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Collaborateurs humains et robots humanoïdes : contagions motrices et prise en charge de l'ensemble du corps
No full textL'interaction homme-robot est un domaine émergent qui couvre plusieurs aspects des sciences humaines et d'ingénierie robotique. Le travail effectué dans cette thèse porte sur les interactions entre l'homme et un robot humanoïde vu comme un collaborateur dans des scénarios plutôt industriels. Dans ce contexte, les études que nous avons menées dans la première partie de cette thèse ont examiné l'influence que peuvent avoir une certaine façon de programmer les tâches d'un robot humanoïde sur le comportement de partenaires humains. Nous avons choisi un paradigme de tâches d'inspiration industrielle: Pick-n-Place. Dans le contexte des interactions homme-robot (pHRI), nous avons développé un nouveau framework de transfert d'objets bi-manuel utilisant le contrôle corps complet, et la locomotion d'un robot dans la 2ème partie de cette thèse.Lorsqu'un agent humain ou robotique effectue une action suivie de l'observation de cette action par une personne tièrce, des effets comportementaux implicites tels que des contagions motrices font que certaines caractéristiques (paramètres cinématiques, but ou résultat) de cette action deviennent semblables à l'action observée. Cependant, des études antérieures sur les contagions motrices ont examiné les effets induits soit pendant l'observation de l'action, soit après, mais jamais ensemble. C'est pourquoi il n'est pas établi si ces effets sont distincts les uns des autres, et en quoi ils sont different.Dans le chapitre 2, au cours du paradigme de tâche de mouvement répétitif Pick-n-Place, nous avons examiné l'effet des contagions motrices induites chez les participants pendant (contagions en-ligne) et après (contagions hors-ligne). Les mêmes mouvements en question sont effectués soit par une personne ou par un robot humanoïde, le répétiteur par contre est toujours une autre personne. Nous avons examiné en particulier les trois questions suivantesDans le Chapitre 3, sous le même paradigme de tâche répétitive et avec l'ajout de quelques conditions supplémentaires, nous avons systématiquement varié le comportement du robot, et observé comment la performance d'un observateur humain est affectée par la présence d'un agent humanoïde. Nous avons également étudié l'effet de la forme physique du robot humanoïde où le torse et la tête étaient couverts, et où seul le bras était visible pour les participants humains. Plus tard, nous avons comparé ces comportements avec ceux d'une personne et examiné comment le comportement observé change avec l'expérience des robots.Dans le chapitre 4, nous avons conçu un framework pour le transfert d'un objet entre un homme et un robot humanoïde dans un contexte d'interaction physique. Nous avons concentré nos efforts sur l'élaboration d'un framework de transfert simple mais robuste et efficace. Nous avons introduit un transfert bidirectionnel intuitif d'objets entre utilisant le contrôle corps complet en synchronization avec la locomotion. Tout au long de ce chapitre, le problème du transfert bidirectionnel d'objets entre une personne et un humanoïde a été traité avec la perspective d'atteindre un mouvement fluide continu et ponctuel. Au départ, nous avons commencé par concevoir un framework général dans lequel nous avons développé des modèles pour prédire la position de la main humaine convergeant au point de transfert, ainsi que pour estimer la configuration de saisie de l'objet et de la main humaine active pendant le transfert. Nous avons également conçu un modèle pour minimiser les forces d'interaction lors de la phase de remise d'un objet de masse inconnu ainsi que pour minimiser la durée totale de la remise d'un objet. Nous avons conçu ces modèles pour répondre à trois questions importantes liées à la remise d'objet robot humain ---quand (timing), où (position cartesienne) et comment (orientation et forces d'interaction) pendant un transfert.The work done in this thesis is about the interactions between human and humanoid robot HRP-2Kai as co-workers in the industrial scenarios The research topics in the thesis are divided into two categories. In the context of non-physical human-robot interactions, the studies conducted in the 1st part of this thesis are mostly motivated by social interactions between human and humanoid robot co-workers, which deal with the implicit behavioural and cognitive aspects of interactions. While in the context of physical human-robot interactions, the 2nd part of this thesis is motivated by the physical manipulations during object handover between human and humanoid robot co-workers in close proximity using humanoid robot whole-body control framework and locomotion.We designed a paradigm and a repetitive task inspired by the industrial Pick-n-Place movement task, in first HRI study, we examine the effect of motor contagions induced in participants during (we call it on-line contagions) and after (off-line contagions) the observation of the same movements performed by a human, or a humanoid robot co-worker.The results from this study have suggested that off-line contagions affects participant's movement velocity while on-line contagions affect their movement frequency. Interestingly, our findings suggest that the nature of the co-worker, (human or a robot), tend to influence the off-line contagions significantly more than the on-line contagions.Under the same paradigm and repetitive industrial task, we systematically varied the robot behaviour and observed whether and how the performance of a human participant is affected by the presence of the humanoid robot. We also investigated the effect of physical form of humanoid robot co-worker where the torso and head were covered, and only the moving arm was visible to the human participants. Later, we compared these behaviours with a human co-worker and examined how the observed behavioural effects scale with experience of robots.Our results show that the human and humanoid robot co-workers have been able to affect the performance frequencies of the participants, while their task accuracy remained undisturbed and unaffected. However, with the robot co-worker, this is true only when the robot head and torso were visible, and a robot made biological movements.Next, in pHRI study, we designed an intuitive bi-directional object handover routine between human and biped humanoid robot co-worker using whole-body control and locomotion, we designed models to predict and estimate the handover position in advance along with estimating the grasp configuration of an object and active human hand during handover trials. We also designed a model to minimize the interaction forces during the handover of an unknown mass object along with the timing of the object handover routine.We mainly focused on three important key features during handover, and we answered the following questions, ---when (timing), where (position in space), how (orientation and interaction forces) of the handover.we present a generalized handover controller, where both human and the robot is capable of selecting either of their hand to handover and exchange the object. Furthermore, by utilizing a whole-body control configuration, our handover controller is able to allow the robot to use both hands simultaneously during the object handover. Depending upon the shape and size of the object that needs to be transferred.Finally, we explored the full capabilities of a biped humanoid robot and added a scenario where the robot needs to proactively take few steps in order to handover or exchange the object between its human co-worker. We have tested this scenario on real humanoid robot HRP-2Kai during both when human-robot dyad uses either single or both hands simultaneously
Système robotique incarnés : contrôle et apprentissage en vue de transfer de compétences à partir d’humains
No full textLa plupart des robots sont meilleurs que les humains en termes de capteurs et d'actionneurs, ce qui leur permet d'avoir une meilleure perception, des mouvements plus rapides et une force supérieure à celle des humains. Cependant, il leur manque la capacité humaine à prendre des décisions intelligentes de haut niveau dans des environnements non structurés. Par conséquent, de nombreux systèmes complexes actuels, tels que les robots de sauvetage, les UAV/UUV et les robots d'assistance chirurgicale, utilisent des systèmes "humains dans la boucle", où le contrôle est partagé entre l’humain et la machine. Cette thèse explore les "robots incarnés" comme un phénomène prometteur pour améliorer le contrôle humain dans la boucle.Par robots incarnés, nous nous référons aux robots attachés à l'opérateur humain, et qui sont contrôlés par l'opérateur humain en utilisant des retours d’informations (principalement visuel et haptique) qui lui font percevoir le robot comme une partie de soi-même.Tout d'abord, nous avons travaillé avec un dispositif de bras de robot portable disponible pour concevoir un contrôleur d'admitance qui permettrait aux opérateurs humains de le contrôler et de l'utiliser intuitivement.Deuxièmement, nous avons développé un système de téléopération incarné (Embodied) pour un manipulateur série 7DoF en intégrant le système robotique avec un dispositif de retour haptique et un casque de réalité virtuelle couplé à une caméra à 360 degrés.Troisièmement, pour ce système, nous avons mis au point une procédure permettant d'estimer l'impédance de l'opérateur humain sans avoir recours à l'électromyographie, et de l'utiliser pour contrôler l'impédance du robot, ce qui permet aux utilisateurs d'imposer à la fois des mouvements et une impédance au robot.Dernièrement, nous avons étudié l’apprentissage par démonstration en utilisant des informations visuelles et de mouvement humain à travers le système incarné afin pouvoir entrainer un agent à reproduire des mouvements humains.Nous postulons que les systèmes incarnés peuvent améliorer l'apprentissage par la démonstration en permettant un enseignement kinesthésique sans perte du point de vue de l'opérateur et de la sensation de force. En effet, dans de tels systèmes, il est possible d'enregistrer tous les mouvements, toutes ce que a été vu et toutes les sensations d'un être humain, ce qui en fait un outil idéal pour la mise en œuvre de techniques d'apprentissage. Pour démontrer cette idée, nous avons développé une tâche demandant à des participants humains de déplacer un curseur dans un labyrinthe en présence de différents champs de force. Nous avons ensuite entraîné un agent de réseau d'apprentissage profond sur ces comportements. En utilisant des réseaux dernier cri tels que ResNet(Residual Networks) et des Gated Recurrent Units, l'agent a été capable d'apprendre des mouvements "semblables à ceux des humains", de les généraliser et de prédire le comportement humain dans des trajectoires sur lesquelles il n'avait jamais été formé.Nous concluons ce travail avec une discussion portant sur les resultats obtenus et les perspectives en ce qui concerne la recherche dans les domaines du controle de robot incarnés et de l’apprentissage par démonstration.Most robots are better than humans in terms of their sensorsand actuators, allowing them to have higher and better perception,and faster movements and superior strength, than humans. However,what they lack is the human ability to make intelligent high leveldecisions in unstructured environments. Therefore, many currentcomplex systems, like rescue robots, UAV/UUVs, and surgery assistiverobots, utilize ‘human in the loop’ systems, where the controlis shared by both the humans and the machines. This PhD explores‘embodied robots’ as a promising phenomenon to improvehuman-in-the-loop control.By embodied robots, we refer to robots attached to the humanoperator, and which are controlled by the human operator using firstperson feedbacks (predominantly visual and haptic) that make himperceive the robot to be part of his/her self.First, we worked with an available Wearable Robot Arms (WRA)device to design an admittance controller that would let humanoperators control and use it intuitively.Second, we developed an embodied teleoperation system for a7DoF serial manipulator by integrating the robot system with ahaptic feedback device, and virtual reality head mounted displaycoupled to a 360 degree camera.Third, for this system, we developed a procedure to estimatethe impedance of the human operator without the use ofelectromyography, and use it for impedance control of the robot,enabling users to impose both movements as well as impedance on therobot slave.Finally, we studied Learning from Demonstration (LfD) usingvisual and human motion data through our embodied system. Wepostulate that embodied systems can improve LfD by enablingkinesthetic teaching without lose of the operator’s point of viewand force sensation. Indeed in such systems it is possible to recordevery motion, vision and feeling the human would have, making itideal for the implementation of machine learning techniques. Todemonstrate this idea, we developed a task requiring humanparticipants to move through a maze in the presence of various forcefields. We then trained a deep learning network agent on thesebehaviors. By using a state of the art pre-trained Residual Networksand Gated Recurrent Units, the machine learning agent was able tolearn ‘human-like’ movements and generalize, and predict humanbehavior in trajectories that it was never trained on.We conclude this work with a discussion of the achieved resultsand future perspectives of research in the field of embodied controland Learning from Demonstration
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Information exchange and role emergence during interpersonal haptic interactions
No full textLes interactions interpersonnelles font partie de notre vie quotidienne, et parmi elles les interactions haptiques font partie des moins étudiées. L’haptique est pourtant l’un des sens principaux de l’être humain, qui contribue à la perception du monde extérieur notamment par le toucher, mais également à la perception des mouvements et des forces produits par son propre organisme. Lors d’actions jointes l’haptique est réputé comme permettant un échange d’information entre les co-acteurs, et ainsi d’atteindre la coordination. Or les mécanismes physiologiques vecteurs de cet échange sont encore mal connus, l’objectif principal de cette thèse est donc de les identifier. Les forces d’interactions ont été pressenties dans la littérature comme permettant un échange d’information entre individus, mais aucun élément spécifique à l’appui de cette vision n’a encore été clairement identifié. Nous proposons d’étudier ces forces et principalement leurs composantes oscillatoires, inspirés en cela par la littérature portant sur les sous-mouvements. Pour cela nous avons choisi d’utiliser la causalité de Granger-Geweke, une méthode d’analyse qui quantifie l’influence causale entre deux systèmes indépendants, et ceci dans le domaine fréquentiel. Nous l’avons appliquée ici pour la première fois à des séries temporelles de force, avec l’hypothèse qu’elle permettrait de quantifier l’échange d’information qu’elles encapsulent. Par ailleurs lors d’interactions haptiques les co-acteurs sont également connus comme adoptant différentes stratégies afin de se coordonner, notamment par l’émergence de rôles de meneur et de suiveur. Aucun consensus n’existe cependant quant aux marqueurs qui pourraient servir à identifier ces rôles. Nous avons proposé d’utiliser la différence d’influence causale, telle que mesurée par Granger, pour identifier le meneur lors de notre interaction. Les contributions de cette thèse sont les suivantes : (1) Nous avons identifié les forces oscillant dans la plage fréquentielle de 2.15 à 7 Hz comme permettant l’échange d’information lors d’interaction haptique. Nos résultats ont également démontré que les participants modulent cet échange en fonction de la difficulté de la tâche. (2) Nous avons aussi montré l’utilité de la causalité de Granger-Geweke pour quantifier l’échange d’information lors d’une interaction haptique. Enfin nous avons proposé l’influence causale ainsi mesurée comme marqueur de l’émergence des rôles.Interpersonal interactions are a part of our everyday life, and haptic interactions are one of the least studied amongst them. The haptic sense is one of humans’ fundamental senses, allowing them to perceive the world around them, particularly through touch, but also to perceive their own movements and organism’s internal forces. During joint actions, haptic is believed to allow an exchange of information between co-actors, and thus to attain coordination. However, the physiological mechanisms underlying this exchange are still unknown, accordingly this thesis’ principal objective is to identify them. In the literature, interaction forces are believed to allow an information exchange between individuals, but no specific element supporting this claim was found to date. We propose to study those forces and more particularly their oscillatory components, inspired in that endeavor by the submovements literature. For this purpose we chose to use the Granger-Geweke causality, an analysis method designed to quantify causal influence between two independent systems in the frequency domain. Here we applied for the first time this method to forces’ time series, under the hypothesis that it would allow to quantify the information exchange they embody. Furthermore, during haptic interactions co-actors are also known to adopt different strategies in order to coordinate, notably through the emergence of leader-follower roles. However, no consensus has been attained in the literature regarding the markers that identify these roles. We proposed to use the difference between causal influences, as measured by Granger, to identify the leader in our interaction.This thesis’ contributions are: (1) we have identified the forces oscillating in the 2.15-7 Hz frequency band which allow the information exchange during haptic interaction. Our results demonstrated as well that this exchange is modulated by participants depending on the task difficulty. (2) We have also shown Granger-Geweke causality’s usefulness to quantify information exchange during haptic interaction. Finally, we proposed the causal influence as measured by Granger, as a marker of role emergence
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Développement et étude de système interactif coadaptatif
No full textLe concept de coadaptation, inspiré du terme coévolution, est une introduction assez récente dans la littérature sur les interactions homme machine (IHMs) mettant en lumière le fait que la relation entre les systèmes interactif et leurs utilisateurs est une relation d’adaptation mutuelle. En effet, si les utilisateurs de ces systèmes s’adaptent continuellement par apprentissage, les machines aussi s’adaptent à leur utilisateurs en proposant, par exemple, des options de customisation. Historiquement, la plupart des exemples de processus coadaptatif dans le cadre des IHMs correspondent à des processus d’optimisation séquentiel où l’utilisateur et la machine s’adaptent l’un à l’autre à tour de rôle de manière itérative. Ces dernières années, l’introduction de l’intelligence artificielle dans le domaine public amène de plus en plus d’exemple de processus coadaptatif concurrent, où l’homme et la machine s’adaptent l’un à l’autre de manière continue à travers leurs interactions. Néanmoins, en comparaison des machines dont les capacités d’adaptation sont pratiquement illimité, l’adaptabilité des utilisateurs est un processus largement contrains sous de multiple aspect. Dans cette thèse, nous explorons les limites de l’adaptabilité des humains dans le contexte des IHMs et ce notamment du point de vue des biais comportementaux ou l’idée que toutes les adaptations comportemental chez l’humain ne sont pas équivalente et peuvent entrer en conflit avec d’autres comportement appris dans notre vie de tous les jours. Premièrement, nous étudions un exemple de processus coadaptatif concurrent ‘naïf’ appliqué au contrôle d’un doigt robotique surnuméraire. Par naïf, nous faisons référence a un processus coadaptatif dans lequel nous ne postulons pas à priori sur une méthode de contrôle particulière. En particulier, nous étudions comment l’homme et la machine s’adaptent ensemble dans le cas ou des perturbations viendrait à rendre plus difficile l’exécution de la tâche en fonction de la méthode de contrôle utilisée. Par la suite, nous avons étudier les performances des humains dans une tâche demandant de réagir à des stimuli visuel, tactile et visuo-tactile en se basant sur leur position dans l’espace. Nous modélisons par la suite le processus de décision interne à l’utilisateur dans ce contexte en nous basant sur la théorie de l’Active Inference et montrons que ce modèle peut reproduire, de façon approximative, diverse observations expérimental en lien avec le phénomène de compatibilité stimulus réponses (SRC) en général et l’effet Simon en particulier. Enfin, nous traitons du design des système interactifs en développant deux prototypes en lien avec les deux principaux types d’augmentation permis par l’utilisation des machines. Une extension du système moteur de l’utilisateur en premier lieux, ou nous réalisons une interface de contrôle pour drone permettant à celui ci de contrôler les déplacement du drone dans l’espace ‘’comme pour son propre corps’’ en nous basant à la fois sur des données postural et sur les mouvement de la tête. Nous reportons sur l’évaluation, dans un évènement ouvert où des membres du public était invité à essayé le dispositif en réalité virtuel, de ce prototype et de sa transposition par la suite sur un drone disponible dans le commerce. Enfin nous étudions une extension du système sensoriel de l’utilisateur en réalisant un prototype de radar tactile permettant à l’utilisateur de "toucher des objets à distance" via un retour tactile de mesure de distances obtenu par des senseurs capacitif. Nous reportons sur l’évaluation de ce prototype dans une expérience contrôlé où les participants avait pour objectif de trouver et identifier divers objets en se basant uniquement sur les informations offerte par le radar tactile. Nous concluons ce manuscrit avec une discussion général sur les perspectives offerte par la coadaptation, notamment au regard du rapide développement de l’intelligence artificielle dans le domaine public.The concept of coadaptation, inspired from the term coevolution, is a fairly recent introduction to the literature on Human Machine Interaction highlighting the fact that, when a user interact with a complex system, both the user and the system adapt to each other in order to maximize their joint performance in some task. Historically, most examples of coadaptive processes correspond to a sequential optimization procedure where user and system adapt to each other but never at the same time. In recent years however, the introduction of artificial intelligence in a variety of interactive systems has brougth examples of concurrent coadaptive processes under which both human and machine continuously adapt to each other while performing some task. However, unlike machines which possess practicaly endless adaptive capabilities, adaptability in humans is an eminently constrained process in multiple aspect. In this thesis, we investigate the limits of human adaptability in the context of interactive system design, notably from the point of view of behavioral biases or the idea that, unlike machine, not all behavioral adaptation in humans are equivalent from the perspective of cognitive costs. First, we studied an example of « naive » coadaptation applied to the control of a supernumerary robotic finger. By naive, we mean a coadaptive system with few prior assumptions such as we do not postulate on any particular method of control for the robotic finger and derive learning equation from a simple linear model. In particular, we studied how, in the case where multiple channel of communication are available to perform this control, a coadaptation between the user and the system might allow to achieve different control schemes adapted to the context in which a task is performed. Second, we studied the reaction times of humans to lateralized stimulus and actions using visual, tactile and visuo-tactile stimulus. We show that, while multimodal cueing increase performance for non-lateralized stimulus, it surprisingly does not help when the stimulus are lateralized. Third, we illustrate the decision process internal to a user in this context with a state-of-the-art computational model of human behavior based on the theory of Active Inference. In particular, we studied the prediction of this model in relation to the sensory response compatibility phenomena and show that this model can reproduce, in approximate form, various experimental observations pertaining to SRCs in general and the Simon effect in particular. Finally, we designed and studied two interactive systems pertaining to the two "types" of user-augmentation a machine may be associated to. An extended motor-plant first, where we designed an embodied control scheme for a drone with a view to allow the user to control this drone "like their own body" based on a combination of postural and head motion tracking data. We report on the demonstration of this prototype in an open event where members of the public were invited to try the setup in virtual reality but also of its subsequent transposition to a commercial VTOL drone and discuss the perspective and future research directions for such embodied drone control schemes. We conclude this operational tour with an extended sensory plant, where we designed a tactile radar allowing its user to ‘’remotely touch objects’’ via a vibor-tactile feedback of distance information measured by capacitive sensors. We report on the evaluation of this prototype in a controlled experiment where the users were tasked with finding and identifying various objects solely relying on the information provided by the device. We conclude this manuscript with a general discussion on the concept and perspective of coadaptation, notably in relation to the recent introduction and rapid development of artificial intelligence in the public domain
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Get PDFWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Get PDFWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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