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