Vers une interaction humain-robot à une initiative mixe : une équipe coopérative composée par des drones et un opérateur humain

Towards mixed-initiative human-robot interaction : a cooperative human-drone team framework

• Auteur / Autrice : Paulo Eduardo Ubaldino de Souza
• Direction : Frédéric Dehais, Caroline Ponzoni Carvalho Chanel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 19/10/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Commande des systèmes et dynamique du vol (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Coppin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sidney Givigi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdel-Illah Mouaddib, Frédéric Vanderhaegen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction humain-machine

Robotique

Mots clés libres

Initiative mixe

Planification décentralisée

Système multi-Robot

Théorie de jeux

Théorie des perspectives

Interaction homme-Robot

Facteur humain

Effet de cadrage

Mixed initiative

Decentralized planning

Human-Robot interaction

Multirobot system

Game theory

Prospect theory

Human factor

Framing effect

Résumé

L’interaction homme-robot est un domaine qui en est encore à ses balbutiements.Les développements se sont avant tout concentrés sur l’autonomie et l’intelligence artificielle et doter les robots de capacités avancées pour exécuter des tâches complexes. Dans un proche avenir, les robots développeront probablement la capacité de s’adapter et d’apprendre de leur environnement. Les robots ont confiance, ne s’ennuient pas et peuvent fonctionner dans des environnements hostiles et dynamiques - tous des attributs souhaités à l’exploration spatiale et aux situations d’urgence ou militaires. Ils réduisent également les coûts de mission, augmentent la flexibilité de conception et maximisent la production de données. Cependant, lorsqu’ils sont confrontés à de nouveaux scénarios et à des événements inattendus, les robots sont moins performants par rapport aux êtres humains intuitifs et créatifs (mais aussi faillibles et biaisés). L’avenir exigera que les concepteurs de mission équilibrent intelligemment la souplesse et l’ingéniosité des humains avec des systèmes robotiques robustes et sophistiqués. Ce travail de recherche propose un cadre formel, basé sur la théorie de jeux, pour une équipe de drones qui doit coordonner leurs actions entre eux et fournir à l’opérateur humain des données suffisantes pour prendre des décisions « difficiles » qui maximisent l’efficacité de la mission, selon certaines directives opérationnelles. Notre première contribution a consisté à présenter un cadre décentralisé et une fonction d’utilité pour une mission de patrouille avec une équipe de drones. Ensuite, nous avons considéré l’effet de cadrage, ou « framing effect » en anglais, dans le contexte de notre étude,afin de mieux comprendre et modéliser à terme certains processus décisionnels sous incertitude.Ainsi, nous avons réalisé deux expérimentations avec 20 et 12 participants respectivement. Nos résultats ont révélé que la façon dont le problème a été présenté (effet de cadrage positif ou négatif), l’engagement émotionnel et les couleurs du texte ont affecté statistiquement les choix des opérateurs humains. Les données expérimentales nous ont permis de développer un modèle d’utilité pour l’opérateur humain que nous cherchons à intégrer dans la boucle décisionnelle du système homme-robots. Enfin, nous formalisons et évaluons l’ensemble du cadre proposé où nous ''fermons la boucle'' à travers une expérimentation en ligne avec 101 participants. Nos résultats suggèrent que notre approche permet d’optimiser le système homme-robots dans un contexte où des décisions doivent être prises dans un environnement incertain.

Human-robot interaction is a field that is still in its infancy. Developments havefocused on autonomy and artificial intelligence, and provide robots with advanced capabilitiesto perform complex tasks. In the near future, robots will likely develop the ability to adapt andlearn from their surroundings. Robots have reliance, do not get bored and can operate in hostileand dynamics environments - all attributes well suited for space exploration, and emergency ormilitary situations. They also reduce mission costs, increase design flexibility, and maximizedata production. However, when coped with new scenarios and unexpected events, robots palein comparison with intuitive and creative human beings. The future will require that missiondesigners balance intelligently the flexibility and ingenuity of humans with robust and sophisticatedrobotic systems. This research work proposes a game-theoretic framework for a drone teamthat must coordinate their actions among them and provide the human operator sufficient datato make “hard” decisions that maximize the mission efficiency, according with some operationalguidelines. Our first contribution was to present a decentralized framework and utility functionfor a drone-team patrolling mission. Then, we considered the framing effect in the context of ourstudy, in order to better understand and model certain human decision-making processes underuncertainty. Hence, two experiments were conducted with 20 and 12 participants respectively.Our findings revealed that the way the problem was presented (positive or negative framing), theemotional commitment and the text colors statistically affected the choices made by the humanoperators. The experimental data allowed us to develop a utility model for the human operatorthat we sought to integrate into the decision-making loop of the human-robot system. Finally,we formalized and evaluated the close-loop of the whole proposed framework with a last onlineexperiment with 101 participants. Our results suggest that our approach allow us to optimize thehuman-robot system in a context where decisions must be made in an uncertain environment.