 

Le diamètre des plateaux est de 19 mm et la longueur de l'outil (entre les plateaux) est 

de moins de 20 mm. Cette endo plate-forme est capable de se plier d'un angle de 90° dans toutes 

les directions. 




Figure A2.6. Ci- contre: schéma de l'endo plateforme 

Figure A2.7. Ci-dessous: photo de l'endo plate-forme 

inclinée 

La visualisation de l'espace de travail est 

capitale pour les chirurgiens. Les recherches se développent également dans ce sens. Au 

Laboratoire de Robotique de Paris 6, [DE SARS 02] propose une microstructure active pour la 

Chirurgie Minimalement Invasive. Cette structure basée sur la technologie des AMF, permet 

également de minimiser les contacts avec son environnement. La structure est constituée 

d'anneaux tubulaires en série et articulés les uns aux autres par des liaisons rotoïdes. 

Actuellement, chaque anneau a une longueur de 4 mm, le diamètre de passage intérieur est de 

5.4 mm et le diamètre extérieur est de 8 mm. 

Les axes de rotation des anneaux composant l'endoscope actif sont alternés de 90°. Il 

est ainsi possible de produire une courbure complexe dans l'espace 3D. 

L'actionneur d'une liaison est composé de deux paires de ressorts antagonistes montés 

de part et d'autre de l'axe de rotation (figure A2.8). 

Cette gaine active ne dispose pas de moyen de propulsion propre. Elle est portée et 

introduite dans le corps du patient par un bras de robot classique. 

Figure A2.8. Liaisons rotoïdes de la 

structure présentée par [DE SARS 02] 

La laparoscopie est en fait 

l'opération chirurgicale la plus 

répandue, car elle permet d'opérer tous 

les organes situés sous le thorax et 

dans le bas-ventre (cœlioscopie). La 

MIS est ici omniprésente car les outils 

chirurgicaux et le vidéoscope, ou 

endoscope, opèrent à l'intérieur du 




corps humain, tout en infligeant des dégâts minimes au patient. C'est pour cela que beaucoup de 

recherches sont actuellement en cours pour améliorer encore les techniques d'intervention. 

Autres applications 

Toujours en accord avec la Chirurgie Minimalement Invasive, d'autres systèmes robotisés sont 

présents en salle d'opération, mais sont spécifiques de telle ou telle opération. 

Structure des robots chirurgicaux 

La situation idéale serait qu'un robot soit conçu pour une multitude d'applications. 

Cependant, de tels appareils sont très chers, puisqu'il n'y a aucun marché grand public pour eux. 

C'est pour cette raison que la plupart des robots, utilisés pour des interventions spécifiques 

externes, ont une structure de robot industriel. 

Concernant les structures de robots chirurgicaux, [REMBOLD 01] nous propose la 

classification suivante : 

- le robot SCARA : il a une colonne de base et peut avoir 5 ou 6 degrés de liberté 

(ddl). Il a une bonne rigidité dans le sens vertical et une compliance dans le plan 

horizontal. Ce robot est surtout utilisé dans un but de fraisage dans le fémur pour 

effectuer des remplacements de la hanche, ou pour des traitements radioactifs. 

- le robot JOINT : ce robot a trois liaisons pivot et une géométrie souple pour 

facilement atteindre des endroits difficiles. La partie terminale de ce robot peut 

avoir deux ddl, ce qui dote le robot de 5 ou 6 ddl au total. Les applications de ce 

robot sont : les opérations de hanche, de genou et de la chirurgie faciale. 

- le robot HEXAPOD : celui-ci est constitué de deux plates-formes : la plate-forme 

de travail au-dessus et celle de base en dessous qui sont liées par six liaisons 

linéaires. L'espace de travail de ce robot est très limité, mais très précis. C'est pour 

cela que son application principale est la neurochirurgie. 

- le robot cinématique DELTA-3 : celui-ci a également deux plates-formes, mais 

connectées par l'intermédiaire de 3 bras. Il peut avoir plus de 6 ddl et un grand 

espace de travail lorsqu'il est monté au plafond. Sa précision est plus faible que le 

robot HEXAPOD. Il est utilisé pour des opérations faciales et pour le traitement de 

tumeurs malignes par la méthode d'hyperthermie. 

Nous voyons donc que plusieurs structures de robots sont utilisées pour différentes 

interventions chirurgicales et qu'il n'est pas aisé de trouver une seule structure combinant, par 

exemple, précision et amplitude de travail. 

Nous allons observer de plus près les types d'interventions chirurgicales réalisables par 

quelques-uns uns de ces robots, avant d'aborder la partie coloscopie. 

Neurochirurgie 

Les interventions chirurgicales en neurochirurgie requièrent un haut niveau de précision ; 

chaque mauvaise manipulation dans le cerveau peut entraîner des conséquences dramatiques 

pour le patient. 




Une intervention implique de friser un orifice dans le crâne du patient. Une sonde peut 

être introduite pour prélever un échantillon de tissu, pour enlever un kyste ou pour arrêter une 

hémorragie. La biopsie conventionnelle utilise une armature à 3 ddl pour fixer la tête du patient 

et pour déterminer le point d'entrée de la sonde. Un rail-guide fixé sur l'armature est appliqué 

pour aligner la sonde, le point d'entrée et l'objectif. Le robot chirurgical permet seulement le 

positionnement du rail-guide. 

Le premier robot à avoir opérer seul un patient a été le robot MINERVA 

[BURCKHARDT 95] en 1993. D'autres applications ont vu le jour, comme de positionner un 

petit endoscope sur une plate-forme de travail de type robot HEXAPOD, qui elle-même est 

positionnée sur l'armature qui fixe la tête du patient. Le chirurgien contrôle l'endoscope à partir 

de son siège qui, lui aussi, est monté sur une plate-forme de même type. Par l'intermédiaire 

d'une caméra et d'un moniteur, le chirurgien a vraiment l'impression de se trouver sur la plateforme 

qui inspecte le cerveau du patient. 

Depuis, la méthode la plus utilisée est de préparer la trajectoire que devra effectuer 

l'outil à l'intérieur du cerveau pour endommager le moins possible les structures environnantes. 

Un grand travail pré-opératoire est donc nécessaire au bon déroulement de l'opération. 

Radio-chirurgie et Radio-thérapie 

Des robots peuvent être utilisés pour de nombreux traitements par radiations. Les trajectoires 

exactes sont calculées pour accéder à la tumeur et pour mener les sources de radiations dans un 

plan spatial exactement défini. En fait, la radio-chirurgie est une alternative à la neurochirurgie. 

Avec cette méthode, un robot JOINT à 6 ddl, fixé au plafond, peut diriger la source de 

radiations vers le patient pour détruire la tumeur. Ici aussi un calcul pré-opératoire de la 

trajectoire que devra emprunter le robot est souhaitable et réalisable, pour limiter les radiations 

envoyées aux autres parties du cerveau. 

Une autre application de ce robot est l'insertion d'un cathéter directement dans les 

tissus du patient, à l'endroit exact de la tumeur ou de la lésion. Pour le traitement, le chirurgien 

doit examiner les images pré-opératoires prises, pour déterminer l'endroit exact du mal. La 

trajectoire décidée est envoyée au robot et l'insertion du cathéter est réalisée avec une grande 

précision. Ainsi, une erreur d'1 mm environ est obtenue et la tumeur peut être irradiée 

directement. 

Chirurgie orthopédique 

La chirurgie orthopédique est une des premières chirurgies à faire appel aux robots. Comparés 

aux tissus légers, les os sont relativement faciles à manipuler et se déforment peu durant la 

découpe. Ainsi, la mise en place d'une planification opératoire pour cette chirurgie est plus aisée 

à mettre en œuvre. 

Les applications de la chirurgie orthopédique, qui ont reçu le plus d'attention, sont le 

remplacement de la hanche et du genou et les interventions sur la colonne vertébrale. D'autres 

interventions sont aussi envisageables comme la reconstruction crano-faciale et le traitement 

des fractures. 




Deux systèmes robotiques, qui peuvent réaliser seuls des procédures de découpes d'os, 

sont actuellement sur le marché : ce sont les robots CASPAR et ROBODOC. 

Les deux robots CASPAR et ROBODOC permettent, pour une opération totale de 

hanche, de remplacer le col du fémur (figure A2.9). Effectivement, pour réaliser une nouvelle 

liaison-rotule entre la hanche et le fémur, il faut insérer une prothèse en métal de 22 cm de long 

environ dans une cavité formée le long de l'axe proximal du fémur. Ces robots permettent une 

perforation très précise du fémur pour que la prothèse y soit insérée par le chirurgien avec un 

minimum de jeu. Malheureusement, il arrive encore, mais de plus en plus rarement, des 

dislocation des composants de la prothèse (figure A2.10). 

Le genou est une articulation encore plus complexe, avec de larges surfaces rondes et 

un système élaboré de ligaments, très précisément positionnés les uns par rapport aux autres. 

Cependant, les systèmes robotiques développés pour la chirurgie du genou sont conçus pour un 

remplacement total du genou (TKR ou Total Knee Remplacement). Cette chirurgie consiste à 

remplacer toutes les surfaces articulatoires par des prothèses. 

Figure A2.9. Photo d'une prothèse du fémur 

pour de la chirurgie de remplacement total 

de la hanche 

Figure A2.10. Photo en rayons-X qui 

montre une dislocation des composants de 

la prothèse de la hanche 

Le but des robots développés pour des chirurgies TKR est d'augmenter la précision de 

l'alignement de la prothèse. En général, une phase pré-opératoire à l'aide de rayons X permet de 

connaître les positions et les formes exactes des os du genou. Puis le robot peut usiner les 

prothèses adéquates et les placer à l'endroit souhaité. 

Dans la chirurgie orthopédique, nous voyons également que beaucoup de procédures 

pré-opératoires sont effectuées pour obtenir de meilleurs résultats pendant et après l'opération. 

Après l'opération, le patient a notamment besoin de rééducation et dans ce domaine 

aussi, la robotique fait son apparition. 

Rééducation 

En terme de rééducation, le contrôle des personnes handicapées sur leur environnement est une 

importante raison du succès de la robotique. Un des objectifs principaux de la robotique 




médicale dans ce domaine a toujours été de redonner complètement ou partiellement les 

fonctions de manipulation au patient, en plaçant un bras de robot pour agir avec son 

environnement. 

Mais trois facteurs importants sont à prendre en compte pour la conception d'un tel 

robot : les degrés d'incapacité du patient, la fiabilité du robot vis-à-vis du patient et le prix. En 

considérant l'état de l'art de la robotique d'aide à la rééducation, [DARIO 94] nous propose de 

classer en trois catégories les robots actuels, suivant les configurations différentes des facteurs 

mentionnés ci-dessus. 

La première configuration est un manipulateur, monté sur une table ou un banc, qui 

inclut une structure complète de station de travail. Beaucoup de produits de ce genre ont été 

commercialisés et l'utilisation la plus courante se fait sur le lieu de travail d'employés 

handicapés, qui commandent la structure à la voix. 

Les chaises roulantes, sur lesquelles un bras est monté, sont adaptées aux personnes 

handicapées ou paralysées des jambes. Mais l'utilisateur a besoin de toute son agilité pour 

diriger la chaise dans son environnement. Des problèmes de prise d'objets sont encore 

d'actualité en ce qui concerne le bras du robot-manipulateur. 

Une troisième configuration est proposée : c'est l'utilisation de robots mobiles 

autonomes ou semi-autonomes, équipés de bras-manipulateurs et de capteurs. Ce genre de robot 

est utile pour des personnes très handicapées, qui pourraient lui donner des tâches complètes à 

effectuer. 

Dans les hôpitaux, les robots ont aussi leur place pour l'aide au déplacement des 

personnes handicapées par exemple ou pour aider les personnes à s'asseoir dans un lit ou à se 

lever d'un lit. [NAGAI 02] a imaginé une plate-forme robotisée accrochée au plafond de la pièce 

qui fournit des efforts suffisants pour que le patient en difficultés se lève sans problèmes. 

D'autres recherches encore proposent une aide au réapprentissage des mouvements naturels 

après avoir subit une opération [HIRATA 02]. 

Conclusion 

Les quelques robots présentés ci-dessus et détaillés en annexe, effectuent des tâches 

spécifiques par rapport à leur structure. La neurochirurgie et la chirurgie orthopédique sont par 

exemple des opérations tout à fait différentes. Des systèmes robotiques distincts sont alors 

utilisés : ils sont choisis notamment par rapport à l'espace de travail demandé, aux précisions 

souhaitées, aux efforts désirés. 




Annexe 3 

Choix du type de soufflets 

Il existe cinq types principaux de soufflets : roulés, hydroformés, soudés, déposés 

chimiquement et électrodéposés. 

Les soufflets électrodéposés présentent des avantages certains, comparativement aux 

autres types de soufflets [ACCES] : 

- ils peuvent présenter d'importantes déformations sous l'action de forces minimes : 

ils peuvent être jusqu'à 25 fois plus flexibles que les soufflets hydroformés de la 

même gamme de taille, 

- leur course peut atteindre 60 % de la longueur effective en extension et, combinée 

à un plus grand rapport diamètre intérieur/extérieur, ils présentent une capacité de 

déplacement égale ou supérieure à la plupart des autres types de soufflets, 

- ils sont sans soudure et non poreux, 

- ils peuvent être fabriqués dans des tailles plus réduites que par n'importe quel autre 

procédé. 

Ces soufflets possèdent donc toutes les qualités requises pour fonctionner en flexion, 

comme nous le désirons. Pour choisir les soufflets adéquats, parmi les possibilités proposées par 

le constructeur, nous devons étudier plus précisément la conception de l'EDORA, d'où notre 

choix de disposition des soufflets, leur taille, leurs propriétés. 

Nous avons décidé de choisir le soufflet de référence de notre outil de la façon 

suivante ; il faut : 

- que notre première maquette ait les dimensions précisées au paragraphe 3.2.2, 

- que nous ayons des angles d'inclinaison non négligeables pour pouvoir valider 

ensuite expérimentalement la maquette, 

- que nous facilitions au maximum la réalisation de la maquette et que nous limitions 

les coûts. 




Le soufflet métallique est caractérisé par son nombre d'ondulations, sa raideur, sa taille 

et sa section utile (proche de la section moyenne). 

Cinq diamètres standard de soufflets sont proposés par le constructeur, des diamètres 

extérieurs qui s'échelonnent de 6.35 mm à 25.4 mm. Afin de réduire les coûts et éventuellement 

les délais de fabrication, nous choisissons d'utiliser un soufflet de taille standard. 

Différentes longueurs sont proposées pour chacun de ces diamètres (tableau A3.1). La 

course en compression varie, elle aussi, en fonction notamment de la raideur. C'est cette course 

en compression qui donnera, vu la disposition des soufflets, la courbure de l'EDORA. 

Le premier critère de choix est la "course en compression" indiquée dans le tableau. 

Plus grande sera la course possible par le soufflet, plus grand sera l'angle d'inclinaison. Ce 

critère nous fait pencher pour les choix de références FC-1, FC-5 voire FC-9, qui ont des 

courses élevées et des diamètres extérieurs relativement faibles. 

Le constructeur indique que la course en élongation représente 75 % de celle en 

compression, pour les soufflets présentés. 

Le calcul de la pression nominale, proposé par le constructeur, nous confirme 

l'utilisation des soufflets FC-1 jusqu'à 20 bars. FC-5 jusqu'à 18.5 bars et FC-9 jusqu'à 28 bars. 

Les trois types sont donc acceptables en ce qui concerne les alimentations en pression. 

Nous choisissons dans un premier temps, d'écarter le type FC-9 qui a une course plus 

faible que le FC-5, pour un diamètre plus grand et pour une même longueur. 

De rapides calculs préliminaires nous indiquent que l'utilisation des soufflets FC-1 et 

FC-5 nous permettront d'obtenir des angles d'inclinaison identiques. Nous choisissons alors, 

pour faciliter le montage futur, le soufflet référencé FC-5. 

Tableau A3.1. Tableau présentant les caractéristiques des soufflets proposés par [ACCES] 




Pour retrouver un mouvement de flexion, 

nous avons décidé de placer trois chambres 

déformables, selon la configuration de [SUZUMORI 

91]. Les trois chambres doivent donc se trouver aux 

sommets (points 1, 2 et 3) d'un triangle équilatéral, 

pour former finalement un outil cylindrique (figure 

A3.1). Ainsi, une pression appliquée dans l'une des 

chambres déformera l'EDORA dans la direction 

opposée. 

1 

3 

2 

Figure A3.1. Points A, B et C : les positions des chambres déformables 

Pour accroître l'angle d'inclinaison, nous plaçons des soufflets en série, c'est-à-dire en 

en utilisant plusieurs pour une seule chambre déformable. Ainsi, l'allongement d'une chambre 

sera augmentée et l'inclinaison sera d'autant plus importante. Pour obtenir une réponse angulaire 

franche et de taille en accord avec nos décisions prises précédemment, nous avons décidé d'en 

utiliser quatre. Le constructeur précise, pour le type de soufflet choisi, une course autorisée en 

compression de 5.12 mm et en extension de 3.58 mm, soit 20.4 % de la longueur au repos. 




Annexe 4 

Démonstration du modèle 

géométrique liant les 

longueurs des soufflets aux 

grandeurs θ 

1I 

, θ 

1II 

et h 1 , pour 

le premier étage de l'EDORA 

Dans un premier temps, rappelons le système de coordonnées suivant : 

( 

1 

θ1I 

θ II 

x, 

y, 

z) 

⎯⎯→( 

t, 

v, 

z) 

⎯⎯→( 

u, 

v, 

w) 

et la figure définissant le premier étage de notre EDORA : 

z 

w 

θ 1 II 

θ 1 II 

O' 

v 

O 

y 

x 

θ 1 I 

θ 1 II 

u 

t 

R 

Figure A4.1. Schéma général du premier étage de l'EDORA avec les systèmes de coordonnées. 

R représente le rayon de courbure du premier étage de l'EDORA 




Ainsi, dans le plan ( O', 

u, 

v, 

w) 

, nous avons : 

2 

r 

r 

Plan ( O, t , z 

r ) 

défini par θ Ι 

r2 

r 3 

3 

r 1 1 

θ 1Ι 

x 

Figure A4.2. Schéma 

représentant le rayon r et la 

position des trois chambres 

déformables 1, 2 et 3 

r 

Sur la figure ci dessus, est représenté le plan ( O, 

t , z 

r ) défini par l'angleθ 

1I 

. Le rayon r 

du cercle sur lequel sont placés les soufflets métalliques et les valeurs r 1 , r 2 et r 3 y sont 

également représentés. 

A partir des figures 1 et 2, nous pouvons écrire les relations : 

L1 ( R − r1 

) θ1II 

= h1 

− r1 

θ1II 

= (1) 

L2 ( R − r2 

) θ1II 

= h1 

− r2θ 

1II 

= (2) 

L3 ( R − r3 

) θ1II 

= h1 

− r3θ 

1II 

= (3) 

h 1 représentant la longueur de l'arc passant par le centre des plates-formes inférieure et 

intermédiaire. Nous pouvons également poser les égalités suivantes : 

r1 r cosθ1I 

= (4) 

2 

r = r cos( θ 1 I 

− ) 

(5) 

3 

2 

π 

2 

r = r cos( θ 1 I 

+ ) 

(6) 

3 

3 

π 

les équations (1) et (4) donnent : 

h − L 

r1 = r cosθ cosθ 

L1 

(7) 

1 1 

1I = ⇔ h1 

= rθ1II 

1I 

+ 

θ1II 





2 

2 

= r θ1I 

− ) 

(8) 

3 

1II 

r 

cos( 

2π 

h1 

− L 

= 

θ 

remplaçons maintenant l'équation (7) dans (8) : 

r cos( θ 

⇔ 

1I 

cos( 

2π 

rθ 

− ) = 

3 

2π 

1II 

cosθ 

θ 

L − L 

1I 

1II 

+ L − L 

1 2 

r θ 

1I 

− ) = + r cosθ1I 

3 θ1II 

⇔ r cos( θ 

⇔ θ 

1II 

2π 

3 

1I 

− ) − r cos 

θ 

1I 

1 

1II 

2 

L1 

− L2 

= 

θ 

L1 

− L2 

= 

⎡ 2π 

r 

⎢ 

cos( θ1I 

− ) − cosθ1I 

⎣ 3 

remplaçons maintenant l'équation (9) dans (7) : 

h 

= L − L 

r 

⎡ 2π 

⎤ 

θ 

r 

⎢ 

cos( θ1I 

− ) − cosθ1I 

⎣ 3 ⎥ 

⎦ 

1 2 

1 

cos 

⇔ h 

h 

1 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

1I 

+ L 

⎡ 2π 

( L1 − L2 

)cosθ1I 

+ L1 

⎣ 

⎢ 

cos( θ1I 

− ) − cosθ1I 

3 

= 

⎦ 

⎥ ⎤ 

2π 

cos( θ1I 

− ) − cosθ1I 

3 

2π 

− L2 cosθ1I 

+ L1 

cos( θ1I 

− ) 

= 

3 

2π 

cos( θ1I 

− ) − cosθ1I 

3 

⇔ 

1 

(10) 


1 

(9) 

r 

r cos( 

2π 

) 

h − L 

cos( 

2π 

1 3 

3 

= 

1I + = ⇔ 

1 

= θ1II 

θ1I 

+ ) + 

3 θ1II 

3 

h 

r 

θ (11) 

L 

3 




l'égalité des équations (10) et (11) donne : 

h 

1 

= rθ 

1II 

cos( θ 

1I 

2π 

+ ) + L 

3 

3 

− 

= 

2π 

cosθ1I 

+ L1 

cos( θ 

I 

− 

3 

2π 

cos( θ1I 

− ) − cosθ1I 

3 

L2 1 

) 

( −L2 + L3 

)cosθ1I 

+ ( L1 

− L3 

)cos( θ1I 

− ) 

2π 

⇔ rθ 

3 

1II 

cos( θ1I 

+ ) = 

(12) 

3 

cos( θ 

1I 

2π 

− ) − cosθ 

3 

en remplaçant l'équation (9) dans (12), nous arrivons à : 

( − L )cos( 

r 

⎡ 2π 

r 

⎢ 

cos( θ 

⎣ 3 

2π 

+ ) 

3 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

( 

= 

)cos 

cos( 

2π 

3 

1I 

− ) − cosθ 

θ 

1I 

1I 

− ) − cos 

1I 

)cos( 

θ 

1I 

2π 

2π 

− 

3 

L1 2 

θ1I 

−L2 

+ L3 

θ1I 

+ L1 

− L3 

θ1I 

) 

( 

2π 

⇔ ( L 

1 

− L2 

)cos( θ1I 

+ ) = ( −L2 

+ L3 

)cosθ1I 

+ ( L1 

− L3 

)cos( θ1I 

3 

2π 

− ) 

3 

⇔ 

⇔ 

1 3 

1 3 

L1 − L3 

)( − cosθ 

1I 

+ sinθ1I 

) + ( −L2 

+ L3 

)cosθ1I 

+ ( L2 

− L1 

)( − cosθ1I 

− sinθ 

I 

= 0 

2 2 

2 2 

( 

1 

1 1 

1 1 

3 3 3 3 

− L1 + L3 

− L2 

+ L3 

− L2 

+ L1 

)cosθ 

1I 

+ ( L1 

− L3 

− L2 

+ L1 

)sinθ 

I 

= 0 

2 2 

2 2 

2 2 2 2 

( 

1 

⇔ 

3 3 

3 3 

( L − L2 

) cosθ 

1I 

+ ( 3L1 

− L3 

− L2 

)sinθ1 

2 2 

2 2 

3 I 

= 

0 

⇔ 

3 

3 

( L3 − L2 

) cosθ 

1I 

+ (2L1 

− L3 

− L2 

)sinθ1I 

= 0 

2 

2 

⇔ 

3( 

θ 

L2 − L3 

) cosθ1I 

= (2L1 

− L3 

− L2 

) sin 

1I 

3( L 

− L 

) 

2 3 

⇔ tanθ 1I 

= 

(13) 

2L1 

− L2 

− L3 




en reprenant l'équation (9), nous arrivons à : 

θ 

1II 

= 

⎡ 

r 

⎢ 

cos( θ 

⎣ 

1I 

L1 

− L2 

2π 

− ) − cosθ 

3 

1I 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

1 

= 

r 

− 

1 

2 

cosθ 

1I 

+ 

L − L 

1 

2 

3 

sinθ 

2 

1I 

− cosθ 

1I 

⇔ 

1 

L − L 

2 

cos 

L − L 

1 2 

1 2 

r 3 3 r θ1I 

− 3 + 3 tanθ1I 

− cosθ1I 

+ sinθ1I 

2 

2 

= 

en remplaçant l'équation (13) dans l'égalité ci-dessus, nous arrivons à : 

θ 

1I 

= 

r 

2 

cosθ 

1I 

− 3 + 

L − L 

1 

3( L2 

− L3 

) 

3 

2L 

− L − L 

1 

2 

3 

2 

= 

r 

2 

cosθ 

1I 

( L1 

− L2 

)(2L1 

− L3 

− L2 

) 

− 3(2L 

− L − L ) + 3( L − L 

1 

3 

2 

2 

3 

) 

⇔ θ 

1I 

2 

= 

3r 

cosθ 

1I 

( L1 

− L2 

)(2L1 

− L3 

− L2 

) 

− 2L 

+ L + L + L − L 

1 

3 

2 

2 

3 

2 

= 

3r 

cosθ 

1I 

( L 

1 

− L2 

)(2L1 

− L 

− 2L 

+ 2L 

1 

2 

3 

− L 

2 

) 

et finalement : 

⇔ θ 

1I 

2L1 

− L3 

− L 

= − 

3r 

cosθ 

1I 

2 

(14) 

nous pouvons rajouter l'équation de la hauteur h 1 : 

h 

1 

= 

1 

3 

3 

∑ L i 

i= 

1 

(15) 




Annexe 5 

Démonstration du modèle 

mathématique statique liant 

les pressions dans les 

chambres déformables aux 

grandeurs θ 

1I 

, θ 

1II 

et h 1 , pour 

le premier étage de l'EDORA 

Pour cela, nous appliquons le Principe Fondamental de la Statique : nous considérons ainsi 

r 

chaque chambre déformable dans le plan ( O, t , z 

r ) : 

Figure A5.1. Schéma représentant une 

chambre déformable et les forces 

appliquées 

θ 1II 

Les forces appliquées par une chambre déformable s'expriment alors par : 

r 

F 

i 

⎛ F 

i 

− F 

⎜ 

i 

⎟ ⎞ ϑ 

= ⎜ 0 ⎟ 

⎜ ⎟ 

⎝ 

Fl 

i ⎠ 

λ 

(16) 

r r r 

( u, 

v , w) 

Les équations des forces et des moments trouvées à partir du Principe Fondamental de la 

Statique, pour le premier étage de l'EDORA, nous permet d'écrire : 




∑ 

⎛ sinθ1 

II ⎞ 

r r ⎜ ⎟ 

Fi 

= mg = mg⎜ 

0 ⎟ 

⎜ cos ⎟ 

⎝ − θ1II 

⎠ 

r r r 

( u, 

v , w) 

∑ M r = 0 r 

i 

(18) 

les équations (16) et (17) nous donnent : 

∑ 

∑ 

F u 

− mg sinθ 

1 

= 0 

i 

F l 

+ mg cos 1 

= 0 

i 

la relation (18) nous amène à : 

∑ 

r 

M 

i 

II 

II 

r 

= F ∧ r = 0 r 

i 

i 

(17) 

θ (19) 

, r étant le rayon du cercle sur lequel sont placés les soufflets métalliques 

⎛ 2π 

⎞ 

⎜ cos( i −θ1I 

) ⎟ 

⎛ F ⎞ 3 

λ 

− F 

r r ⎜ 

i θi 

⎟ ⎜ 

⎟ 

⇔ mg ∧ 0 + ⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜ 2π 

r 

− sin( − 

1 

) ⎟ 

∑ r i θ 

I 

= 0 

⎜ ⎟ ⎜ 3 ⎟ 

⎝ 

Fl 

⎠ ⎜ 0 ⎟ 

i 

⎜ 

⎟ 

⎝ 

⎠ 

⇔ r 

∑ 

⎛ 2π 

⎞ 

⎜ F li 

sin( i −θ1 

I 

) ⎟ 

⎜ 3 ⎟ 

⎜ 2π 

F cos( − ) ⎟ 

l 

i θ 

i 

I 

⎜ 

3 ⎟ 

⎜ 

2π 

⎟ 

⎜− 

( Fλ 

− F )sin( i −θ1I 

) 

i θi 

⎟ 

⎝ 

3 ⎠ 

1 

= 

r 

0 

⎧ 

⎪ 

⎪ 

⇔ ⎨ 

⎪ 

⎪ 

⎪⎩ 

∑ 

∑ 

∑ 

( F 

λ 

2π 

Fl 

i 

sin( i −θ1I 

) = 0 

3 

2π 

Fl 

cos( i −θ1I 

) = 0 

i 

3 

2π 

− Fθ 

)sin( i −θ1I 

) = 0 

i 

3 

i 

(20) 

(21) 

Les équations (19), (20) et (21) peuvent également s'écrire sous forme matricielle : 




⎡ 

⎤ 

⎢ 

1 

1 ⎥ 

⎡ Fl 

⎢ 

2π 

4π 

⎥ 

⇔ 

⎢ 

⎢− 

sinθ 

I 

sin( −θ1I 

) sin( −θ1I 

) ⎥ 

⎢ 

Fl 

⎢ 

3 

3 ⎥⎢ 

⎢ 

2π 

4π 

⎥⎣Fl 

cosθ1I 

cos( −θ1I 

) cos( −θ1I 

) 

⎢⎣ 

3 

3 ⎥ 

14444444 

24444444 

3⎦ 

1 

1 1II 

1 2 

A 

3 

⎤ ⎡− mg cosθ 

⎤ 

⎥ ⎢ ⎥ 

⎥ 

= 

⎢ 

0 

⎥ 

⎥⎦ 

⎢⎣ 

0 ⎥⎦ 

pour pouvoir inverser la matrice A, nous devons dans un premier temps chercher son 

déterminant : 

2π 

4π 

4π 

2π 

det A = sin( −θ1I 

)cos( −θ1I 

) + sin( −θ1I 

)cosθ1I 

− sinθ1I 

cos( −θ1I 

) 

3 

3 

3 

3 

2π 

4π 

2π 

4π 

− sin( −θ1I 

)cosθ1I 

− sin( −θ1I 

)cos( −θ1I 

) + sinθ1I 

cos( −θ1I 

) 

3 

3 

3 

3 

2π 

4π 

⇔ det A = sinθ1 I 

( −cos( 

−θ1 

I 

) + cos( −θ1 

I 

)) 

3 

3 

2π 

4π 

4π 

2π 

+ sin( −θ1 I 

)(cos( −θ1 

I 

) − cosθ1 

I 

) + sin( −θ1 

I 

)( −cos( 

−θ1 

I 

) + cosθ1 

I 

) 

3 3 

3 

3 

1 3 

1 3 

⇔ det A = sinθ1I 

( −( 

− cosθ1I 

+ sinθ1I 

) + ( − )cosθ1I 

− sinθ1I 

)) 

2 2 

2 2 

2π 

1 

+ sin( −θ1I 


− 

3 2 

4π 

1 

+ sin( −θ1I 

)( −( 

− cosθ1I 

+ 

3 2 

3 

sinθ1I 

2 

− cosθ 

) 

1I 

3 

sinθ1I 

) + cosθ1I 

) 

2 

2π 

3 3 

⇔ det A = sinθ1I 

( − 3 sinθ1I 

)) + sin( −θ1I 


− sinθ1I 

) 

3 2 2 

4π 

3 

+ sin( −θ 

I 

)( cosθ1I 

− 

3 2 

3 

sinθ1 

) 

2 

1 I 




2 3 1 3 3 

⇔ det A = − 3 sin θ1I 

+ ( cosθ1I 

− ( − sinθ1I 

))( − cosθ1I 

− sinθ1I 

) 

2 

2 2 2 

+ ( − 

3 1 3 

cosθ 

I 

− ( − sinθ1I 

))( cosθ1I 

2 

2 2 

3 

sinθ1 

) 

2 

1 I 

3 3 2 3 3 3 3 2 

⇔ det A = ( − 3 − − )sin θ1I 

+ ( − − )cos θ1I 

4 4 

4 4 

3 3 3 3 3 

+ sinθ 

I 

cosθ1I 

( − − + 

4 4 4 

1 

+ 

et nous arrivons finalement à 

⇔ det 

⇔ det A = − 

3 3 

2 

3 3 

2 

3 

) 

4 

2 

2 

A = − sin θ1I 

− cos θ1I 

3 3 

2 

nous pouvons maintenant calculer la matrice inverse : 

− 

A 

−1 

= 

⎡ 

⎢ 

⎢ 

2 ⎢ 

3 3 ⎢ 

⎢ 

⎢ 

⎢⎣ 

3 

2 

3 

2 

3 

2 

3 sinθ 

3 3 

− cosθ1I 

− sinθ1I 

2 2 

3 3 

cosθ1I 

− sinθ1I 

2 2 

⎤ 

3 cosθ 

⎥ 

⎥ 

3 3 

− sinθ 

− 

⎥ 

1I 

cosθ1I 

2 2 ⎥ 

3 3 ⎥ 

sinθ 

− ⎥ 

1I 

cosθ1I 

2 2 ⎥⎦ 

1I 1I 

A 

⎡1 3 sinθ 

⎤ 

1I 3 cosθ1I 

1 ⎢ 

⎥ 

= ⎢1 

− 3 cosθ1I 

− sinθ1I 

− 3 sinθ1I 

− cosθ1I 

3 

⎥ 

⎢ 

⎥ 

⎣ 

1 3 cosθ1I 

− sinθ1I 

3 sinθ1I 

− cosθ1 

⎦ 

⇔ − 1 

I 

nous pouvons alors écrire le système de la façon suivante : 




⎡ Fl 

⎢ 

⎢ Fl 

⎢F 

⎣ 

l 

⎤ ⎡1 

⎥ 1 ⎢ 

⎥ = ⎢1 

⎥ 

3 

⎢ 

⎦ ⎣ 

1 

− 

3 cosθ 

3 cosθ 

3 sinθ 

1I 

1I 

− sinθ 

− sinθ 

1I 

1I 

3 cosθ 

⎤ 

1I 

⎡− mg cosθ1 

⎤ 

⎥ 

− 3 sinθ 

− 

⎢ ⎥ 

1I 

cosθ1I 

⎥⎢ 

0 

⎥ 

3 sinθ 

− cos ⎥⎢ 

⎣ ⎥ 

1I 

θ1I 

⎦ 

0 ⎦ 

1 1I 

II 

2 

1 3 

ce qui nous amène à : 

Fl 

i 

mg 

− 

cosθ 

1II 

= (22) 

3 

Les forces extérieures appliquées par chaque chambre déformable peuvent s'écrire : 

F 

= S P − k L k 

(23) 

l i i i i i 

+ 

iL 0 

Les relations (22) et (23) nous amènent à : 

mg cosθ 

mg cosθ 

SiP 

S 

iP 

+ 

k 

1II 

1II 

i 

− kiLi 

+ kiL0 

= − ⇔ Li 

= + L0 

3 

3ki 

Nous pouvons maintenant remplacer les L i dans les équations (13), (14) et (15) : 

i 

tanθ 

1I 

= 

S 

2( 

k 

1 

1 

⎡ S2 

⎢( 

P2 

⎣ k2 

mg cosθ1II 

P1 

+ 

3k 

1 

mg cosθ1II 

S3 

+ ) − ( P3 

3k 

2 

k3 

S2 

mg cosθ1 

) − ( P2 

+ 

k 3k 

2 

2 

II 

mg cosθ 

⎤ 

II 

+ ) ⎥ 

3k3 

⎦ 

S3 

mg cosθ1 

) − ( P3 

+ 

k 3k 

3 

1 

3 

3 

II 

) 

θ 

1II 

2( 

k 

= − 

mg cosθ1 

P2 

+ 

3k 

2 

3r 

cosθ 

1I 

S 

) − ( 

k 

S mg cosθ1II 

S2 

II 3 

mg cosθ 

1 1II 

P1 

+ ) − ( 

P3 

+ 

1 

3k1 

k2 

3 

3k 

) 

3 

h 

1 

S 

mg cosθ 

3 

i 

1II 

1 

= ∑( 

Pi 

+ ) 

3 i= 

1 ki 

3ki 

+ L 

10 




Lexique 

adénome 

angioplastie 

tumeur bénigne qui se développe sur une muqueuse, respiratoire, urinaire ou 

digestive, et peut se transformer en cancer. les plus fréquents s'observent sur 

le gros intestin ou côlon où ils prennent le nom plus précis d'adénome, 

intervention chirurgicale utilisée pour réparer la déformation de vaisseaux ou 

pour dilater voire remodeler un vaisseau rétréci, 

anse diathermique lasso de petite taille, monobrin ou finement tressées, à crochets, à picots, 

ou encore hexagonales, qui peut être chauffé à très haute température, 

biopsie 

(ou prélèvement biopsique) prélèvement d'un petit fragment de tissu (en vue 

d'un examen histologique), 

carcinomatose péritonéale cancer du péritoine obtenu à partir de migration de cellules 

cancéreuses au sein de l'espace intra-péritonéal, 

colite 

diverticule 

dysplasie 

endomètre 

gastroscopie 

inflammation du gros intestin, 

petites poches anormales terminées en cul de sac, qui dans une minorité de 

cas uniquement peuvent s'infecter ou saigner, 

désigne l'anomalie d'un tissu mal construit à partir de ses cellules 

constitutives qui peuvent être elles-mêmes modifiées. la dysplasie apparaît en 

général à la suite d'influences extérieures. à partir d'un tissu normal, une 

dysplasie peut s'aggraver peu à peu pour aboutir, le cas échéant, à un cancer, 

muqueuse interne de l’utérus, 

exploration endoscopique de l'estomac et de l'œsophage, 

métastases hépatiques Cellules cancéreuses du côlon et du rectum ayant engendré un 

cancer du foie, 




naso-gastroscopie exploration endoscopique de l'estomac et de l'œsophage effectuée en 

pénétrant par le nez, 

péritoine 

péritonite 

polypectomie 

rectorragie 

membrane ou séreuse qui tapisse toute la cavité de l'abdomen et revêt ses 

parois et les organes qu'elle contient : tube digestif, pancréas, foie, organes 

génitaux féminins, 

infection du péritoine, 

résection endoscopique d'un polype, 

Emission de sang rouge dans les selles, provenant du rectum, 

sténose digestive Rétrécissement du calibre d'un vaisseau sanguin qui peut être plus ou moins 

serré, et qui provoque une chute, plus ou moins complète, du débit sanguin en 

aval. 




FOLIO ADMINISTRATIF 

THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON 

NOM : THOMANN DATE de SOUTENANCE : 27 / 11 / 2003 

(avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant) 

Prénoms : Guillaume, Yves, Christian 

TITRE : Contribution à la Chirurgie Minimalement Invasive : Conception d'un Coloscope Intelligent 

NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 03 ISAL 0064 

Ecole doctorale : Electronique Electrotechnique et Automatique 

Spécialité : Automatique Industrielle 

Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19 / et bis CLASSE : 

RESUME : 

La Robotique trouve de plus en plus ses repères dans le monde de la Médecine. En Chirurgie, elle 

participe activement au développement de nouvelles méthodes opératoires et complète le savoir faire des 

chirurgiens. Cette approche est de plus en plus recherchée ; l'efficacité du chirurgien s'en trouve renforcée. 

Suite à de nombreuses discussions, notamment avec des chirurgiens gastro-entérologues, nous proposons 

une nouvelle structure robotique permettant d'améliorer les conditions d'intervention en coloscopie. Effectivement, 

ces spécialistes insistent sur le fait que de trop nombreux préjudices sont causés aux parois intestinales lors de cette 

intervention. Celle-ci consiste à explorer l'intérieur du côlon pour confirmer un diagnostic ou, plus fréquemment, 

pour intervenir en cas de détections préalables d'anomalies pouvant évoluer en cancer. 

Nous proposons de reconsidérer la partie distale du coloscope dans le but de limiter ses contacts avec 

l'intestin. L'intelligence de ce nouvel actionneur réside dans sa capacité à se tenir toujours éloigné des parois 

intestinales ; cela est réalisé par une régulation consistant à rester au centre de l'intestin. 

La conception de l'actionneur spécifique EDORA a été nécessaire. Il utilise des soufflets métalliques et 

un actionnement électro-pneumatique. Une maquette de faisabilité le mettant en œuvre, montre ses réactions en 

inclinaison par rapport aux mouvements transversaux perturbateurs. Son modèle mathématique a été établi, et 

validé expérimentalement. Suite à une étude découplée du système pneumatique-mécanique, un modèle de 

comportement est présenté en utilisant la méthode d'identification proposée par Levenberg-Marquardt. Il est validé 

et conforté par des essais expérimentaux. 

EDORA-01 est équipé de 3 capteurs optiques sans contact qui permettent d'estimer la position de la tête 

du coloscope par rapport à la paroi. Les trois informations obtenues pilotent les trois asservissements de pression 

dans les trois chambres d'EDORA-01. Ces commandes permettent de maintenir au mieux la tête du coloscope au 

centre d'un tube représentant le côlon. L'efficacité de la commande étant prouvée, elle pourra être appliquée 

ultérieurement sur un nouveau prototype plus abouti. 

MOTS-CLES : Robotique Chirurgicale, Endoscopie Médicale, Coloscopie, Chirurgie Minimalement Invasive 

Laboratoire (s) de recherches : Laboratoire d'Automatique Industrielle, INSA de Lyon 

Directeurs de thèse: Tanneguy REDARCE et Maurice BETEMPS 

Président de jury : Etienne DOMBRE 

Composition du jury : Maurice BETEMPS, Alain BOURJAULT, Etienne DOMBRE, 

Jean-Paul LALLEMAND, Thierry PONCHON, Tanneguy REDARCE, 

Alain JUTARD (invité) 







Liste des Figures et Tableaux 

Figure 1.1. Schéma de l'appareil digestif…………………………………………………….14 

Figure 1.2. Schéma de l'anatomie de l'appareil digestif (a) et photo d'une partie de l'intérieur 

du côlon transverse (b)………………………………………………………………………..18 

Figure 1.3. Capsule vidéo-endoscopique et enregistreur télémétrique développés par Given 

Imaging Ltd……………………………………………………………………………...……21 

Figure 1.4. Photo d'un fibroscope avec un outil d'intervention………………………………24 

Figure 1.5 Photo du dispositif nécessaire au bon fonctionnement de l'opération de 

coloscopie……………………………………………………………………………………..24 

Figure 1.6. Photo des molettes actionnées par le chirurgien (a), et des mouvements possibles 

de la tête du coloscope (b)…………………………………………………………………….25 

Figure 1.7. Terminologie et caractéristiques d'un endoscope OLYMPUS…………………..26 

Figure 1.8. Vue de plis situés à l'intérieur du côlon……………………………………….…27 

Figure 1.9. Image en rayons X de boucles pouvant se former dans le côlon…………….…..29 

Figure 1.10. Méthode de l'endoscopie par imagerie magnétique (MEI), montrant le moniteur 

principal et l'image recalculée à partir des bobines placées sur le coloscope.………………..30 

Figure 1.11. Autre Méthode d'imagerie magnétique [DOGRAMADZI 98]…………………30 

Figure 1.12. Reconstruction de la disposition du coloscope dans l'intestin : (a), une boucle 

flexible renversée, (b) une boucle alpha……………………………………………………...31 

Tableau 1.1. Récapitulatif du cahier des charges……………………………………………35 

Figure 2.1. Photo du robot de [ANTHIERENS 99]………………………………………….42 

Figure 2.2. Photo du robot à 24 pattes en FMA de [SUZUMORI 96]……………………….42 

Figure 2.3. Photo du robot d'inspection Toshiba……………………………………………..43 

Figure 2.4. Module de roulement hélicoïdal…………………………………………………43 

Figure 2.5. Schémas du robot "Inch-worm" à soufflets et à poulies…………………………44 

Figure 2.6. Schéma du module à deux états stables [LIBERSA 98] et de la séquence d'avance 

du robot……………………………………………………………………………………….45 

Figure 2.7. Schéma du robot actionné par AMF et de sa séquence d'avance "Inch-Worm"…45 

Figure 2.8. Photo d'un segment en anneau…………………………………………………...46 

Figure 2.9. Schéma montrant les mouvements possibles d'un anneau……………………….46 

Figure 2.10. Photo des mouvements d'inclinaison du robot de [CHOI 02]………………….46 

Figure 2.11. Schéma de l'actionneur en AMF du robot de [MAEDA 96]…………………...47 

Figure 2.12. Schéma de l'endoscope actionné par AMF de [ARAMAKI 95]……………….47 

Figure 2.13. Photo de l'endoscope actionné par AMF de [MINETA 01]……………………48 




Figure 2.14. Schéma de l'endoscope à AMF de [LIM 96]…………………………………...48 

Figure 2.15. Représentation du Micro-Endoscope de [FERREIRA 02]……………………..49 

Figure 2.16. Schéma des différentes configurations possibles du robot de [FUKUDA 89] et sa 

photo…………………………………………………………………………………………..50 

Figure 2.17. Schéma des différents éléments constitutifs du robot à trois chambres de 

[SUZUMORI]………………………………………………………………………………...50 

Figure 2.18. Photographie et schéma du robot de coloscopie proposé par [DARIO 99]…….58 

Figure 2.19. Photographie du robot de [PHEE 01]…………………………………………..59 

Figure 2.20. Effet accordéon obtenu avec le robot [PHEE 01]………………………………59 

Figure 2.21. Photographie du robot de [SLATKIN 95]……………………………………...60 

Figure 2.22. Mise en place du robot dans l'intestin du porc………………………………….60 

Figure 2.23. Coloscope en position contractée dans l'intestin……………………………….60 

Figure 2.24. Coloscope en position gonflée dans l'intestin…………………………………..60 

Figure 2.25.Tête d'outil du robot de [DOGRAMADZI 98] montrant les trois chambres de 

pression……………………………………………………………………………………….62 

Figure 2.26.Bobines en AMF montrant les ressorts en FMA permettant une extension de la 

tête du robot…………………………………………………………………….…………….62 

Figure 2.27. Photo du robot inclinable de [MENCIASSI 02]………………………………..63 

Figure 2.28.Photo de la tête télescopique du robot de [MENCIASSI 02]…………………...63 

Figure 2.29.Des essais dans l'intestin de porc………………………………………………..63 

Figure 2.30. Photo de la Structure de l'Endoscope…………………………………………...63 

Figure 2.31. Simulation de franchissement d'un obstacle……………………………………64 

Figure 2.32.Position des ressorts en FMA et autres actionneurs utiles………………………64 

Figure 2.33.Progression du sigmoïdoscope dans le modèle d'intestin……………………….64 

Figure 2.34. Conception d'un module simple………………………………………………...65 

Figure 2.35. Photo des modules.……………………………………………………………..65 

Figure 2.36.Photo des positions extrêmes du manipulateur de [PEIRS 00] de 8.5 mm de 

diamètre……………………………………………………………………………………….65 

Figure 2.37.Photo de la plate-forme hydraulique de [PEIRS 01]……………………………66 

Tableau 2.1. Tableau récapitulatif des caractéristiques de chaque partie distale présentée….67 

Figure 3.1. Schémas montrant la réaction de l'EDORA en présence de mouvement radiaux 

perturbateurs……………………………………………………………………………….….76 

Figure 3.2. Un FMA en flexion………………………………………………………………79 

Figure 3.3. Déformation du FMA en fonction de la pression………………………………..79 

Figure 3.4. Actionnement d'un bras rotatif par muscles artificiels…………………………..80 

Figure 3.5. Photo des différents types de mouvements donnés par un soufflet métallique : 

axial, angulaire et latéral……………………………………………………………………...80 

Figure 3.6. Schéma de la position des plates-formes et des soufflets………………………..82 

Figure 3.7. Schéma représentant la plate-forme inférieure de l'EDORA….……………...…..83 

Figure 3.8. Schéma représentant la plate-forme intermédiaire de l'EDORA…...……………84 

Figure 3.9. Schéma représentant la plate-forme supérieure de l'EDORA……………………85 

Figure 3.10. Vue éclatée de l'EDORA avant montage et collage…………………..………..86 

Figure 3.11. Photo de l'EDORA…………………...…………………………………………86 

Figure 3.12. Schéma représentant la position des capteurs de position sur la plate-forme 

supérieure de l'EDORA………………………………………………...……………………..87 




Figure 3.13. Schéma de la section de la fibre optique : la fibre émettrice et les fibres 

réceptrices…………………………………………………………………………………….89 

Figure 3.14. Photo d'un capteur à effet Hall…………………………………………….……90 

Figure 3.15. Schéma représentant la position des capteurs à effet Hall autour de la plateforme 

supérieure de l'EDORA…………………………...…………………………………...91 

Figure 3.16. Photo représentant la position des capteurs à effet Hall autour de la plate-forme 

supérieure de l'EDORA………………………...……………………………………………..92 

Figure 3.17. Schéma représentant le montage complet de la maquette de faisabilité………..94 

Figure 3.18. Photo de la maquette de faisabilité……………………………………………..94 

Figure 3.19. Implantation générale de l'EDORA dans son environnement……………...…..95 

Figure 3.20. Schéma synoptique de l'interface électronique…………………………………96 

Figure 3.21. IHM de commande de l'EDORA – Cockpit…………...…………………….....98 

Figure 3.22. Schéma de commande complet du robot – Simulink…………………………..99 

Figure 3.23. Photo de l'installation générale de la maquette de faisabilité…………………100 

Figure 3.24. Représentation de la liaison automatique-mécanique de la maquette de 

faisabilité…………………………………………………………………………………….100 

Figure 4.1. Schéma du premier étage de l'EDORA : positions des chambres déformables 

1, 2 et 3 et des angles θ 1 Ι et θ 1 ΙΙ ……………………………………….………………..105 

Figure 4.2. Schéma général du premier étage de l'EDORA avec les systèmes de 

coordonnées…………………………………………………………………………………105 

Figure 4.3. Représentation de l'évolution de l'angle θ II 

en fonction de la pression dans la 

première chambre déformable………………………………………………………………109 

Figure 4.4. Courbe représentant l'évolution de la longueur h en fonction de la pression dans 

les trois chambres déformables……………………………………………………………...109 

Figure 4.5. Photo de l'EDORA avec une pression dans la première chambre 

déformable…………………………………………………………………………………..110 

Figure 4.6. Photo de l'EDORA avec des pressions identiques dans les chambres 1 et 

2……………………………………………………………………………………………..110 

Figure 4.7. Vue de dessus du montage……………………………………………………...110 

Figure 4.8. Courbes expérimentale et calculée du capteur à effet Hall n°1………………...112 

Figure 4.9. L'EDORA muni de la gaine en caoutchouc…………………………………….114 

Figure 4.10. Schéma représentant les positions initiale et finale de l'EDORA-01.....……...114 

Figure 4.11. Réponse en distance de l'EDORA avec gaine de protection…….…………...114 

Figure 4.12. Montage expérimental………………………………………………………...115 

Figure 4.13. Flèche à l'extrémité de l'EDORA-01 en fonction de l'angle de rotation autour de 

z……………………………………………………………………………………………...115 

Figure 4.14. Raideur k de l'EDORA-01 en fonction de l'angle de rotation autour de z 

(120°)………………………………………………………………………………………..116 

Tableau 4.1. Evolution de la raideur k de l'EDORA-01 en fonction de la pression dans les 

chambres déformables, et pour un angle donné……………………………………………..117 

Figure 4.15. Réponse de la partie pneumatique à un échelon de courant…………………..118 

Figure 4.16. Réponse de la servovalve à un échelon de courant – agrandissement sur le début 

de la courbe………………………………………………………………………………….119 

Figure 4.17. Blocs diagrammes représentant le système global en boucle ouverte………...120 

Figure 4.18. Vue de dessus représentant les positions des chambres déformables par rapport 

aux emplacements des capteurs à effet Hall………………………………………………...121 




Figure 4.19. Réponse du système global à un échelon de commande en tension…………..122 

Figure 4.20. Réponse du système total à un échelon de commande en tension, dans des 

conditions optimums d'identification………………………………………………………..122 

Figure 4.21. Identification du système total à un échelon de commande en 

tension……………………………………………………………………………………….123 

Figure 4.22. Tracé du diagramme de Bode de la fonction de transfert (25)………………..125 

Figure 4.23. Tracé du diagramme de Bode des réponses en fréquences et des équations (25) et 

(26)…………………………………………………………………………………………..126 

Figure 5.1. Photo de l'EDORA-01, de l'aimant, des trois capteurs à effet Hall et de la table 

XY…………………………………………………………………………………………...132 


seule direction……………………………………………………………...………………..133 

Figure 5.3. Bloc diagramme simplifié de la commande en boucle fermée de l'EDORA-01, 

suivant une seule direction…………………………………………………………………..133 

Figure 5.4. Echelon et réponses du système en boucle fermée, avec différentes valeurs de 

gain…………………………………………………………………………………………..134 

Figure 5.5. Tracé du lieu des racines des deux fonctions de transfert (28) et (29)…………135 

Figure 5.6. Tracé du lieu des racines les deux fonctions de Transfert (28) et (29) : limite de 

stabilité………………………………………………………………………………………136 


seule direction, en considérant les perturbations……………………………..……………..137 

Figure 5.8. Vue de dessus du montage et consigne en position de l'EDORA-01 (17 

mm)………………………………………………………………………………………….137 

Figure 5.9. Evolution des distances X, Y (a) et des distances 1, 2 et 3 (b) lors d'un 

mouvement aléatoire de la table XY et sans asservissement………………………………..138 

Figure 5.10. Evolution des distances X et 1 (a) et des pressions (b) lors d'un mouvement 

aléatoire suivant l'axe X de la table XY (Y = constante)……………………………………139 

Figure 5.11. Evolution des distances (b) et des pressions (c) lors d'un aléatoire de la table XY 

suivant les deux directions (a)……………………………………………………………….140 

Figure 5.12. Figure montrant la réponse du capteur à fibres optiques en fonction de sa 

distance à la paroi de l'intestin : mesures établies à l'UTC par Christine Prelle et Frédéric 

Lamarque……………………………………………………………...…………………….141 

Figure 5.13. Photo de l'adaptateur en PVC placé sur l'EDORA-01 et intégrant les fibres 

optiques……………………………………………………………………………….……..143 

Figure 5.14. Adaptateur en PVC pour le placement des fibres optiques sur l'EDORA- 

01………………………………………………………………………………………...…..143 

Figure 5.15. Courbe caractéristique de conversion tension/distance pour la troisième fibre 

optique……………………………………………………………………………………….144 

Figure 5.16. Schéma représentant les distances d1, d2 et d3 des fibres optiques et la position 

de l'EDORA-01 dans le tuyau………………………………..……………………….……..145 

Figure 5.17. Distance entre chaque fibre optique et la paroi du tuyau……………………..145 

Figure 5.18. Position du centre O', de la plate-forme supérieure de l'EDORA-01, dans le 

tuyau…………………………………………………………………………………………146 

Figure 5.19. Position du point O' dans le plan (O", x, y)…………………………….……..146 

Figure 5.20. Positions extrêmes de l'EDORA-01 dans le tuyau…………...…….…………147 

Figure 5.21. Position de l'EDORA-01 dans le plan (x, z)…………………….…………….148 




Figure 5.22. Position de l'EDORA-01 dans le plan (y, z)……………………………….….148 

Figure 5.23. Photo du nouveau prototype en silicone………………………………………155 

Figure A2.1. Représentation d'un côlon en 3D (IRCAD) pour des essais d'opération en réalité 

virtuelle……………………………………………………………………………………...179 

Figure A2.2. Schéma du gonflement de l'abdomen pendant une opération de laparoscopie.181 

Figure A2.3. Photo des trois bras manipulateur du robot de laparoscopie ZEUS………….181 

Figure A2.4.Le système HERMES TM ………………………………………………………182 

Figure A2.5.Le chirurgien manipulant à distance les bras de robot ZEUS…………………182 

Figure A2.6.Schéma de l'endo plate-forme……………………………………….…….…..183 

Figure A2.7.Photo de l'endo plate-forme inclinée……………………………….…………183 

Figure A2.8. Liaisons rotoïdes de la structure présentée par [DE SARS 02]………………183 

Figure A2.9. Photo d'une prothèse du fémur pour de la chirurgie de remplacement total de la 

hanche……………………………………………………………………………………….186 

Figure A2.10. Photo en rayons-X qui montre une dislocation des composants de la prothèse 

de la hanche………………………………………………………………………………….186 

Tableau A3.1. Tableau présentant les caractéristiques des soufflets proposés par 

[ACCES]…………………………………………………………………………………….189 

Figure A3.1. Points A, B et C : les positions des chambres déformables…………………..190 

Figure A4.1. Schéma général du premier étage de l'EDORA avec les systèmes de 

coordonnées…………………………………………………………………………………191 

Figure A4.2. Schéma représentant le rayon r et la position des trois chambres déformables 1, 

2 et 3…………………………………………………………………………………………192 

Figure A5.1. Schéma représentant une chambre déformable et les forces appliquées……..196 







RESUME 

La Robotique trouve de plus en plus ses repères dans le monde de la Médecine. En Chirurgie, 

elle participe activement au développement de nouvelles méthodes opératoires et complète le savoir 

faire des chirurgiens. Cette approche est de plus en plus recherchée ; l'efficacité du chirurgien s'en 

trouve renforcée. 

Suite à de nombreuses discussions, notamment avec des chirurgiens gastro-entérologues, nous 

proposons une nouvelle structure robotique permettant d'améliorer les conditions d'intervention en 

coloscopie. Effectivement, ces spécialistes insistent sur le fait que de trop nombreux préjudices sont 

causés aux parois intestinales lors de cette intervention. Celle-ci consiste à explorer l'intérieur du côlon 

pour confirmer un diagnostic ou, plus fréquemment, pour intervenir en cas de détections préalables 

d'anomalies pouvant évoluer en cancer. 

Nous proposons de reconsidérer la partie distale du coloscope dans le but de limiter ses contacts 

avec l'intestin. L'intelligence de ce nouvel actionneur réside dans sa capacité à se tenir toujours éloigné 

des parois intestinales ; cela est réalisé par une régulation consistant à rester au centre de l'intestin. 

La conception de l'actionneur spécifique EDORA (Extrémité Distale à ORientation 

Automatique) a été nécessaire. Il utilise des soufflets métalliques et un actionnement électropneumatique. 

Une maquette de faisabilité le mettant en œuvre, montre ses réactions en inclinaison par 

rapport aux mouvements transversaux perturbateurs. Son modèle mathématique a été établi, et validé 

expérimentalement. Suite à une étude découplée du système pneumatique-mécanique, un modèle de 

comportement est présenté en utilisant la méthode d'identification proposée par Levenberg-Marquardt. 

Il est validé et conforté par des essais expérimentaux. 

EDORA-01 est équipé de 3 capteurs optiques sans contact qui permettent d'estimer la position 

de la tête du coloscope par rapport à la paroi. Les trois informations obtenues pilotent les trois 

asservissements de pression dans les trois chambres de l'EDORA-01. Ces commandes permettent de 

maintenir au mieux la tête du coloscope au centre d'un tube représentant le côlon. L'efficacité de la 

commande étant prouvée, elle pourra être appliquée ultérieurement sur un prototype plus abouti. 

Mots clés : Robotique Chirurgicale, Coloscopie, Chirurgie Minimalement Invasive 

ABSTRACT 

The field of robotics is increasingly finding its place in the medical world. Taking an active part 

in the development of new operational methods, robotic technologies also supplement the task of the 

surgeon in the operating theatre. Due to their effectiveness in reinforcing the surgeons performance, 

robotic solutions are becoming increasingly required. 

After consulting thoroughly with specialists, in particular with gastro-enterologists, a new 

robotic structure has been proposed to allow improved conditions for the procedure of colonoscopy. 

This is in order to reduce the common injuries involving contact with the intestinal wall during the 

operation, which consists of exploring the colon to confirm a diagnosis or, more frequently, to 

intervene in the event of the detection of anomalies capable of evolving into cancer. 

It is proposed to redesign the distal segment of the colonoscope with the aim of limiting its 

contact with the intestine. The automation of this new actuator lies in its capacity to sense and control 

its distance from the intestinal wall. 

The design of a specific actuator EDORA (Distale Extremity with Automatique ORientation)is 

performed, using metal bellows and an electro-pneumatic actuation. A feasibility model indicated that 

the actuator reacts in a differential relationship to its transverse movements. A static mathematical 

model was formulated, and validated. Thanks to a uncoupled study from the pneumatic-mechanic 

system, a matched model is presented by using the Levenberg-Marquardt identification method. It is 

validated and consolidated by experimental tests. 

The EDORA-01 is equipped with 3 optical sensors without contact which make possible to 

estimate the position of the head of the coloscope compared to the wall. The three informations 

obtained control the three pressures in the three rooms of the EDORA-01. These controls make 

possible to maintain the head of the coloscope in the center of a tube representing the colon. The 

control efficiency being proven, it could be applied later on to a new prototype. 

Keywords : Surgical Robotics, Colonoscopie, Minimaly Invasive Surgery

FOLIO ADMINISTRATIF 

THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON 

NOM : THOMANN DATE de SOUTENANCE : 27 / 11 / 2003 

(avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant) 

Prénoms : Guillaume, Yves, Christian 

TITRE : Contribution à la Chirurgie Minimalement Invasive : Conception d'un Coloscope Intelligent 

NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 03 ISAL 0064 

Ecole doctorale : Electronique Electrotechnique et Automatique 

Spécialité : Automatique Industrielle 

Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19 / et bis CLASSE : 

RESUME : 

La Robotique trouve de plus en plus ses repères dans le monde de la Médecine. En Chirurgie, elle 

participe activement au développement de nouvelles méthodes opératoires et complète le savoir faire des 

chirurgiens. Cette approche est de plus en plus recherchée ; l'efficacité du chirurgien s'en trouve renforcée. 

Suite à de nombreuses discussions, notamment avec des chirurgiens gastro-entérologues, nous proposons 

une nouvelle structure robotique permettant d'améliorer les conditions d'intervention en coloscopie. Effectivement, 

ces spécialistes insistent sur le fait que de trop nombreux préjudices sont causés aux parois intestinales lors de cette 

intervention. Celle-ci consiste à explorer l'intérieur du côlon pour confirmer un diagnostic ou, plus fréquemment, 

pour intervenir en cas de détections préalables d'anomalies pouvant évoluer en cancer. 

Nous proposons de reconsidérer la partie distale du coloscope dans le but de limiter ses contacts avec 

l'intestin. L'intelligence de ce nouvel actionneur réside dans sa capacité à se tenir toujours éloigné des parois 

intestinales ; cela est réalisé par une régulation consistant à rester au centre de l'intestin. 

La conception de l'actionneur spécifique EDORA a été nécessaire. Il utilise des soufflets métalliques et 

un actionnement électro-pneumatique. Une maquette de faisabilité le mettant en œuvre, montre ses réactions en 

inclinaison par rapport aux mouvements transversaux perturbateurs. Son modèle mathématique a été établi, et 

validé expérimentalement. Suite à une étude découplée du système pneumatique-mécanique, un modèle de 

comportement est présenté en utilisant la méthode d'identification proposée par Levenberg-Marquardt. Il est validé 

et conforté par des essais expérimentaux. 

EDORA-01 est équipé de 3 capteurs optiques sans contact qui permettent d'estimer la position de la tête 

du coloscope par rapport à la paroi. Les trois informations obtenues pilotent les trois asservissements de pression 

dans les trois chambres d'EDORA-01. Ces commandes permettent de maintenir au mieux la tête du coloscope au 

centre d'un tube représentant le côlon. L'efficacité de la commande étant prouvée, elle pourra être appliquée 

ultérieurement sur un nouveau prototype plus abouti. 

MOTS-CLES : Robotique Chirurgicale, Endoscopie Médicale, Coloscopie, Chirurgie Minimalement Invasive 

Laboratoire (s) de recherches : Laboratoire d'Automatique Industrielle, INSA de Lyon 

Directeurs de thèse: Tanneguy REDARCE et Maurice BETEMPS 

Président de jury : Etienne DOMBRE 

Composition du jury : Maurice BETEMPS, Alain BOURJAULT, Etienne DOMBRE, 

Jean-Paul LALLEMAND, Thierry PONCHON, Tanneguy REDARCE, 

Alain JUTARD (invité)

Contribution à la Chirurgie Minimalement Invasive : Conception d'un ...

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