Les premiers robots sont apparus dans les usines, sous la forme d'automates programmables. Ces premières formes robotiques ont le plus souvent un nombre très limité de capteurs et se contentent de répéter une séquence de mouvements et d'actions. De nos jours, de plus en plus de robots ont à interagir ou coopérer avec l'homme, que se soit sur le lieu de travail avec les robots coéquipiers ou dans les foyers avec les robots d'assistance. Mettre un robot dans un environnement humain soulève de nombreuses problématiques. En effet, pour évoluer dans le même environnement que l'homme et comprendre cet environnement, le robot doit être doté de capacités cognitives appropriées. Au delà de la compréhension de l'environnement matériel, le robot doit être capable de raisonner sur partenaires humains afin de pouvoir collaborer avec eux ou les servir au mieux. Lorsque le robot interagit avec des humains, l'accomplissement de la tâche n'est pas un critère suffisant pour quantifier la qualité de l'interaction. En effet, l'homme étant un être social, il est important que le robot puisse avoir des mécanismes de raisonnement lui permettant d'estimer également l'état mental de l'homme pour améliorer sa compréhension et son efficacité, mais aussi pour exhiber des comportements sociaux afin de se faire accepter et d'assurer le confort de l'humain. Dans ce manuscrit, nous présentons tout d'abord une infrastructure logicielle générique (indépendante de la plateforme robotique et des capteurs utilisés) qui permet de construire et maintenir une représentation de l'état du monde à l'aide de l'agrégation des données d'entrée et d'hypothèses sur l'environnement. Cette infrastructure est également en charge de l'évaluation de la situation. En utilisant l'état du monde qu'il maintient à jour, le système est capable de mettre en oeuvre divers raisonnements spatio-temporels afin d'évaluer la situation de l'environnement et des agents (humains et robots) présents. Cela permet ainsi d'élaborer et de maintenir une représentation symbolique de l'état du monde et d'avoir une connaissance en permanence de la situation des agents. Dans un second temps, pour aller plus loin dans la compréhension de la situation des humains, nous expliquerons comment nous avons doté notre robot de la capacité connue en psychologie développementale et cognitive sous le nom de “théorie de l'esprit” concrétisée ici par des mécanismes permettant de raisonner en se mettant à la place de l'humain, c'est à dire d'être doté de “prise de perspective”. Par la suite nous expliquerons comment l'évaluation de la situation permet d'établir un dialogue situé avec l'homme, et en quoi la capacité de gérer explicitement des croyances divergentes permet d'améliorer la qualité de l'interaction et la compréhension de l'homme par le robot. Nous montrerons également comment la connaissance de la situation et la possibilité de raisonner en se mettant à la place de l'homme permet une reconnaissance d'intentions appropriée de celui-ci et comment nous avons pu grâce à cela doter notre robot de comportements proactifs pour venir en aide à l'homme . Pour finir, nous présenterons une étude présentant un système de maintien d'un modèle des connaissances de l'homme sur diverses tâches et qui permet une gestion adaptée de l'interaction lors de l'élaboration interactive et l'accomplissement d'un plan partagé. / The first robots appeared in factories, in the form of programmable controllers. These first robotic forms usually had a very limited number of sensors and simply repeated a small set of sequences of motions and actions. Nowadays, more and more robots have to interact or cooperate with humans, whether at the workplace with teammate robots or at home with assistance robots. Introducing a robot in a human environment raises many challenges. Indeed, to evolve in the same environment as humans, and to understand this environment, the robot must be equipped with appropriate cognitive abilities. Beyond understanding the physical environment, the robot must be able to reason about human partners in order to work with them or serve them best. When the robot interacts with humans, the fulfillment of the task is not a sufficient criterion to quantify the quality of the interaction. Indeed, as the human is a social being, it is important that the robot can have reasoning mechanisms allowing it to assess the mental state of the human to improve his understanding and efficiency, but also to exhibit social behaviors in order to be accepted and to ensure the comfort of the human. In this manuscript, we first present a generic framework (independent of the robotic platform and sensors used) to build and maintain a representation of the state of the world by using the aggregation of data entry and hypotheses on the environment. This infrastructure is also in charge of assessing the situation. Using the state of the world it maintains, the system is able to utilize various spatio-temporal reasoning to assess the situation of the environment and the situation of the present agents (humans and robots). This allows the creation and maintenance of a symbolic representation of the state of the world and to keep awareness of each agent status. Second, to go further in understanding the situation of the humans, we will explain how we designed our robot with the capacity known in developmental and cognitive psychology as "theory of mind", embodied here by mechanisms allowing the system to reason by putting itself in the human situation, that is to be equipped with "perspective-taking" ability. Later we will explain how the assessment of the situation enables a situated dialogue with the human, and how the ability to explicitly manage conflicting beliefs can improve the quality of interaction and understanding of the human by the robot. We will also show how knowledge of the situation and the perspective taking ability allows proper recognition of human intentions and how we enhanced the robot with proactive behaviors to help the human. Finally, we present a study where a system maintains a human model of knowledge on various tasks to improve the management of the interaction during the interactive development and fulfillment of a shared plan.

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.

L'interaction homme-robot arrive dans une phase intéressante ou la relation entre un homme et un robot est envisage comme 'un partenariat plutôt que comme une simple relation maitre-esclave. Pour que cela devienne une réalité, le robot a besoin de comprendre le comportement humain. Il ne lui suffit pas de réagir de manière appropriée, il lui faut également être socialement proactif. Pour que ce comportement puis être mise en pratique le roboticien doit s'inspirer de la littérature déjà riche en sciences sociocognitives chez l'homme. Dans ce travail, nous allons identifier les éléments clés d'une telle interaction dans le contexte d'une tâche commune, avec un accent particulier sur la façon dont l'homme doit collaborer pour réaliser avec succès une action commune. Nous allons montrer l'application de ces éléments au cas un système robotique afin d'enrichir les interactions sociales homme-robot pour la prise de décision. A cet égard, une contribution a la gestion du but de haut niveau de robot et le comportement proactif est montre. La description d'un modèle décisionnel d'collaboration pour une tâche collaboratif avec l'humain est donnée. Ainsi, l'étude de l'interaction homme robot montre l'intéret de bien choisir le moment d'une action de communication lors des activités conjointes avec l'humain / Human Robot Interaction is entering into the interesting phase where the relationship with a robot is envisioned more as one of companionship with the human partner than a mere master-slave relationship. For this to become a reality, the robot needs to understand human behavior and not only react appropriately but also be socially proactive. A Companion Robot will also need to collaborate with the human in his daily life and will require a reasoning mechanism to manage thecollaboration and also handle the uncertainty in the human intention to engage and collaborate. In this work, we will identify key elements of such interaction in the context of a collaborative activity, with special focus on how humans successfully collaborate to achieve a joint action. We will show application of these elements in a robotic system to enrich its social human robot interaction aspect of decision making. In this respect, we provide a contribution to managing robot high-level goals and proactive behavior and a description of a coactivity decision model for collaborative human robot task. Also, a HRI user study demonstrates the importance of timing a verbal communication in a proactive human robot joint action

La progression rapide de la technologie a donné lieu à un panorama riche et varié de dispositifs numériques : caméra, téléphones mobiles, GPS, tablettes tactiles, liseuses numériques, robots, télévisions, éléments de domotique... La majorité de ces appareils sont aujourd'hui connectés à Internet. Et en plus de leurs fonctionnalités principales, ils permettent à leur propriétaire de rester en contact avec " le monde " à l'aide de logiciels de communication, de personnages virtuels ou de robots. Tous ces dispositifs numériques fonctionnent indépendamment les uns des autres. La question qui se pose est de savoir si ces dispositifs numériques doivent être coordonnés afin de partager certaines informations et effectuer certaines actions ensembles. Cette collaboration entre les dispositifs numériques est gérée par le Compagnon Artificiel qui est en contact permanent avec un utilisateur par les biais des divers dispositifs numériques. Une architecture modulaire ArCo permettant de mettre en place un Compagnon Artificiel a été réalisée dans le cadre de ce travail. Les dispositifs numériques sont gérés par des modules spécifiques, créés grâce à un cadriciel MICE (Machines Interaction Control in their Environment). L'utilisateur final du système peut programmer des scenarii d'interaction, qui indiquent les actions que doivent effectuer les dispositifs numériques, grâce à une interface de programmation visuelle AmbiProg. Chaque scénario est interprété par un module AmbiLive. Les conflits d'accès aux dispositifs numériques sont gérés par un module AmbiCop. Un ensemble d'évaluations a permis de valider expérimentalement l'architecture ArCo et de répondre à des problématiques d'interaction homme-machine.

Bientôt, les robots ne travailleront plus de manière isolée mais avec nous. Ils entrent peu à peu dans notre vie de tous les jours pour coopérer, assister, aider, servir, apprendre, enseigner ou même jouer avec l'homme. Dans ce contexte, nous considérons que ce ne doit pas être à l'homme de s'adapter au robot. Au contraire, le robot doit être capable d'intégrer, dans ses stratégies de planification et de décision, différents facteurs d'effort et de confort et de prendre en compte les préférences et désirs de l'homme ainsi que les normes sociales de son environnement. Tout en respectant les principes de sécurité réglementaire, le robot doit se comporter, naviguer, manipuler, communiquer et apprendre d'une manière qui soit pertinente, acceptée et compréhensible par l'homme. Cette thèse explore et définit les ingrédients clés nécessaires au robot pour développer une telle intelligence socio-cognitive. Elle définit également un cadre pour l'interaction homme-robot permettant de s'attaquer à ces challenges dans le but de rendre le robot socialement intelligent / Robots will no longer be working isolated from us. They are entering into our day-to-day life to cooperate, assist, help, serve, learn, teach and play with us. In this context, it is important that because of the presence of robots, the human should not be on compromising side. To achieve this, beyond the basic safety requirements, robots should take into account various factors ranging from human’s effort, comfort, preferences, desire, to social norms, in their various planning and decision making strategies. They should behave, navigate, manipulate, interact and learn in a way, which is expected, accepted, and understandable by us, the human. This thesis begins by exploring and identifying the basic yet key ingredients of such socio-cognitive intelligence. Then we develop generic frameworks and concepts from HRI perspective to address these additional challenges, and to elevate the robots capabilities towards being socially intelligent