Étude des mécanismes du contrôle sensorimoteur pour la spécification de nouvelles métriques d'évaluation du coût cognitif

Study of sensorimotor control mechanisms for the specification of new metrics for assessing cognitive cost

• Auteur / Autrice : Kelly Steiner
• Direction : Sinan D. Haliyo, Jean-Christophe Sarrazin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 18/03/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Traitement de l’Information et Systèmes (DTIS)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Padois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémie Gaveau, Agnès Roby-Brami
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Hintzy-Cloutier, Alexandre Zénon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique -- Facteur humain

Prise de décision

Adaptation

Charge cognitive

Mots clés libres

Charge cognitive

Contrôle moteur

Sensorimoteur

Aéronautique

Cognitive cost

Motor control

Sensorimotor

Aeronautic

Résumé

Dans le domaine de l'aéronautique en particulier dans la neuro-ergonomie, l'évaluation de la charge cognitive chez le pilote est primordiale afin de diminuer les risques en vols et d'améliorer la concevoir/compréhension des éléments du cockpit (commandes de vols, des assistances au pilotage). La complexité de la tâche de pilotage (aspects sensorimoteurs et cognitifs) détermine la charge de travail associée aux différentes situations de vol par le biais des qualités de vol. Ces dernières peuvent être définit comme la facilité avec laquelle un avion peut être contrôlé par le pilote. Cette notion de facilité est évaluée par la charge de cognitive du pilote lorsqu'il contrôle le mouvement de l'avion. Il existe différents types de mesures de cette charge cognitive tel que des mesures subjectives, physiologiques ou de performances, mais majoritairement ceux sont les mesures subjectives qui sont utilisées. L'ensemble de ces mesures de la charge cognitive présentent des avantages et des limites dans l'application aéronautique ou l'environnement est très exigeant et contraignant. Ainsi, une approche par le contrôle de l'action du pilote pourrait être complémentaire à ces mesures plus particulièrement subjectives de la charge de travail.Pour établir une mesure dépendante de l'activité humaine, il est nécessaire d'avoir une compréhension détaillée et à plusieurs niveaux des mécanismes de contrôle de l'action associé à la variation de la charge cognitive. Cette approche pourrait améliorer la limitation de certaines mesures existantes. Dans ce cadre, la loi de Fitts représente un outil intéressant pour étudier le comportement moteur lors de l'exécution d'un mouvement dans des conditions avec des environnements standardisés comportant des variations de charge cognitive. Il est possible avec cette méthode de caractériser la relation entre certains mécanismes du contrôle moteur la mesure de la charge cognitive associée à la tâche.Cette thèse vise à fournir des métriques d'évaluation de la charge cognitive à partir de la modélisation, de la caractérisation des mécanismes de contrôle moteur observés à partir de l'activité au manche. Cette étude est menée en étudiant la relation entre les aspects du contrôle moteur (cinématique, électromyographique) et de la mesure de la charge cognitive (questionnaire NASA-TLX) au travers des différents niveaux de contraintes de l'environnement.Pour établir cette approche, nous avions les objectifs suivants : (1) caractériser la relation entre la difficulté de la tâche, le contrôle moteur et l'optimalité du mouvement (cinématique, EMG), (2) caractériser la relation entre les différents niveaux d'analyses du mouvement et des mesures de la charge de travail plus classiquement utilisées dans le domaine de l'ergonomie (NASA-TLX), puis de décrire leur sensibilité à la difficulté de la tâche, (3) évaluer nos métriques dans le cadre d'une situation écologique de vol d'hélicoptère. Pour répondre aux deux premiers objectifs de thèse, nous avons fait une première expérience en laboratoire. Cette expérience était une tâche classique de Fitts de pointage réciproque. Pour répondre au dernier objectif, nous avons fait des essais en vol qui visait à faire une manœuvre de l'ADS33 similaire à une tâche de Fitts sur terrain.

In the field of aeronautics, and particularly in neuro-ergonomics, assessment of the cognitive load on pilots is essential to reduce flight risks and improve the design/understanding of cockpit elements (flight controls, pilot aids). The complexity of the piloting task (sensorimotor and cognitive aspects) determines the workload associated with different flight situations, through flight qualities. The latter can be defined as the ease with which an aircraft can be controlled by the pilot. This notion of ease is assessed by the pilot's cognitive workload when controlling the aircraft's movement. There are various types of measures of this cognitive load, such as subjective, physiological or performance measures, but it is mainly subjective measures that are used. All these measures of cognitive load have their advantages and limitations in aeronautical applications, where the environment is highly demanding and constraining. Thus, a pilot action control approach could be complementary to these more particularly subjective measures of workload.To establish an activity-dependent measure, it is necessary to have a detailed, multi-level understanding of the action control mechanisms associated with variation in cognitive load. This approach could improve the limitations of some existing measures. In this context, Fitts' law represents an interesting tool for studying motor behavior during movement execution in conditions with standardized environments involving variations in cognitive load. With this method, it is possible to characterize the relationship between certain motor control mechanisms and the measure of cognitive load associated with the task.The aim of this thesis is to provide metrics for assessing cognitive load, based on the modeling and characterization of motor control mechanisms observed in stick activity. This study is conducted by investigating the relationship between aspects of motor control (kinematics, electromyography) and the measurement of cognitive load (NASA-TLX questionnaire) across different levels of environmental constraints.To establish this approach, we had the following objectives: (1) to characterize the relationship between task difficulty, motor control and movement optimality (kinematics, EMG), (2) to characterize the relationship between the different levels of movement analysis and measures of workload more classically used in the field of ergonomics (NASA-TLX), then to describe their sensitivity to task difficulty, (3) to evaluate our metrics in the context of an ecological helicopter flight situation. To address the first two thesis objectives, we carried out an initial laboratory experiment. This experiment was a classic Fitts reciprocal pointing task. To meet the last objective, we carried out flight tests involving an ADS33 maneuver similar to a Fitts task in the field.