laboratoire systèmes complexes, fre 2494, cnrs - université d’evry-val d’essonne

Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université d’Evry-Val d’Essonne

Laboratoire Mouvement et Perception, UMR 6152, CNRS - Université d’Aix-Marseille II

Développement d’un système robotique de télé-assistance par analogie bio-mimétique

par

Yves RYBARCZYK

Plan

contraintes de la téléopération => appropriation ? adaptation homme-machine hypothèse : approche anthropocentrique

dimension fonctionnelle :

interprétation des avantages de l’anthropocentrisme

dimension morphologique :

- modélisation de l’anticipation visuo-motrice

- expérience 1 : relation vision/effecteur- schéma corporel

- expérience 2 : conséquences sur le contrôle moteur

Situation de téléopération

Déficiences sensori-motrices

Sensoriel :

appauvrissements (vision, proprioception et audition)

défauts d’automatisation (=> élévation de la charge de travail mental)

pertes (toucher et odorat)

Moteur :

distorsions sensori-motrices (e.g. différence dans la dynamique de mouvement)

Problématique

Conditions très appauvries par rapport à une situation naturelle

appropriation possible ?

comment élever le niveau d’appropriation ?

Principe de l’adaptation humaine

Assimilation

Accommodation

=> généralisation des

schèmes préexistants

=> différentiation des schèmes préexistants

(Piaget, 1936)

Application à la relation homme-machine

assimilation

accommodation

Homme Machinecoût sensori-moteur

Approche anthropocentrique

Hypothèses

anthropocentrisme

assimilationaccommodation

appropriation

performance

représentation

sensori-motricité

morphologique

fonctionnelle

Système ARPH

station de contrôle

caméra orientable en site et azimut

bras manipulateur

robot mobile

Dimension morphologique

Positionnement du référentiel visuel

par rapport à l’organe préhenseur

Schéma corporel

Espace péricorporel Espace extracorporel |

||||||||||||||

Aires visuo-motrices dorsales :

(1) Cortex occipital dorsal gauche

(2) (3) Cortex intrapariétal gauche

(4) Cortex prémoteur ventral

(5) Thalamus gauche

Aires visuo-perceptives ventrales :

(6) (7) Cortex occipital ventral bilatéral

(8) Cortex temporal médial droitWeiss et al., 2000

Propriétés dynamiques du schéma corporel

Allongement du champ récepteur visuel des neurones bimodaux du cortex intrapariétal du singe, après utilisation d’un outil (Iriki et al., 1996).

Prolongement de la négligence d’un héminégligent pour l’espace péripersonnel, à la dimension de la baguette tenue en main (Berti & Frassinetti, 2000).

Hypothèse

Facilitation de l’incorporation du robot dans le schéma corporel quand la configuration du

dispositif tend vers une représentation anthropomorphique

Evaluation de l’incorporation

Pilim = D / B

D = distance maxi estimée atteignable par simple extensionB = longueur du bras (humain ou robotique)

Si Pilim tend vers 1 => l’opérateur a une bonne représentation des capacités d’extension du bras

Indice d’affordance Pi (Warren & Whang, 1987) :

Pi = Caractéristiqueenvironnement / Caractéristiquehumaine

Conditions expérimentales

20° 0°-20°

3 positions possibles de caméra

40°-40°

20 cm

20°

épaule

45°

Protocole

Evaluation : • analyse de la performance ; • calcul du ratio Pilim = D/B.

Saisie d’objets placés à différentes distances à l’aide du bras humain ou robotique.

Mesure de la longeur d’atteinte (B) par simple extension du bras humain ou robotique.

Recherche de la distance maxi (D) pour laquelle le sujet estime que l’objet présenté est atteignable par simple extension du bras humain ou robotique.

Taux de réussite

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

anthropomorphe biais côté

conditions

pour

cent

age

de r

éuss

ite

Temps de mouvement

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

anthropomorphe biais côté

conditions

tem

ps (s

)

Valeurs de l’indice Pilim

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

humaine anthropomorphe biais côté

conditions

Pi

Conclusions

les performances brutes les plus élevées sont

systèmatiquement obtenues en condition anthropomorphique.

plus les configurations s’éloignent de ce modèle humain, plus on observe une tendance générale à la diminution de ces performances.

ces résultats semblent s’expliquer par la plus grande capacité de l’opérateur à intégrer le robot dans son schéma corporel, lorsque celui-ci présente une organisation anthropomorphique.

Dimension fonctionnelle

Implémentation de mécanismes d’

anticipation visuo-motrice

Comportement d’anticipation visuelle sur le déplacement

trajectoire du déplacement

obstacle

point d’arrivée

point de

départ

Land, 1998Grasso et al., 1996

Modélisation “caméra”

R

axe duporteur

obstacle

axe de lacaméra

a(t)

S(t)

direction de latrajectoire du

robot

D(t)z(t)

sin z(t) = R/D(t) z(t) = arc sin (R/D(t))

S(t) = a(t)-arc sin (R/D(t))

avec : D = (v/(da/dt)) sin a

trajectoire du robot

Modélisation “plate-forme”

axe du porteur

a = arc cos (1-((L/2)/r))

cos a = (r-(L/2))/r = 1-((L/2)/r)

avec : r = v/w

r-(L/2)

Lr

axe de la caméra

point de tangente

Hypothèse

Lorsque le couplage visuo-locomoteur suit une organisation temporelle de type humain, l’appropriation devrait s’effectuer par un

processus à dominante assimilatrice

Protocole expérimental

- condition « caméra »

- condition « plate-forme »

- condition « fixe » 

Anthropofonctionnalité

Evaluation (1)

Performances brutes :

temps d’exécution du parcours.

nombre de collisions contre les obstacles.

Temps moyen d’exécution du parcours

0

50

100

150

200

250

300

350

fixe plate-forme caméra

tem

ps (s

)

Nombre moyen de collisions

0

0,5

1

1,5

2

fixe plate-forme caméra

colli

sion

s

Evaluation (2)

Indices comportementaux :

lissage des trajectoires.

loi de puissance reliant la géométrie à la cinématique du mouvement.

Lissage des trajectoires

r

r

trajectoires courbes lignes droitesvirages sur-place

Log r

% d’occurrences

guidage fluide

guidage heurté

Résultats

0

10

20

30

40

50

60

70

-4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Log (r)

% d

'occ

urre

nces

fixe plate-forme caméra

Loi de puissance

v = k . r1/3 log v = 1/3 log r + K

(Lacquaniti et al., 1983)

r1

v1

r2

v2

Résultats : vitesse/courbure

y = 0,01x

-1

0

1

-2 0 2

log du rayon de courbure

log

de la

vite

sse

tang

entie

lle

y = 0,02x

-1

0

1

-2 0 2

log du rayon de courbure

log

de la

vite

sse

tang

entie

lle

y = 0,33x

-1

0

1

-1,5 0 1,5

log du rayon de courburelo

g de

la v

itess

e ta

ngen

tielle

Conclusions

efficacité accrue lorsque l’opérateur commande un robot disposant

d’un mécanisme d’anticipation visuelle sur le déplacement d’inspiration biologique.

performance brute identique entre une anticipation implémentée selon un modèle de “type-humain” et “non-humain”.

indices comportementaux révèlent un processus d’adaptation à dominante différente :

- assimilatrice en anthropocentrisme ;- accommodatrice en non-anthropocentrisme.

Conclusions générales

l’approche anthropocentrique semble améliorer l’appropriation d’un

système de téléopération par l’opérateur humain.

l’avantage de l’anthropocentrisme s’expliquerait par :

cette démarche paraît être aussi pertinente sur le plan de l’architecture structurale que fonctionnelle de la machine.

- respect des lois de contingences sensori-motrices humaines ;

- favorisation d’une adaptation par processus à dominante assimilatrice.