Exercice Sous-partie 2 (Choix 1) - Analyse du bras robotis… · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2021 (sujet 1)

Partie 1: Sciences de l'ingénieur

Système de télé-échographie robotisé: « MELODY »

Mise en situation

Une échographie médicale est un acte permettant de contrôler le bon fonctionnement d'organes (ou d'observer la croissance d'un fœtus lors d'une échographie obstétricale, photo ci-contre) et le cas échéant de déceler certaines pathologies. Cette observation « non invasive » et sans danger pour le patient est réalisée à l'aide d'une sonde échographique ultrasonore manipulée par un médecin « au plus près » du patient.

Cette proximité nécessite une manipulation précise de la sonde par le praticien afin de procéder à une exploration la plus complète possible de l'organe observé (ou de la zone à observer).

Le système d'échographie télé-robotisée à distance MELODY permet à un médecin ou praticien « expert » de réaliser un diagnostic en temps réel et à distance d'un patient.

Ce système repose sur l'architecture innovante suivante:

Un centre « expert » distant du lieu d'examen réel, avec un médecin « imageur » manipulant une « sonde fictive » similaire à une sonde réelle d'échographie, permet une prise de contrôle rapide et ergonomique à distance du robot.

L'ensemble est complété par un système de visioconférence permettant au médecin « imageur » distant de voir, de dialoguer et d'interagir avec son patient ainsi rassuré. En outre, l'ensemble des sites « experts » sont connectables aux sites « patients » existants, autorisant la mutualisation des diagnostics et la télé-expertise entre praticiens.

À l'autre extrémité, un professionnel de santé ne connaissant pas l'échographie (médecin généraliste, infirmier, aide-soignant, etc.) accompagne le patient et assiste le médecin « imageur » en positionnant le robot équipé d'une sonde réelle échographique sur le patient.

Dès lors, et après une procédure spécifique de prise de repères (synchronisation entre la position de la sonde fictive et celle réelle du bras par rapport au positionnement du patient distant), ce robot va reproduire avec précision tous les mouvements initiés par le médecin « imageur ».

Le système d'échographie à distance MELODY permet donc de répondre à une double problématique grandissante: celle de la désertification médicale, et celle du manque de médecins experts en échographie contraignant les patients à des déplacements importants pouvant entraîner des surcoûts en frais médicaux.

Partant de ce constat, ce « robot échographique » permet d'atteindre n'importe quel patient à proximité de son domicile. Son adaptation à des territoires isolés, reculés, à des populations éloignées, n'ayant pas accès au diagnostic médical échographique, lui confère une grande attractivité.

À noter également qu'en cas de pandémies (maladies infectieuses à grande échelle géographique), ces praticiens ne sont pas exposés aux patients et peuvent ainsi poursuivre leurs diagnostics en toute sécurité.

La figure ci-dessous représente le diagramme SysML de « cas d'utilisation » du robot Melody. Ce diagramme montre les services et interactions fonctionnelles proposés par ce produit.

Sous-Partie 2 - Choix 1

Analyse du bras robotisé et de son pied porteur.

L'objectif de cette sous-partie est d'analyser et de montrer la capacité du pied porteur du robot à équilibrer le poids de ce bras robotisé et ainsi de garantir un positionnement optimal de la sonde échographique, avec l'aide de l'opérateur, directement au contact de la surface de la peau du patient.

La partie opérative du robot MELODY est composée d'une structure de maintien accrochée au pied porteur et équipée de deux poignées permettant à l'opérateur de positionner la sonde sur la partie du corps concernée par l'échographie. Cette structure supporte un ensemble de bras pouvant pivoter autour de trois axes.

La figure suivante permet d'observer la position des bras du robot pour une observation d'un cône échographique maximal.

Les trois rotations sont rendues possibles par trois motoréducteurs à courant continu entraînant des engrenages reliés par des courroies.

Question 1.10

À l'aide du diagramme des exigences (figure 2), préciser les exigences (en termes de normes ISO) concernant le matériau de la pièce 1 (Base) en contact avec la peau du patient (voir figure ci-dessous). La pièce 2 (Sonde réelle) est soumise aux mêmes exigences mais n'est pas fournie avec le robot MELODY.

Proposer un matériau pour chaque élément - la base et la sonde réelle - en adéquation avec les normes ISO imposées, ainsi que leur couleur.

Question 1.11

À l'aide du diagramme SysML des exigences (figure 2): extraire la valeur de la force ponctuelle $F_{S/C}$ maximale que la sonde réelle peut appliquer sur le corps du patient; en déduire la raideur (k) en N·cm⁻¹ du ressort placé au-dessus de la sonde réelle.

La suite de l'étude porte sur l'analyse du pied porteur du robot Melody (figure suivante). On souhaite vérifier le basculement de ce pied porteur dans le cas le plus défavorable qui correspond à la situation où le bras est complètement déployé.

Question 1.12

Justifier que la situation avec le bras déployé ait été retenue comme cas le plus défavorable.

Données: masse du pied porteur $m_1 = 60$ kg; la masse du robot Melody sera notée $m_2$; G1: centre de gravité du pied porteur avec le bras déployé; G2: centre de gravité du robot Melody; on prend $g = 9{,}81$ m·s⁻².

Avec l'hypothèse d'un modèle plan, on considère l'ensemble pied porteur + robot Melody. Le point A représente le contact ponctuel des roues situées à droite du pied et le point B le contact ponctuel des deux roues situées à gauche du pied.

Question 1.13

En isolant le pied porteur et le robot Melody, établir un bilan des actions mécaniques et les dessiner sur le document réponse DR3 (le calcul des réactions d'appui n'est pas demandé).

Nom · Point d'application · Sens · Direction · Norme

Question 1.14

Au repos, préciser le point de basculement du pied porteur.

Question 1.15

En appliquant le Principe Fondamental de la Statique au point A, déterminer la norme de la réaction d'appui au point B sachant que la masse du robot Melody est de 4 kg.

Sachant que la limite de basculement correspond à une réaction d'appui au point B nulle, conclure quant au risque de basculement de l'ensemble pied « porteur + robot ».