Etude de l’appropriation d’un système de téléopération dans l’optique d’une Coopération Homme-Machine
le 15 Mars 2004
JURY : J.M. Hoc A. Pruski P. Rabardel P. Hoppenot E. Colle D. Mestre ___________________________________________________________________________ Co-directeurs de thèse : Pr. Etienne Colle et Dr. Daniel Mestre Laboratoire Systèmes Complexes, IUP d’Evry, 40 rue du Pelvoux, 91020 Evry Laboratoire Mouvement et Perception, Aix-Marseille II, 163 av. de Luminy, 13288 Marseille Remerciements
Etant donné le caractère pluridisciplinaire de cette thèse ayant nécessité des allers- retours fréquents entre mon laboratoire de robotique de la région parisienne et les diverses structures neuroscientifiques de Marseille, via l’Auvergne, une page ne suffirait pas à remercier l’ensemble des personnes dont je suis redevable. Néanmoins, j’ai tâché ici de ne pas omettre de citer certains individus qui me tiennent particulièrement à cœur, et que je considère pour la plupart comme des amis, en m’excusant par avance auprès de ceux que j’aurais oublié. Tout d’abord, je voudrais exprimer ma profonde gratitude envers mes deux directeurs de thèse, messieurs Etienne Colle et Daniel Mestre. Le premier pour avoir fait confiance à un jeune étudiant en ...
THESE
présentée devant
l’UNIVERSITE D’EVRY – VAL D’ESSONNE
en vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE D’EVRY
Spécialité : Robotique & Neurosciences
par
Yves RYBARCZYK
Etude de l’appropriation d’un système de téléopération dans
l’optique d’une Coopération Homme-Machine
le 15 Mars 2004
JURY :
J.M. Hoc
A. Pruski
P. Rabardel
P. Hoppenot
E. Colle
D. Mestre
___________________________________________________________________________
Co-directeurs de thèse : Pr. Etienne Colle et Dr. Daniel Mestre
Laboratoire Systèmes Complexes, IUP d’Evry, 40 rue du Pelvoux, 91020 Evry
Laboratoire Mouvement et Perception, Aix-Marseille II, 163 av. de Luminy, 13288 Marseille Remerciements
Etant donné le caractère pluridisciplinaire de cette thèse ayant nécessité des allers-
retours fréquents entre mon laboratoire de robotique de la région parisienne et les diverses
structures neuroscientifiques de Marseille, via l’Auvergne, une page ne suffirait pas à
remercier l’ensemble des personnes dont je suis redevable. Néanmoins, j’ai tâché ici de ne pas
omettre de citer certains individus qui me tiennent particulièrement à cœur, et que je considère
pour la plupart comme des amis, en m’excusant par avance auprès de ceux que j’aurais oublié.
Tout d’abord, je voudrais exprimer ma profonde gratitude envers mes deux directeurs
de thèse, messieurs Etienne Colle et Daniel Mestre. Le premier pour avoir fait confiance à un
jeune étudiant en neuroscience de s’engager dans un projet de robotique et avoir eu la largeur
d’esprit de le laisser déborder dans des contrées où la psychologie l’emporte sur la
technologie. Daniel, pour m’avoir pris la main au moment de traverser cette frontière, afin de
me guider dans cette quête d’unification entre sciences humaines et sciences technologiques
qui fut la nôtre.
Au-delà de ces deux chefs d’orchestre, je tiens à remercier tous ces chercheurs qui
partagent souvent plus quotidiennement et plus directement les aléas de vos travaux. Je pense,
en particulier, à Philippe Hoppenot pour sa participation active au développement de notre
système. A Jean-Claude Lepecq dont les discutions et la culture ont fortement enrichi le
contenu scientifique de mon mémoire. Sans oublier tous ceux qui ont eu la patience de bien
vouloir se prêter à mes expériences malgré leur caractère parfois rébarbatif.
Je ne puis finir sans saluer mes proches, amis de la Cité Internationale Universitaire de
Paris ou membres de ma famille, car ce sont eux qui vous parlent entre mes lignes. Chye
(mon frère malaisien), Danielo (o meu amigo do Brasil) et tous les autres dont les origines
tant intellectuelles que culturelles vous aident à relativiser vos problèmes scientifiques. Mon
frère qui a su me faire partager sa soif de connaissance et sans laquelle ce travail n’aurait très
certainement jamais vu le jour. Mon père qui a toujours encouragé ses enfants à poursuivre
dans la voie qu’ils avaient choisi. Ma mère dont le soutien fut précieux pour passer les
moments difficiles. Enfin, ma compagne Clara dont la douceur et la gentillesse m’ont apporté
les armes pour combattre mon plus féroce adversaire de ces dernières années : le doute.
2Table des matières
Chapitre 1 / INTRODUCTION 7
I. Problématique 7
II. La Coopération Homme-Machine (CHM) 8
III. Les caractéristiques d’une situation de téléopération 11
III.1. Définition 11
III.2. Etat de l’art sur les engins de téléopération 13
III.2.1. Engins aériens 13
III.2.2. Engins sous-marins 14
III.2.3. Engins terrestres 15
III.2.4. Domaine médical 17
III.2.5. Assistance à l’handicap 19
III.3. Contraintes techniques 21 .4. humaines 22
III.4.1. Limitations visuelles .4.2. Lproprioceptives 24
III.4.3. Discordances visuo-kinesthésiques 25
IV. La notion d’appropriation 25
IV.1. L’approche instrumentale 25
IV.2. Le concept d’adaptation 27
IV.3. Evaluation de l’appropriation 29
V. Conception ergonomique 32
V.1. Approche anthropomorphique 33
V.2. Application et hypothèse 36
3
VI. Organisation générale des chapitres 37
Chapitre 2 / ASPECT MORPHOLOGIQUE : POSITIONNEMENT DU
REFERENTIEL VISUEL PAR RAPPORT A L’ORGANE PREHENSEUR
Résumé 39
I. Cadre d’étude 40
I.1. Organisation de l’espace qui nous entoure 40
I.1.1. Point de vue psychophysique 40
I.1.2. Point de vue neuropsychologique 44
I.1.3. Point de vue neurophysiologique 46
I.2. Propriétés dynamiques du schéma corporel 52
II. Objectifs expérimentaux 56
III. Matériel expérimental : le robot manipulateur MANUS 57
IV. Evaluation de l’appropriation par rapport à la référence humaine 59
IV.1. Protocole expérimental 61
IV.1.1. Sujets V.1.2. Conditions 61
IV.1.3. Procédure 63 V.2. Résultats 65
IV.3. Discussion 67
V. Modulation de l’excentricité de la caméra par rapport au bras 71
V.1. Protocole expérimental 73
V.1.1. Sujets
V.1.2. Conditions 73
V.1.3. Procédure75
V.2. Résultats 76
4 V.3. Discussion 77
VI. Analyse de la dimension motrice du contrôle à distance 80
VI.1. Protocole expérimental 84 I.1.1. Sujets
VI.1.2. Conditions 84 I.1.3. Procédure 85
VI.2. Résultats 86
VI.2.1. Taux de réussite
VI.2.2. Temps d’exécution du mouvement 87
VI.2.3. Erreur spatial 89
VI.2.4. Coordination motrice 91
Synchronisation bras/pince 91
Initiation de l’ouverture de la pince 93
VI.3. Discussion 94
VII. Conclusions 96
Chapitre 3 / ASPECT MORPHO-FONCTIONNEL : IMPLEMENTATION DE
MECANISMES D’ANTICIPATION VISUO-MOTRICE
Résumé 99
I. Cadre d’étude 100
I.1. L’information visuelle en tant que facteur critique 100
I.2. L’anticipation visuo-motrice comme solution comportementale 102
II. Matériel expérimental : le système télérobotique ARPH 105
III. Implémentation suivant un modèle non anthropomorphique 107
III.1. Description du modèle « plate-forme » 107
III.2. Protocole expérimental 108 .2.1. Sujets
5 III.2.2. Conditions 109 .2.3. Procédure .3. Résultats 110
III.3.1. Temps d’exécution du parcours
III.3.2. Nombre de collisions 112
III.3.3. Nombre d’arrêts 114
III.3.4. Lissage des trajectoires 116
III.3.5. Relation vitesse/courbure 120
III.4. Discussion 123
IV. Implémentation suivant un modèle anthropomorphique 126
IV.1. Description du modèle caméra 126
IV.2. Protocole expérimental 129
IV.2.1. Sujets V.2.2. Conditions 130
IV.2.3. Procédure V.3. Résultats 131
IV.3.1. Temps d’exécution du parcours
IV.3.2. Nombre de collisions 133
IV.3.3. Nombre d’arrêts 134
IV.3.4. Lissage des trajectoires 136
IV.3.5. Relation vitesse/courbure 139
IV.4. Discussion 141
V. Conclusions 144
Chapitre 4 / CONCLUSIONS GENERALES 149
Bibliographie 159
6Introduction
I. Problématique
La source majeure des difficultés que rencontre un opérateur humain placé dans une
situation de téléopération réside dans l’écart physique et fonctionnel existant entre l’homme et
la machine. Ici, l’individu n’agit qu’indirectement sur l’environnement, par l’intermédiaire
d’un système robotique, et ne perçoit également qu’indirectement les résultats de son action,
sous forme d’une image vidéo. Le fait que l’entité qui ordonne le mouvement ne soit pas la
même que celle qui l’accomplit, va engendrer un appauvrissement sensoriel préjudiciable à
l’accomplissement de l’action. En effet, en condition «naturelle», le guidage du mouvement
s’effectue à partir d’une intégration des informations afférentes des diverses modalités
sensorielles dont dispose l’organisme. En particulier, il existe un dialogue continu entre les
systèmes sensoriels visuel et proprioceptif. Il en résulte un gain d’efficacité qui se caractérise
par une meilleure précision et une réduction de la variabilité spatiale et temporelle de la
réponse motrice, qui fait défaut en téléopération.
De même, les mécanismes de contrôle sensori-moteurs qui, d’ordinaire, sont
naturellement automatisés chez l’individu doivent nécessiter maintenant un enclenchement
simultané de boutons, avec un nombre de combinaisons possibles très important (Gray &
Wilson, 1988). Il se rajoute à ce phénomène, des délais parfois conséquents entre l’exécution
du geste de l’utilisateur et le déplacement du robot, engendrant des trajectoires selon ses
propres règles de fonctionnement, qui peuvent entraîner de fortes perturbations (Vercher et
al., 1989). Le dispositif expérimental utilisé dans cette étude présente à l’évidence l’ensemble
de ces contraintes. Celui-ci consiste en un bras robotique monté sur une plate-forme mobile
qui est commandé à distance à partir d’un ordinateur de contrôle. Un clavier constitue
l’interface de commande, laquelle est donc du type boîte à boutons, avec ce que cela suggère
de difficulté dans la dextérité du contrôle du robot. La supervision de la scène est assurée à
travers une champ visuel de taille réduite (50° horizontal) et monoculaire, puisque médiatisé
par un écran vidéo. En définitive, les caractéristiques du système télérobotique utilisé
semblent loin de permettre une analogie avec les propriétés sensorimotrices humaines.
7 Jusqu’à présent les moyens techniques mis en place pour réduire cet écart n’ont permis
qu’une appropriation relativement limitée de la machine par l'opérateur humain (Rabardel,
1993b). C’est pourquoi l’étude qui suit vise à observer une approche « bionique » (discipline
née de la fusion entre la biologie et la technologie) de la Coopération Homme-Machine, afin
de réduire plus efficacement la différence de nature entre le mode opératoire de la machine et
celui de l’homme. Cette démarche consiste à rechercher chez les êtres vivants des modèles
morphologiques et/ou de couplages sensori-moteurs, en vue de réalisations techniques mieux
adaptées au contrôle d'engins robotisés. En effet, la nature a cet avantage sur l’ingénieur
d’avoir mis des millions d’années pour élaborer des mécanismes biologiques, dont seuls les
mieux adaptés ont