Espace de conception et modèle d'interaction multi-tactile gestuel : un environnement de développement pour enrichir le modèle

The technical refinement and the recent adoption of multi-touch technologies by both the industry and users made these technologies a major concern for interaction designers. While many studies on human-computer interaction have started to compare this type of interface with traditional WIMP interfaces performance-wise, few have included in their approach the gestural and system mapping specificities of multi-touch interactions. In this study, I defend the idea that such interaction design should follow a specific interaction model taking into account physical, cognitive, sensitive and motor aspects of gestures in the human-computer relation. I define a design space, sort of socio-technical approach, which participates in the definition of a descriptive and generative interaction model. I establish a set of conceptual and technical principles that allow the evaluation and conception of multi-touch interfaces, in a systemic and extensible way. Throughout this study, I emphasize the limits of the « natural user interface » paradigm by having a better understanding of how interaction realism affects system efficiency. Finally, I present a multi-touch framework developed as part of a CIFRE collaboration, which helped this study in the design and the extension of the conceptual model.L’affinage technique et l’adoption récente des technologies tactiles multi-points par les industriels et les utilisateurs ont fixé l’attention des designers d’interaction sur ces technologies. Tandis que de nombreuses études en interaction homme-machine se sont intéressées à comparer la performance de ces interfaces à celle des interfaces WIMP traditionnelles, peu se sont attachées à intégrer dans leur approche les spécificités du canal gestuel et les modalités d’interactions multi-tactiles. Dans cette étude, je défends l’idée que le design de telles interactions ne peut être approché qu’en suivant un modèle d’interaction spécifique intégrant l’ensemble des composantes physiques, cognitives, sensorielles et motrices du geste dans le couplage homme-machine. J’articule ma recherche autour d’un espace de conception, courte analyse sociotechnique de mon objet d’étude, dans lequel je définis un modèle d’interaction descriptif et génératif. Je détermine un ensemble de principes conceptuels et techniques permettant l’évaluation et la conception du design d’interfaces multi-tactiles de manière systémique et extensible. Au cours de cette étude, je précise les limites du paradigme d’ « interface naturelle » en nuançant les effets du réalisme des interactions dans l’efficacité de tels systèmes. Enfin, je présente les travaux de conception et de développement d’un environnement de développement réalisé dans le cadre d’un dispositif CIFRE qui a accompagné cette étude et permis d’enrichir le modèle théorique

Une approche autonome pour la gestion logicielle des espaces intelligents

Depuis une vingtaine d'années, les développements dans les technologies de l'information ont fait évoluer les paradigmes de l'informatique. L'arrivée d'approches telles que l'informatique diffuse et l'intelligence ambiante ont fait émerger de nouvelles technologies permettant d'améliorer la qualité des interactions avec les systèmes informatisés. Entre autres, l'application de l'informatique diffuse et de l'intelligence ambiante à des environnements tels que des habitats, les espaces intelligents, offre des milieux où une assistance contextualisée est offerte aux utilisateurs dans la réalisation de leurs activités quotidiennes. Toutefois, la démocratisation de l'informatique diffuse et la mise en place des espaces intelligents rencontrent un bon nombre de problèmes. Le nombre important de composantes matérielles et logicielles, les dépendances entre celles-ci et leurs natures hétérogènes contribuent à la complexité de déploiement et de gestion de ces milieux, entraînant des coûts élevés. Cette thèse vise à contribuer à la gestion logicielle des espaces intelligents par la réduction de la complexité des tâches de gestion. Notre proposition consiste en une approche autonome de la gestion logicielle, fondée sur l'approche de l'informatique diffuse autonome. L'objectif est de fournir un ensemble de fonctionnalités et de mécanismes permettant de rendre autonome la majeure partie des tâches de gestion des logiciels déployés dans des espaces intelligents. Dans le cadre de ce travail, nous proposons une solution permettant l'organisation autonome des logiciels des espaces intelligents. Ainsi, cette solution utilise les informations contextuelles des milieux afin de déterminer quelle répartition des logiciels parmi les appareils des milieux correspond le mieux aux besoins des applications, aux caractéristiques propres des environnements et, non le moindre, aux modalités et préférences d'interaction des utilisateurs de ces milieux. La solution proposée a été implémentée et évaluée à l'aide d'une série de tests et de mises en situation d'organisation logicielle. Les contributions de ce travail à l'état de l'art de la gestion des espaces intelligents sont multiples avec comme principales innovations la présentation d'une vision de l'informatique diffuse autonome, l'implémentation d'un intergiciel d'organisation logicielle autonome basé sur une sensibilité au contexte macroscopique et microscopique et l'intégration des modalités d'interaction des utilisateurs dans le raisonnement portant sur l'organisation des logiciels. Enfin, ce travail de thèse se déroule dans le contexte des recherches du laboratoire DO-MUS de l'Université de Sherbrooke, Canada, et du laboratoire Handicom de Telecom SudParis, France. Ces deux laboratoires travaillent à la conception de solutions permettant d' améliorer la qualité de vie et l' autonomie de personnes dépendantes, atteinte par exemple de troubles cognitifs ou de handicaps physiques

Synthèse sur la conception, commande et planification de trajectoire d'une interface de locomotion pour la réadaptation de la marche

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017Cette thèse synthétise la conception d'une plateforme de marche destinée à la réadaptation des membres inférieurs pour le mouvement de la marche. L'automatisation du travail des thérapeutes, la réduction de leur charge de travail et la diversification des exercices pour les patients est un atout par rapport aux outils existants sur le marché tels que les tapis roulants ou les allées instrumentées pour la réadaptation. La conception d'une interface de locomotion pour la simulation de la marche présente des défis en terme de performance et de stabilité du mécanisme, de même que pour assurer la sécurité de l'utilisateur. L'équilibre de l'utilisateur doit être préservé grâce à une interaction humain-robot souple durant la phase d'élancement du pied et une sensation de rigidité lors de la phase d'appui. Dans un premier temps, la thèse présente le mouvement de la marche humaine pour trois types de milieux, c'est-à-dire la marche au sol, la marche d'escalier ascendante et la marche d'escalier descendante. Entre autres, le chapitre 1 cible les points essentiels de la cinématique et de la dynamique des membres inférieurs afin d'établir les exigences physiques pour la conception de la plateforme de marche. Le chapitre 2 introduit l'architecture mécanique de l'interface de locomotion basé sur deux systèmes indépendants de courroies déplaçant les deux effecteurs dans les translations horizontale et verticale, correspondant au plan sagittal dans lequel la majeure partie du mouvement de marche s'effectue. L'architecture du routage de courroies découple les degrés de liberté et simplifie ainsi la commande de la plateforme en séparant chaque degré de liberté en système indépendant. Cette architecture augmente également le rendement des efforts articulaires transmis aux effecteurs comparativement à un système dont les degrés de liberté sont co-dépendants. La thèse introduit ensuite la commande mise en place pour l'interaction entre le mécanisme et l'opérateur. Les exigences cinématiques et dynamiques diffèrent selon la phase d'élancement et la phase d'appui de la marche. Ainsi, le chapitre 3 présente la stratégie mise en place dans la direction horizontale pour minimiser les forces d'interaction entre l'utilisateur et l'effecteur. La commande en force permet, dans un premier temps, de diminuer l'inertie apparente de l'effecteur ressentie par l'utilisateur. Par la suite, un mécanisme passif à câbles est utilisé en tant qu'interface pour réduire davantage l'impédance ressentie du système. Le chapitre 4, quant à lui, décrit la stratégie mise en place pour gérer la phase d'appui de la marche afin de générer la contrainte rigide nécessaire à la simulation du sol virtuel. Le chapitre introduit la commande pour générer la limite virtuelle ainsi que la mise en place du système d'équilibrage statique à ressort à gaz pour diminuer le travail des moteurs et supporter le poids de la personne. Finalement, le chapitre 5 introduit la commande haut niveau pour générer le mouvement infini sur l'interface de locomotion avec un algorithme de recul, ramenant l'utilisateur dans la direction opposée à son mouvement pour générer l'espace nécessaire aux prochaines phases de marche, dans la direction horizontale comme pour le fonctionnement d'un tapis de course et dans la direction verticale, comme pour le fonctionnement d'un escalier mécanique inversé.This thesis summarizes the design of a locomotion interface for gait rehabilitation. The aim of the mechanism is to alleviate the workload of therapists by automating the repetitive movements involved in the rehabilitation exercises. Moreover, by offering a larger panel of exercises, the locomotion interface should be an asset compared to standard treadmills or rehabilitation walkways. Walking simulation is a challenge in terms of performance, power and safety since the mechanism includes the user in the workspace of the effectors. The balance of the user should be ensured during the swing phase with a reduced human-robot interaction and reliable during the stance phase. First, Chapter 1 describes the walking motion, the stair climbing up and down movement and highlights their main kinematic and dynamic features. Chapter 2 then introduces the architecture of the locomotion interface based on independent belt routings which transmit the movement to two end-effectors that carry the user. Each foot platform has two degrees of freedom (dofs) corresponding to the horizontal and vertical translations in the sagittal plane. Decoupling the dofs simplifies the control of the locomotion interface and increases the efficiency of the torque of the motor sent to the end-effectors compared to systems with co-dependent degrees-of-freedom. Then, the thesis presents the strategies used to supervise the human-robot interaction. The kinematic and dynamic requirements are different during the swing phase and the stance phase of the human gait. Therefore, Chapter 3 introduces the force controllers that lighten the apparent inertia of the mechanism as well as the additional mechanism based on passive cables in order to further alleviate the impedance of the effector. Chapter 4 presents the controller that generates the vertical virtual constraint in order to produce the required reliable floor during the stance phase. The rendering of the virtual environment is improved with the implementation of a static balancing system based on gas springs that alleviates the workload of the motors that handle the weight of the user. Finally, Chapter 5 introduces the cancellation algorithm that generates the infinite environment. Horizontally, the user is brought backward such as on a treadmill. Vertically, the user is moved in the opposite direction of his/her movement such as in a reversed escalator

Analyse, commande et intégration d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles pour la réalisation d'une interface haptique comme métaphore de navigation dans un environnement virtuel

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique

Conception de techniques d'interaction mixtes dédiées aux environnements virtuels hétérogènes : approche centrée sur les usages et guidée par les modèles

Les environnements 3D sont de plus en plus prégnants dans notre quotidien (jeux, situations culturelles ou applications professionnelles). En parallèle, de nouvelles techniques d'interaction émergent sans cesse dans le but de faciliter l'interaction de l'utilisateur avec les systèmes. Des évaluations sont généralement mises en place afin de tester la mise en œuvre d'une technique d'interaction dans un environnement type pour des tâches élémentaires (e.g. sélection ou navigation) et déterminer son adéquation en termes de performance et de satisfaction. Nos travaux visent à proposer une méthode d'évaluation en environnement virtuel 3D qui s'appuie sur une adaptation de la norme ISO 9241-9. Pour répondre à des problématiques portées par les systèmes à multi-vues liées, nous avons également adapté la norme ISO 9241-9 à un environnement hétérogène mêlant 2D et 3D.3D environments are increasingly present in our life (games, cultural situation, or professional applications). At the same time, new interaction techniques continuously appear to improve the user interaction with systems. Evaluations are usually proposed to assess the implementation of an interaction technique in a specific type of environment for elementary tasks (e.g. selection or navigation) to determine the consistency of the technique in terms of performance and satisfaction. Our works aim at defining an evaluation method in 3D environment that is based on the standard ISO 9241-9. To answer to issues of linked multi-views systems, we adapt the standard ISO 9241-9 to a heterogeneous environment that mixes 2D and 3D

Comparaison de périphériques d'entrée physique versus périphériques d'entrée tactile virtuel

International audienceWe introduce on this paper a comparison between four interactions during an input task on a four keys virtual keyboard. This keyboard is controlled by the same methods with the four interactions. Two interactions base on existing input devices while the two others simulate the functioning of those same peripherals but on a touchscreen. This study aims to define the adaptative faculty to a new input device and to give few numbers on the performance modification by the transfer of the physical interaction into the virtual interaction

Techniques d'interaction 'phygitales' pour l'exploration de systèmes informationnels complexes

Durant cette dernière décennie, la quantité de données numériques n'a cessé d'augmenter. Ces données provenant de l'Internet des Objets ou de smartphones permettent aux utilisateurs de comprendre et d'analyser leur santé, leur mode de vie ou encore leur consommation énergétique, et aux différentes institutions (villes, campus, promoteurs immobiliers) de gérer le flux de population, le trafic routier ou les pertes énergétiques dans les bâtiments administrés. Le domaine de la "ville intelligente" en tire particulièrement profit. Il est donc capital de mettre à disposition des visualisations interactives de ces données pour pouvoir faire émerger des connaissances et faciliter la prise de décision. Une approche récente propose de représenter ces données proches de l'objet qui les capte ou les produit. Cependant, ce domaine est encore assez récent et il reste de nombreux défis à explorer. Un des défis majeurs identifié par Thomas et collab. (Thomas et al., 2018) est le développement et la conception de techniques d'interaction pour faciliter l'analyse de données situées. L'objectif de nos travaux de thèse est de concevoir et d'évaluer des solutions interactives tirant profit du référent physique pour interagir avec des données numériques situées en se focalisant sur une tâche interactive fondamentale en IHM : la sélection. Dans ce manuscrit nous abordons cette tâche selon une approche fonctionnelle et une approche conceptuelle.Over the past decade, the amount of digital data has been increasing. This data from the Internet of Things or smartphones allows users to understand and analyse their health, lifestyle or energy consumption, and different institutions (cities, campuses, real estate developers) to manage the flow of people, road traffic or energy losses in the buildings they manage. One particular topic that benefits from this is the "smart city". It is therefore essential to make interactive visualisations of this data available in order to generate knowledge and facilitate decision-making. A recent approach proposes to represent these data close to the object that captures or produces them. However, this field is still quite new and there are still many challenges to explore. One of the major challenges identified by Thomas et al. (Thomas et al., 2018) is the development and design of interaction techniques to facilitate the analysis of situated data. The objective of our thesis work is to design and evaluate interactive solutions leveraging the physical referent to interact with situated digital data by focusing on a fundamental interactive task in HCI: selection. In this manuscript we study this task from both a practical and a conceptual approach

Architecture distribuée pour la détection d'activité dans un Espace Intelligent

La présente étude porte sur la capacité d'améliorer la détection des Activités de la Vie Quotidienne, AVQ (ou ADL :"Activity of Daily Life") par l'utilisation de capteur [i.e. capteurs] de mouvements portés par l'occupant d'un habitat intelligent. Les données provenant de ces capteurs devraient fusionner avec les informations issues de l'appartement pour donner une information plus pertinente par le principe de synergie [21]. La solution choisie pour le dispositif porté par la personne est l'innovation principale du projet : un réseau de capteurs disposés à plusieurs endroits sur le corps, communicant sans fil entre eux et avec le contrôle de l'appartement. Les données extraites sont le mouvement relatif du corps, et plus spécifiquement des mains et du tronc, par rapport à la verticale. De par les propriétés de ces éléments - nécessairement petits, discrets - des MEMS seront utilisés pour satisfaire ces critères. Le projet repose sur la conception des dispositifs embarqués sur l'occupant dans l'optique d'en étendre les fonctionnalités à d'autres analyses tels [i.e. telles] que le son, la position dans l'environnement, le statut médical, etc. Pour prouver la faisabilité, des capteurs externes seront ajoutés pour compléter les informations de base et donc étendre la qualité des inférences sur les activités en cours. Le mouvement est une donnée facilement détectable de par sa relative simplicité de mise en oeuvre et il fournit une bonne base de travail pour étudier de façon systématique les différents points clés de l'étude : la communication, la synergie des informations, l'analyse des activités, etc