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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

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Développement d’un système robotique de télé-assistance par analogie bio-mimétique. par Yves RYBARCZYK. Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université d’Evry-Val d’Essonne Laboratoire Mouvement et Perception , UMR 6152, CNRS - Université d’Aix-Marseille II. Plan. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 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

Page 2: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 3: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Situation de téléopération

Page 4: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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)

Page 5: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Problématique

Conditions très appauvries par rapport à une situation naturelle

appropriation possible ?

comment élever le niveau d’appropriation ?

Page 6: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Principe de l’adaptation humaine

Assimilation

Accommodation

=> généralisation des

schèmes préexistants

=> différentiation des schèmes préexistants

(Piaget, 1936)

Page 7: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Application à la relation homme-machine

assimilation

accommodation

Homme Machinecoût sensori-moteur

Approche anthropocentrique

Page 8: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Hypothèses

anthropocentrisme

assimilationaccommodation

appropriation

performance

représentation

sensori-motricité

morphologique

fonctionnelle

Page 9: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Système ARPH

station de contrôle

caméra orientable en site et azimut

bras manipulateur

robot mobile

Page 10: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Dimension morphologique

Positionnement du référentiel visuel

par rapport à l’organe préhenseur

Page 11: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 12: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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).

Page 13: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Hypothèse

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

dispositif tend vers une représentation anthropomorphique

Page 14: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 15: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Conditions expérimentales

20° 0°-20°

3 positions possibles de caméra

40°-40°

20 cm

20°

épaule

45°

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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.

Page 17: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 18: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Temps de mouvement

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

anthropomorphe biais côté

conditions

tem

ps (s

)

Page 19: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 20: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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.

Page 21: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Dimension fonctionnelle

Implémentation de mécanismes d’

anticipation visuo-motrice

Page 22: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Comportement d’anticipation visuelle sur le déplacement

trajectoire du déplacement

obstacle

point d’arrivée

point de

départ

Land, 1998Grasso et al., 1996

Page 23: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 24: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

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Hypothèse

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

processus à dominante assimilatrice

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Protocole expérimental

- condition « caméra »

- condition « plate-forme »

- condition « fixe » 

Anthropofonctionnalité

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Evaluation (1)

Performances brutes :

temps d’exécution du parcours.

nombre de collisions contre les obstacles.

Page 28: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Temps moyen d’exécution du parcours

0

50

100

150

200

250

300

350

fixe plate-forme caméra

tem

ps (s

)

Page 29: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Nombre moyen de collisions

0

0,5

1

1,5

2

fixe plate-forme caméra

colli

sion

s

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Evaluation (2)

Indices comportementaux :

lissage des trajectoires.

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

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Lissage des trajectoires

r

r

trajectoires courbes lignes droitesvirages sur-place

Log r

% d’occurrences

guidage fluide

guidage heurté

Page 32: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 33: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

Loi de puissance

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

(Lacquaniti et al., 1983)

r1

v1

r2

v2

Page 34: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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

Page 35: Laboratoire Systèmes Complexes, FRE 2494, CNRS - Université  d’Evry-Val d’Essonne

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.

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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.