Collaborative hands-on training on haptic simulators

Angel Ricardo Licona Rodriguez
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Depuis les débuts de la médecine, les étudiants en médecine s’entraînent sur des simulateurs (animaux, cadavres, mannequins) afin d’acquérir puis enrichir leurs compétences médicales, dont notamment celles nécessitant des gestes précis. C’est un moyen de faire des erreurs sans blesser de patient. Pourtant, ces simulateurs manquent souvent de réalisme, s’usent …

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Description

Collaborative hands-on training on haptic simulators / Angel Ricardo Licona Rodriguez ; sous la direction de Arnaud Lelevé et de Minh Tu Pham

  • Auteur : Licona Rodriguez, Angel Ricardo (1988-...)
  • Co-auteur : Lelevé, Arnaud ; Pham, Minh Tu
  • Co-auteur collectivité : Université de Lyon, 2015-.... ; École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique, Lyon ; Institut national des sciences appliquées de Lyon, Lyon ; AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications, Rhône
  • Année de publication : 2020
  • Résumé : Depuis les débuts de la médecine, les étudiants en médecine s’entraînent sur des simulateurs (animaux, cadavres, mannequins) afin d’acquérir puis enrichir leurs compétences médicales, dont notamment celles nécessitant des gestes précis. C’est un moyen de faire des erreurs sans blesser de patient. Pourtant, ces simulateurs manquent souvent de réalisme, s’usent et finissent par coûter cher sur le long terme. Depuis plusieurs décennies, les technologies de simulation informatique ont enrichi le panel des simulateurs médicaux, et aujourd’hui les technologies haptiques offrent désormais un réalisme encore accru. Cependant, ces simulateurs haptiques n’intègrent pas le formateur dans la simulation, ce qui empêche de former les apprenant sur des gestes impliquant à la fois des trajectoires et des interactions outil/environnement où les efforts doivent être subtilement dosés et donc maîtrisés. Dans les travaux de recherche récents, des architectures dual-user (à deux utilisateurs) de simulateurs dédiés à la formation au geste ont été proposés ces dernières années, mais l’étude bibliographique proposée dans ce document démontre qu’aucun d’entre eux n’a été conçu dans ce sens : un retour haptique est proposé à l’apprenant mais le formateur n’a pas la possibilité de montrer simultanément la position des outils et les efforts à appliquer dessus. Récemment M. Fei Liu a conçu une solution à ce besoin (l’architecture dual-user ESC - Energy Shared Control), fondée sur une approche énergétique garantissant la passivité et donc la stabilité du), utilisable avec un dispositif esclave réel ou virtuel, et intégrant un mécanisme d’autorité adaptative (Adaptive Authority Adjustment - AAA) permettant au formateur de reprendre la main instantanément à partir du moment où l’apprenant dévie de la trajectoire désirée par le formateur. Cependant, cette solution se limitait à un seul degré de liberté et ce mécanisme d’autorité adaptative nécessitait de régler laborieusement trois paramètres peu intuitifs. Les solutions proposées dans ce mémoire poursuivent donc les travaux de M. Liu en améliorant l’architecture ESC afin de l’étendre à des dispositifs à plusieurs degrés de liberté, ayant potentiellement des cinématiques différentes (surtout le dispositif esclave par rapport aux dispositifs maîtres) et à plusieurs apprenants simultanés. Une amélioration de la fonction AAA est proposée ainsi que des profils d’utilisation dépendant du niveau de l’apprenant. Une première série de retours d’usage a été réalisée afin de déterminer l’intérêt pédagogique de cette fonction. Les résultats ne permettant pas de conclure, des préconisations sont proposées pour une deuxième série.;
  • Résumé : Medical students can use training simulators to improve their skills in a faster way using advanced tools that could give them quantitative feedback about their performance. Nowadays there are some haptic simulators used in several areas of medical education. However, most of these simulators can be used by only one user at the time, with no possible ways to perform guided training. Besides, these simulators lack an internal architecture that allows them to be expanded into multiple users or multiple devices. Expanding these simulators to a multi-user system can lead to parallel teaching. To develop a multi-user haptic simulator, it is necessary to establish an architecture that offers stability, position tracking and haptic force feedback for each involved device. The trainer and trainees will be able to manipulate the slave (either a real robot handling a surgical tool or a numeric simulation) system using their proper Master haptic devices to perform the surgical task. The architecture must offer an authority-sharing mechanism that ensures the dominance of allowed users during the training and a proper estimation of the slave’s environment forces fed back to for each user. The following thesis shows the results obtained with the implementation of a previously proposed architecture, expansion it into n-DoF (in angular and cartesian workspace) and that can be used with devices that do not share the same kinematic configuration. The new architecture also allows implementing m-trainee consoles to expand the number of users that can learn from an experienced trainer at the same time. The expansion of the system, evaluation of transparency and results obtained for free motion and contact cases are shown. A new adaptative dominance function is also proposed that present some advantages over the ones proposed in the bibliography. The results of a study of how much this function aids trainees in the learning process is also detailed with the used test bank and a proposed protocol. Finally, its detailed future work that can be done to improve the architecture as well the necessaries studies that will probe its functionality.
  • Note de travail universitaire : Thèse de doctorat
  • Sujet - Nom commun : Robotique en médecine | Simulateurs | Toucher | Apprentissage interactif
  • Sujet - Forme, genre, caractéristique physique : Thèses et écrits académiques
  • Sujet : Architecture de contrôle | Apprentissage pratique | Dispositif virtuel | Haptique | Simulateur apprentissage | Apprentissage | Simulateur médicaux | Robotique médicale | Medical computing | Medical simulators | Learning | Learning simulator | Haptics | Virtual device | Hands-On learning | Control architecture

  • http://www.theses.fr/2020LYSEI018/document : Accès au texte intégral | http://theses.insa-lyon.fr/publication/2020LYSEI018/these.pdf | https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03078482
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    Auteur principal : Angel Ricardo Licona Rodriguez

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