Les fantômes d’eau sont des outils essentiels pour assurer l’étalonnage précis des machines de radiothérapie et des traitements efficaces en utilisant l’eau comme moyen de simulation des tissus humains. Dans ce mémoire, nous présentons toutes les étapes de la synthèse, de la création d’un prototype et du contrôle d’un nouveau fantôme d’eau automatisé basé sur un robot parallèle à câbles de 5 degrés de liberté. Ce système pourrait offrir plusieurs avantages par rapport aux fantômes d’eau existants, notamment un mouvement plus rapide et la capacité d’effectuer des mesures angulaires grâce à sa plage de rotation continue de 90 degrés.

Notre approche a commencé par l’identification de l’architecture la plus appropriée pour le robot, impliquant le calcul de l’espace des torseurs faisables en force pour toutes les configurations 5-DDL avec 8 câbles, en fonction de nos points d’attache de câbles prédéfinis. Un algorithme d’élagage a été développé pour éliminer rapidement les architectures qui ne couvraient pas la plage de rotations souhaitée, facilitant ainsi l’identification de l’architecture optimale. De plus, nous avons conçu une méthode pour calculer un espace de travail rotationnel sans interférence pour notre conception choisie.

En termes de contrôle, nous avons détaillé le schéma de contrôle, la planification de la trajectoire, le problème géométrique direct et les matrices Jacobiennes pour notre robot parallèle à câbles de 5-DDL. En outre, nous avons résolu le défi de la singularité de représentation rencontré dans notre projet, en adoptant une représentation vectorielle unitaire pour l’orientation.

Le processus de conception du robot a été méticuleusement décrit, y compris la justification de la sélection des composants. Nous avons divisé le prototype global en trois sections principales:​ la structure, les systèmes de treuil et les poulies pivotantes, en fournissant des informations détaillées sur chacune. Le processus de calibrage du robot a également été discuté, ainsi que les défis rencontrés.

Enfin, nous avons mené un test sous une machine de radiothérapie, cartographiant le rayonnement avec le capteur d’ionisation connecté à l’effecteur final. Bien que nous ayons compté uniquement sur l’encodeur du moteur pour la rétroaction de position et que cette méthode manque de la précision nécessaire pour cette application, les résultats étaient très prometteurs. Notre conception innovante de fantôme d’eau démontre le potentiel comme nouvelle méthode efficace et précise pour l’étalonnage des machines de radiothérapie, avec la capacité d’améliorer considérablement les résultats pour les patients dans la pratique clinique.

Water phantoms are critical tools for ensuring the accurate calibration of radiotherapy machines and effective treatments by using water as a medium for simulating human tissue. In this memoir, we present all the steps of synthesizing, prototyping and controlling a novel automated water phantom based on a 5-degree-of-freedom cable-driven parallel robot. The system could offer several advantages over existing water phantoms, including faster movement and the ability to perform angular measurements due to its 90-degree continuous range of rotation.

Our approach began with identifying the most suitable architecture for the robot, involving the calculation of the wrench-feasible workspace for all the 5-DoF configurations with 8 cables, based on our predetermined cable attachment points. A pruning algorithm was developed to rapidly eliminate architectures that failed to cover the desired range of rotations, thereby facilitating the easier identification of the optimal architecture. Furthermore, we devised a method to calculate an interference-free rotational workspace for our chosen design.

In terms of control, we detailed the control schematic, trajectory planning, forward kinematics, and Jacobian matrices for our 5-DoF CDPR. Furthermore, we addressed the challenge of representation singularity encountered in our project, resolving it by adopting a unit vector representation for orientation.

The design process of the robot was meticulously outlined, including the rationale behind component selection. We divided the overall prototype into three main sections:​ the structure, winch systems, and swivel pulleys, providing detailed insights into each. The calibration process of the robot was also discussed, along with the challenges encountered.

Finally, we conducted a test under a radiotherapy machine, mapping radiation with the ionization sensor connected to the end-effector. Although we relied solely on the motor’s encoder for position feedback, which lacks the precision needed for this application, the results were very promising. Our innovative water phantom design demonstrates potential as a new, efficient, and precise method for calibrating radiotherapy machines, with the capability to significantly improve patient outcomes in clinical practice.