Simulation du mécanisme de compensation de la gravité sur le robot chirurgical DEXTER avec Ansys Workbench
Secteur: Santé, Technique médicaleDiscipline: Mécanique des structuresDistalmotion est une entreprise suisse de dispositifs médicaux qui établit de nouvelles normes pour les patients en chirurgie générale, en gynécologie et en urologie afin de leur permettre d'obtenir les meilleurs soins mini-invasifs. À ce titre, elle a développé le robot chirurgical Dexter, qui combine les avantages de la laparoscopie et de la robotique. La simulation a permis d'identifier le mode de défaillance du système de transmission pour optimiser la conception.
Résumé
Tâche
Sur le robot chirurgical Dexter, la console du chirurgien est un élément clé du système, responsable de capter précisément les mouvements de l’opérateur afin de les transmettre vers les bras robotiques qui actionnent les instruments chirurgicaux. Le projet, durant la réalisation d’un prototype fonctionnel, a pour but d’identifier le mode de défaillance du système de transmission et d’optimiser son design.
Solution
La simulation a permis de grandement simplifier le design final en supprimant le bras intermédiaire, permettant de réduire la déformation totale de 50% afin d’avoir un comportement homogène quelle que soit la position.
Avantages clients
Distalmotion bénéficie doublement de la relation avec CADFEM qui lui apporte son soutien au travers du Ansys Startup Program et pour la réalisation de simulation, lui permettant ainsi de fiabiliser rapidement son produit.
Sur le robot chirurgical Dexter, la console du chirurgien est un élément clé du système, car il est responsable de capter précisément les mouvements de l’opérateur afin de les transmettre vers les bras robotiques qui actionnent les instruments chirurgicaux. Ces mouvements sont réceptionnés par l’intermédiaire de bras maîtres, passifs, servant de support aux différents capteurs. Afin que le chirurgien conserve la plus grande précision de mouvement et que le système retranscrive ces mouvements avec finesse, il est impératif que ces bras maîtres présentent une résistance aussi faible que possible. Ceci implique que la force nécessaire au déplacement de ces bras soit réduite et constante sur la totalité de l’espace de travail. Dans cet objectif, la force de gravité due aux masses des éléments en mouvement doit être compensée le plus justement possible selon la position du bras maître. Le système d’équilibrage pour les deux degrés de liberté soumis à la gravité de manière significative est passif, la force de compensation étant fournie uniquement par des ressorts de compression linéaires.
Lors de la réalisation d’un prototype fonctionnel, il a été observé que le mécanisme de compensation fonctionnait parfaitement pour le premier degré de liberté, mais n’était pas optimal pour le second avec une force de déplacement variable et perceptible qui se manifestait dans certaines zones de l’espace de travail. Il a rapidement été identifié que le problème venait du système de transmission des forces entre le premier et le second degré de liberté, un mécanisme à parallélogramme. Ce projet a donc pour but d’identifier le mode de défaillance du système de transmission et d’optimiser son design afin d’atteindre les objectifs en termes de manipulabilité.
La simulation structurelle a permis d’économiser de coûteuses étapes d’essai, permettant d’arriver à une solution rapidement tout en simplifiant le design. L’analyse a aussi renforcé la compréhension des différents efforts en jeu dans la transmission et de converger vers une solution permettant d’atteindre les spécifications attendues de la part des utilisateurs. En plus, l’accès à l’Ansys Startup Program proposé par CADFEM, a permis à Distalmotion d’intégrer la simulation dans ses process de R&D pour accélérer le développement du produit, dès la création de l’entreprise, tout en limitant l’impact financier.
L’analyse structurelle du design initial a permis d’identifier rapidement le mode de défaillance de la transmission, soit une déformation excessive du parallélogramme dû à un design suboptimal et à une charge en torsion sous-estimée. Les simulations ont été réalisées dans Ansys Workbench au travers du module d’analyse statique. La simulation a permis de grandement simplifier le design final en supprimant le bras intermédiaire qui amenait une fragilité en torsion et en ajustant le choix du matériau permettant de réduire la déformation totale de 50% afin d’avoir un comportement homogène quelle que soit la position.