Avec l'expansion de l'informatique dans tous les domaines de la vie courante, les interactions avec des agents virtuels sont devenues courantes. Par ailleurs, nous savons que les émotions influencent les interactions entre individus. Dans cette thèse, nous nous plaçons dans le cas de la marche expressive non contrainte pour étudier, dans un premier temps, l'influence des émotions sur les interactions entre deux marcheurs réels. Puis, dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux interactions entre un marcheur expressif virtuel et un sujet réel. La première étape de ce travail a consisté à concevoir et valider un protocole expérimental permettant l'analyse de marches expressives non contraintes. Nous avons ainsi capturé les mouvements de deux acteurs dans des tâches de marche seul ou en groupe. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étudié les données de marche en groupe afin de mettre en évidence l'émergence d'un comportement de synchronisation entre les marcheurs de type meneur-suiveur. Nous avons également montré que les caractéristiques des émotions (comme le dialogue par exemple) peuvent avoir une influence sur cette synchronisation. Enfin, dans la troisième et dernière partie de cette thèse, nous avons étudié l'influence des émotions sur les interactions entre un humain virtuel et un humain réel. Pour cela, nous avons adopté une démarche en trois étapes : conception et analyse d'une base de données de marches expressives entre deux acteurs réels en ligne droite ; validation de la base de données par une étude en perception ; animation d'un humain virtuel grâce aux données de la base de données puis analyse de la marche entre des sujets réels et l'humain virtuel. Les résultats obtenus ont montré une forte similarité entre les deux situations. / With the growing of information technologies in all everyday life situations, interactions with virtual agents are now common. Furthermore, we know that people's emotions influence interactions between them. In this thesis, we consider the case of unconstrained and expressive walk to study the influence of emotions on interactions between two real walkers. Then, we focus on the interactions between a virtual expressive human and a real subject. The first step of this work was to design and validate an experimental protocol allowing the analysis of unconstrained and expressive walks. Thus, we captured the motion of two actors walking alone and walking together. In the second part, we studied the data from the group walk situation and we highlighted the emergence of a leader-follower behavior between the walkers. We also showed that the characteristics of the emotions (eg dialogue) have an influence on this kind of synchronization. Last and not least, we studied the influence of emotions on interactions between a virtual human and a real one. We used a three-step process : creation and analysis of a database of expressive walks along a line between two walkers ; validation of the database through a perceptual study ; animation of a virtual human with the data from the database and analyze of the walk between real subjects and the virtual human. Results showed a strong similarity between the two situations.

Les humains virtuels en interaction homme machine sont aujourd’hui établis comme un objet de recherche à part entière. Leurs comportements pensés pour différentes applications sont basés sur les routines d’interaction entre humains. Bien que les humains virtuels aient souvent un corps représenté graphiquement, les recherches actuelles souffrent de deux limitations majeures qui dégradent la crédibilité de l’expérience des utilisateurs : les comportements corporels modélisés manquent d’interactivité sociale et ne prennent pas en compte les différences interindividuelles. Les développements récents en Sciences Humaines promeuvent une approche plus intégrative avec en son cœur le rôle constitutif de l’interaction sociale. La position centrale et interdisciplinaire des humains virtuels dans ce nouvel agenda de recherche est particulièrement importante : ils sont à la fois une manière de mieux étudier les différents phénomènes d’interactions sociales (comme outil expérimental) et une solution potentielle à des défis sociétaux (comme applications). L’objectif principal de cette thèse est de combiner les apports et valoriser les synergies établies entre les sciences de l’informatique et les sciences humaines, afin d’appréhender le rôle modérateur des différences interindividuelles dans le contrôle et la régulation des interactions corporelles. L’objectif à plus long terme de cette contribution vise à développer des humains virtuels interactifs à l’interface de ces domaines, avec l’idée que les besoins des deux champs de recherches contraindraient de manière positive les propositions futures. Pour limiter le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les mouvements du corps (les aspects statiques du corps ou les autres modalités ne sont pas considérées), sur les mécanismes de couplages bas niveaux et le rôle modérateur des différences interindividuelles avec comme objectif de proposer des prototypes d’humains virtuels comme preuve de concept (plutôt que des logiciels fonctionnels complets) incluant des modèles d’interaction corporelle dyadique. Notre méthodologie peut être résumée en quatre étapes principales. Premièrement, les modèles et hypothèses liant les processus d’interaction sociale aux différences interindividuelles résultent d’une double revue de littérature en sciences de l’informatique et sciences humaines. Ces différences interindividuelles identifiées comme pertinentes apparaissant faiblement associées théoriquement, notre seconde étape consista à étudier leurs associations lors d’une étude à grande échelle. Troisièmement, les interactions corporelles ont été analysées dans deux études de cas qui présentent des intérêts applicatifs et expérimentaux. Dans les deux cas, des corpus multimodaux d’interactions corporelles dyadiques ont été collectés et associés à des mesures de différences interindividuelles. La phase finale fut de développer des prototypes d’humains virtuels inspirés par les analyses précédentes et basés sur les données collectées. Le modèle général portant sur la prise en compte des différences interindividuelles se révèle en accord avec les données collectées (questionnaires d’auto-évaluation) : les relations entre dispositions d’orientations pro-sociales, d’empathie et de régulation émotionnelle furent confirmées. Les deux études de cas validèrent partiellement les hypothèses initiales : certaines différences interindividuelles modulèrent les processus d’interaction corporelle. Ces études contribuent à la définition de modèles d’humains virtuels interactifs parcimonieux. La principale contribution critique de ces deux études de cas au rôle modérateur des différences interindividuelles dans le modèle proposé est la nécessité de prendre en considération le contexte de la tâche avant de définir les hypothèses. L’intégration de ces différences interindividuelles identifiées dans les études de cas aux modèles informatiques interactifs est incluse dans les directions de recherches futures. / In human computer interaction, virtual humans are now established as a specific object of research. They build on human to human interaction routines to serve various application goals. Although Virtual Humans (VH) have bodies, current researches suffer from two major limitations which impair the experienced credibility: modeled bodily behaviors lack of social interactivity and do not account for individual differences. Recent developments in human sciences call for a more integrative approach with at its heart the constitutive role of social interaction. Of particular importance is the central and interdisciplinary position of virtual humans in this new research agenda: they are both a way to better investigate the various socially interactive phenomena (VH as experimental tools) and potential solutions for societal challenges (VH as applications). The main goal of this PhD thesis is to contribute to both computer and human sciences by studying together bodily interaction and individual differences. Central to this study is the long term objective to develop interactive virtual humans at the interface of these domains, with the idea that requirements from both fields would constrain positively future propositions. To limit the scope of the thesis, we focused on body movements (not considering static bodily aspects or other modalities), low level coupling mechanisms and the moderating role of individual differences with the aim to propose proof of concept of virtual human prototypes (rather than complete functional software) embedding full body dyadic interaction models. Our research methodology can be summarized in four main steps. First, models and hypotheses linking social interaction processes and individual differences emerged from a review of the literature in both computer and human sciences. As the identified relevant individual differences appeared barely theoretically associated, our second step aimed at investigating their interrelatedness in a large scale study. Thirdly, bodily interactions were analyzed in two case studies which present application and experimental interests. In both cases, corpuses were collected with full body interacting dyads and individual differences measured. The final phase was to develop virtual human prototypes inspired by previous analyses and based on the collected data. The proposed general model of individual differences was shown to be consistent with real word data (collected by self-report questionnaires): dispositions in pro-social orientations, empathy and emotion regulation were closely related. The two case studies partially confirmed our initial hypotheses: various individual differences modulated the bodily interactive processes. These studies enabled the definition of parsimonious virtual human interactive models. The main critical contribution of the two case studies to the proposed model of individual differences is the clear necessity to take into consideration the task context before drawing any hypotheses. Future directions of research are proposed including an integration of individual differences identified in case studies.

Comprendre le mouvement humain mobilise des chercheurs de nombreuses disciplines scientifiques : physiologie, biomécanique, neurosciences comportementales, anatomie fonctionnelle, les sciences du sport... Mes travaux s'inscrivent donc dans une démarche pluridisciplinaire d'analyse/synthèse du mouvement humain. Pour mener à bien cette démarche, une première tâche consiste à modéliser et à simuler le système moteur ainsi qu'un ensemble d'hypothèses. L'objectif est de disposer d'une représentation numérique du problème. Les mouvements simulés doivent ensuite être confrontés à des données expérimentales pour valider à la fois les hypothèses, le modèle et la méthode de simulation. Mon travail s'organise en trois principales contributions qui entrent dans cette approche d'analyse/synthèse. La première contribution concerne le développement de nouvelles méthodes de modélisation et de simulation de mouvements permettant de tester des connaissances issues des sciences expérimentales. La méthode doit aussi être capable de calculer très rapidement des mouvements afin d'intégrer les personnages simulés dans des environnements interactifs, comme en réalité virtuelle, par exemple. Pour modéliser et simuler un mouvement naturel, il faut être capable de gérer des contraintes cinématiques (pour tenir compte de la géométrie de son environnement), cinétiques (pour gérer la répartition de ses masses dans l'espace), dynamiques (les lois de la mécanique s'appliquent évidemment aussi) et d'autres que nous regrouperons sous le terme de " style " (lié à des aspects psychologiques, sociologiques...). Nous avons proposé une nouvelle représentation du mouvement humain qui simplifie grandement la résolution de contraintes cinématiques et cinétiques à partir d'un mouvement initial (issu d'un système de mesures ou conçu manuellement). L'hypothèse est que les mouvements mesurés vérifient intrinsèquement la plupart des contraintes citées précédemment. Il est ensuite possible d'ajouter ou de modifier certaines de ces contraintes pour simuler l'adaptation du système moteur à de nouvelles situations. La deuxième contribution concerne la définition d'un protocole de validation des mouvements simulés. C'est un problème difficile car le mouvement humain implique un grand nombre de degrés de liberté et de pas de temps, ce qui conduit à un espace de dimension énorme. Comment ramener cela à une valeur unique de distance ? Les méthodes classiques utilisent des erreurs moyennes, des corrélations ou des correspondances temporelles entre courbes. Cependant, ces valeurs quantifiables ne reflètent pas toujours le réalisme des mouvements simulés si on demande à des sujets d'en juger la qualité. En réalité virtuelle, plusieurs travaux cherchent à évaluer la sensation d'être présent dans un environnement simulé. Nous avons donc proposé de juger du réalisme du mouvement en faisant interagir des sujets réels avec des entités simulées. Ces travaux ont été menés dans le cadre particulier du duel gardien-tireur mais pourraient être étendus à un cas plus général. La troisième contribution concerne une étude transversale de la locomotion bipède via une approche de type analyse/synthèse. L'objectif de ce travail est de déduire complètement un mouvement de locomotion à partir d'un ensemble de données anatomiques et d'hypothèses générales issues de la biomécanique et des neurosciences. Une application évidente concerne la cherche de locomotions possibles pour des espèces fossiles. Fondamentalement, le problème revient à gérer un espace très important de postures possibles à chaque pas de temps et à en extraire une séquence qui soit comparable à ce qu'une créature réelle aurait naturellement produit. Nos travaux ont donc abouti à un une plate-forme de tests d'hypothèses locomotrices (minimisation d'énergie, de la dérivée de l'accélération, de la distance à une posture de référence...). L'entrée principale de cette plate-forme est la description de l'anatomie de la créature et une série d'empreintes à suivre.

Parce qu’elle permet d’associer les capacités physiques d’un robot aux capacités perceptives et cognitives de l’Homme, la robotique collaborative peut être une solution pour répondre au problème des troubles musculo-squelettiques dans l’industrie. Cependant, le gain d’ergonomie qu’apporte l'utilisation de tels robots est rarement quantifié, à cause du manque d’outils adéquats.Ce travail vise à développer un outil générique permettant d’effectuer des évaluation ergonomiques d'activités de co-manipulation, à partir de très peu de données d’entrée. Cet outil s’appuie sur une évaluation en simulation, à l’aide d’un mannequin virtuel. Afin d'estimer les différentes sollicitations biomécaniques auxquelles sont exposés les ouvriers lorsqu’ils réalisent des tâches manuelles, de nombreux indicateurs d'ergonomie sont définis, et mesurés grâce à une simulation dynamique. Le mannequin virtuel est animé avec une technique d’optimisation LQP, et le robot est contrôlé par une commande en amplification d’effort. L'outil proposé est validé à l'aide d'expériences basées sur la capture de mouvement.Cependant, le choix d’un robot plutôt que d’un autre est rendu difficile par le nombre élevé d’indicateurs d'ergonomie à prendre en compte. Une méthode pour analyser la sensibilité des indicateurs aux différents paramètres du robot et de la tâche considérée est donc développée. Une telle analyse permet de réduire le nombre d’indicateurs à prendre en compte, tout en rendant suffisamment compte de l’ergonomie de chaque situation.Enfin, l’outil de simulation mis en place est couplé à un logiciel d’optimisation par algorithme génétique, afin d' optimiser la cinématique d’un robot collaboratif. / The growing number of musculoskeletal disorders in industry could be addressed by the use of collaborative robots, which allow the joint manipulation of objects by both a robot and a person. Designing such robots requires to assess the ergonomic benefit they offer. However there is a lack of adapted assessment tools. This work presents a generic tool for performing accurate ergonomic assessments of co-manipulation activities, with very little input data. This tool relies on an evaluation carried out within a digital world, using a virtual manikin to simulate the worker. A framework is developed to enable the estimation of the different biomechanical solicitations which occur during manual activities. Multiple ergonomic indicators are defined and measured through a dynamic simulation of the considered activity. The virtual manikin is animated through a LQP optimization technique, and the robot is controlled according to the manikin-robot interaction force. The proposed framework is validated with motion capture experiments. However, the high number of indicators that are measured makes any kind of conclusion difficult for the user. Hence, a methodology for analyzing the sensitivity of the various indicators to the robot and task parameters is proposed. The goal of such an analysis is to reduce the number of ergonomic indicators which are considered in an evaluation, while sufficiently accounting for the global ergonomic level of the considered activity. Finally, an application of the proposed methodology is presented. The evaluation framework is linked to a genetic algorithm software in order to optimize the morphology of a collaborative robot for a given task.

Les enfants atteints de paralysie cérébrale présentent souvent des troubles de la locomotion. La chirurgie orthopédique vise à améliorer la marche de ces enfants. La perspective de ce travail est de simuler ces effets.Dans ce sens, un modèle anthropométrique 3D représentant un humain, avec des pieds articulés, est développé. La marche est simulée avec une technique d’optimisation LQP, sous contraintes. Les simulations sont réalisées dans le simulateur dynamique multi-corps XDE.Trois types de contact pied-sol sont implémentés. La marche humaine non pathologique est générée avec les déroulements de pieds standards. Des données issues de la capture du mouvement sont utilisées afin d’améliorer les allures de marche générées. Des vitesses de marche et des longueurs de pas supérieures à celles généralement obtenues avec des robots humanoïdes marchant avec des pieds plats sont atteintes. Ces valeurs, ainsi que la cinématique du plan sagittal, sont proches de celles rencontrées chez l’humain. Les deux autres contacts pied-sol développés concernent la marche sur la pointe des pieds et pieds plats avec déroulement du talon. Différentes longueurs de pas et vitesses de marche sont atteintes pour ces deux types de contact. L’effet virtuel de la modification des limites articulaires est testé sur les marches non pathologiques et sur la pointe des pieds. Le système de simulation développé permet de générer des allures de marche en tenant compte de ces modifications. Dans certains cas, les marches générées reproduisent certaines caractéristiques des marches des enfants atteints de paralysie cérébrale.Des limites et des perspectives de l’approche développé dans ce travail sont discutés. / Children with cerebral palsy generally develop gait impairments. Orthopaedic surgery aims to improve the gait and the function of those children by specific procedures. The perspective of this work is to simulate their effects. In order to do that, an anthropomorphic 3D human model with an articulated foot is developed. A task-oriented Linear Quadratic Programming is used to dynamically simulate walking through constrained optimization. The motion is simulated in the multibody dynamics XDE framework. Three different patterns of foot contacts with the ground are implemented. Asymptomatic human walking is first generated with all the normal foot rockers. Experimental data from motion capture systems is used to improve the generated gait patterns. Greater walking speeds and step lengths than usually obtained with flat feet humanoid robots are simulated. They are close to those of healthy human walking, as well as sagittal kinematics. Dynamical data stay within the magnitudes encountered in human walking. Toe walking and flat feet walking with heel off motion, currently observed in children with cerebral palsy, are the two other developed patterns. Different steps lengths and walking speeds are possible for these two types of motion. The virtual effect of modifying joint limits constraints is tested on different asymptomatic or toe walking simulations. The developed simulation system is able to deal with these changes and to produce walking motions. In some cases, the generated gait patterns reproduce features of cerebral palsy children's walking. Limits and perspectives of this dynamic simulation approach are extensively discussed.

Le domaine de la réalité virtuelle offre de formidables opportunités tout le long de la conception d’assemblage complexe. L’un des avantages est la possibilité de mettre en situation écologique des utilisateurs dès les premières étapes de conception. Ceci est d’autant plus important dans la conception d’installation industrielle complexe. Il est possible de valider rapidement des tâches d’accessibilité, d’assemblage, de maintenance, voire de démantèlement. L’obtention de la validité écologique des études réalisées en environnement virtuel demande cependant que les interfaces homme-machine soient capables de transmettre des informations réalistes. À l’heure actuelle, les systèmes virtuels ne sont pas capables de fournir une interaction haptique complète, notamment les contacts/collisions entre l’utilisateur et les objets virtuels de l’environnement ne résultent pas en un retour haptique. Ceci peut devenir la cause de comportement inapproprié par rapport à la réalité. L’objectif de cette thèse est de proposer un moyen de renforcer la compréhension spatiale en environnement virtuel. Plus particulièrement, nous souhaitons substituer les informations kinesthésiques par des informations tactiles pour augmenter la conscience spatiale et la cohérence visuo-proprioceptive. Nous avons développé une plateforme vibrotactile capable de fournir des informations spatiales sur l’environnement. Nous avons également commencé à interroger le rôle de la représentation du corps en environnement virtuel. Plusieurs études expérimentales ont été réalisées de manière à valider les développements que nous avons mis en avant. / The virtual reality field offers astounding opportunities throughout the design of complex assembly. One of the advantages is the possibility of immerse users in an ecological situation in the early stages of design. It’s even more important during the design of complex industrial plant. It allows to validate accessibility, assembly, maintenance or even dismantling tasks. The ecological validity of the studies carried out in a virtual environment, requires the human-machine interfaces capable of transmitting and rendering realistic information. At present, virtual systems are not capable of providing a complete haptic interaction, in particular contact/collision between the user and virtual objects in the environment do not result in haptic feedback. This can become the cause of inappropriate behavior compared to reality. The aim of this thesis is to propose a way to reinforce spatial awareness in virtual environment. More specifically, we wish to substitute kinesthetic information with tactile information to increase spatial awareness and visuo-proprioceptive consistency. We developed a vibrotactile platform capable of providing spatial information on the environment. We also studied the role of the representation of the body in a virtual environment. Several experimental studies have been carried out in order to validate the developments we proposed.