La téléopération comme moyen d'expression à distance du geste technique : application à la formulation en chimie.

Teleoperation for the remote expression of technical gestures : application to formulation in chemistry.

• Auteur / Autrice : Erwann Landais
• Direction : Vincent Padois, Nasser Rezzoug
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique - Bordeaux - Sud-Ouest
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Auctus
• Jury : Président / Présidente : Martin Hachet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Padois, Caroline Moricot, Marie Babel, Pauline Maurice, Gérard Poisson, Nasser Rezzoug
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Caroline Moricot, Marie Babel

Mots clés

Mots clés libres

Robotique centrée sur l'humain

Facteurs humains et ergonomie

Interaction Humain Robot

Téléopération

Étude Utilisateur

Conception de robots

Human centered-robotics

Human factors and ergonomics

Human Robot Interaction

Teleoperation

User-study

Robot design

Résumé

La téléopération permet d’envisager la mise à distance d’un humain expert de la tâche à réaliser. Cette mise à distance est souvent garante d’une plus grande sécurité, d’un plus grand confort ou tout simplement de faisabilité pour les milieux dangereux. Toutefois, elle peut être également synonyme de perte d’efficacité, ou d’ajout de complexité. Éviter ces écueils implique de s'interroger sur 1) ce qui constitue l'expertise d'un opérateur pour une tâche donnée, 2) les contraintes rencontrées pour sa réalisation, et 3) la forme d’un système de téléopération qui lui est adapté. Un exemple de tâche pouvant bénéficier de la téléopération est la tâche de recherche de solvants pour les composés chimiques, qui est l'un des domaines d'expertise de l'entreprise Syensqo. Il s'agit de caractériser la solubilité d'un soluté dans un ensemble de solvants, afin de déterminer un solvant optimal pour ce soluté. Cette tâche, basée sur une expertise visuelle, cognitive et manuelle, est exécutée par un petit nombre de techniciens experts. L'exécution de cette tâche repose sur un processus empirique, fastidieux et parfois dangereux, motivant la mise à distance des techniciens du milieu expérimental grâce à une assistance robotisée. En utilisant cette tâche comme cas d’application, cette thèse s’attache à répondre aux questions suivantes : d’une part, comment conserver l’expertise d’un opérateur lors de la réalisation d’une tâche au travers d’un système téléopéré ? Et d’autre part, comment évaluer la pertinence d’une solution de téléopération pour la réalisation d’une tâche experte? Pour répondre à ces questions, un travail bibliographique à large spectre est mené et deux études expérimentales sont conduites. Dans celles-ci, la pertinence de modalités de réalisation de la tâche à distance est analysée par rapport au mode de réalisation manuel. Afin de permettre la réalisation de ces études dans des conditions sécurisées, les modalités proposées sont testées sur une tâche de lecture. Les textes à lire sont inscrits sur des capsules, placées dans des fioles portées par un robot commandé par l’utilisateur. L’utilisateur, à distance, observe ces fioles via une caméra. Dans la première étude, la commande de l’utilisateur se limite à une modification en temps réel du profil temporel (vitesse, sens de parcours) du robot sur un ensemble de chemins cartésiens pré-déterminés. Différents types de modulations (sur le retour visuel, ou sur la trajectoire du robot) sont évalués. Les résultats issus de cette expérimentation montrent que ces modalités permettent de réaliser la tâche, mais entraînent une dégradation de la performance disqualifiant leur applicabilité. Cette dégradation est notamment due au manque de richesse des interactions proposées. Pour la deuxième étude, un robot permettant d’obtenir une amplitude de mouvements similaire à celle observée chez les techniciens, et des interfaces intuitives permettant de définir en temps-réel le mouvement désiré pour la fiole sont conçus. L’étude met en évidence que le contrôle du robot au travers de ces interfaces ne permet pas d’atteindre une efficacité similaire à celle du mode de réalisation manuel. Les performances obtenues sont cependant encourageantes, et l‘étude menée permet d’identifier plusieurs pistes d’amélioration pour le déport efficace et fiable du geste technique en chimie. Finalement, au delà du cadre applicatif considéré, ce travail établit une méthodologie complète d’évaluation de la performance de modalités de téléopération.

Teleoperation enables a task to be carried out remotely by a human expert. This remote control is often a guarantee of greater safety and comfort, or simply of feasibility in hazardous environments. However, it can also mean a loss of efficiency, or added complexity. To avoid these pitfalls, it is necessary to consider 1) what constitutes an operator's expertise for a given task, 2) the constraints encountered in carrying it out, and 3) the form of a teleoperation system adapted to it. An example of a task that could benefit from teleoperation is the task of finding solvents for chemical compounds, which is one of Syensqo's areas of expertise. This involves characterizing the solubility of a solute in a set of solvents, in order to determine the optimum solvent for that solute. This task, based on visual, cognitive and manual expertise, is performed by a small number of expert technicians. Performing this task relies on an empirical, tedious and sometimes dangerous process, motivating the distancing of technicians from the experimental environment through robotic assistance. Using this task as a case study, this thesis aims to answer the following questions: on the one hand, how can an operator's expertise be preserved when performing a task using a teleoperated system? And on the other hand, how can the suitability of a teleoperation solution for performing an expert task be assessed? To answer these questions, a broad-spectrum literature review was carried out and two experimental studies were conducted. In these, the relevance of remote task performance modalities was analyzed in relation to the manual mode. To enable these studies to be carried out under secure conditions, the proposed modalities were tested on a reading task. The texts read are inscribed on capsules, placed in vials carried by a robot controlled by the user. The user observes the vials remotely via a camera. In the first study, user control is limited to real-time modification of the robot's temporal profile (speed, direction of travel) along a set of pre-determined Cartesian paths. Different types of modulation (on visual feedback, or on the robot's trajectory) are evaluated. The results of this experiment show that these modalities enable the task to be carried out, but lead to a degradation in performance that disqualifies their applicability. This degradation is due to the lack of richness in the proposed interactions. In the second study, a robot was designed to achieve a range of motion similar to that observed in technicians, and intuitive interfaces were used to define the desired movement of the vial in real time. The study shows that controlling the robot via these interfaces does not achieve an efficiency similar to that of the manual mode. However, the performance achieved is encouraging, and the study identifies several avenues of improvement for the efficient and reliable deporting of the technical gesture in chemistry. Finally, beyond the application framework, this work establishes a comprehensive methodology for evaluating the performance of teleoperation modalities.