L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'intérêt d'une nouvelle interface de commande pour fauteuil roulant électrique, un joystick à retour d'effort, destinée à des personnes handicapés moteurs ayant des difficultés à contrôler classiquement leur fauteuil. Ce joystick devra être implémenté sur un fauteuil « intelligent » muni de capteurs télémétriques. Le retour d'effort est calculé en fonction de la proximité des obstacles et aide l'utilisateur sans le contraindre à se diriger vers la direction libre. Le premier chapitre du mémoire est une étude bibliographique portant sur les fauteuils « intelligents », sur les modes de commande en téléopération, sur les interfaces haptiques en robotique et sur la modélisation des tâches de pilotage. Le second chapitre décrit la conception d'un simulateur de pilotage de fauteuil destiné à tester des fonctionnalités nouvelles. Le troisième et dernier chapitre porte sur un ensemble de résultats expérimentaux visant à conclure sur l'intérêt du retour d'effort pour le pilotage de fauteuils électriques et sur le choix de son algorithme de calcul. Les paramètres testés sont notamment la configuration de l'environnement (couloir, passage de porte, espace libre, …) et la cinématique du fauteuil (traction avant, traction arrière) / The objective of this thesis is to evaluate the interest of a new control interface for powered wheelchairs, a force feedback joystick, intended for people with severe motor disabilities which have difficulties to pilot their wheelchair in an usual way. This joystick will have to be implemented on a "smart" wheelchair provided with telemetric sensors. The force feedback is calculated according to the proximity of the obstacles and assists the user, without forcing him, to move towards the free direction. The first chapter of the report is a state of the art on the smart wheelchairs, on the control modes in teleoperation, on the haptic interfaces in robotics and on the modelling of piloting tasks. The second chapter describes the design of a simulator of wheelchair piloting intended to test new functionalities. The third and final chapter relates to a set of experimental results aiming at concluding on the interest of the force feedback for wheelchair piloting and on the choice of its calculation algorithm. The parameters tested are in particular the configuration of the environment (corridor, doors passages, free space …) and the kinematics of the wheelchair (front-wheel drive, rear-wheel drive)

Problématique : L'utilisation des immobilisations orthopédiques au membre inférieur est bien reconnue pour permettre au corps de prendre le temps de guérir et cela dans la meilleure position possible. Toutefois, l'impact de ces mécanismes de soutien conçu aussi pour permettre la mise en charge est peu connu, en autre, sur la conduite automobile. Il est donc délicat pour les cliniciens et les législateurs d'éclairer adéquatement les patients bénéficiant de ce type de traitement sur leur aptitude à conduire et d'émettre des recommandations appropriées sur la sécurité routière. Méthodologie. Une étude expérimentale visant à déterminer l'effet des immobilisations orthopédiques au membre inférieur droit a été effectuée au Centre de recherche sur le Vieillissement de l'Université de Sherbrooke. Les forces et les temps de freinage ont été mesurés chez quarante-huit sujets sains (25-60 ans) évalués selon trois conditions, soit en portant leurs chaussures de sport habituelles, une botte de marche plâtrée (Delta-Cast Confoiniable, BSN Medical, Leuven, Belgique) et une botte de marche amovible (Foam pneumatic walker, Aircast, Vista, CA États-Unis). La force et les temps de freinage ont été mesurés à l'aide simulateur de conduite. De plus, un questionnaire sur les variables sociodémographiques, un examen physique sommaire et l'exécution de tests cliniques de"stepping" et de"standing" complétaient l'étude. Chaque sujet accomplissait chacune des évaluations avec les deux types d'immobilisation et ses chaussures habituelles, selon un ordre de passage aléatoire. Résultats. La moyenne de la force maximale exercée sur la pédale de frein par les sujets avec la botte de marche est inférieure aux moyennes obtenues avec la botte de marche amovible et la chaussure de sport (respectivement 275,4 lb, 287,2 lb et 293,8 lb, p = 0,001). Deux différences significatives sont présentes, soit entre la botte de marche et la chaussure de sport (18,4 lb ; p < 0,001) et entre la botte de marche et le Aircast (11,8 lb ; p < 0,001). Les temps de réaction de freinage mesurés sont, en ordre décroissant, de 619 ms, 609 ms et 580 ms pour le Aircast, la botte de marche et la chaussure de sport respectivement. Deux différences significatives sont présentes, soit entre la chaussure de sport et le Aircast (39 ms, p < 0,001) et entre la chaussure de sport et la botte de marche (29 ms, p < 0,001). L'étude confirme aussi une corrélation de faible à modérée entre les tests cliniques de"stepping" et de"standing" et le temps de réaction (p < 0,05). Conclusion. Malgré une différence statistiquement significative entre la force de freinage et le temps de réaction avec le port ou non d'une immobilisation orthopédique, cette différence est jugée cliniquement négligeable chez les sujets sains.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de cette thèse est de déterminer l'impact de la distraction du conducteur et de la consommation d'alcool, ainsi que leurs interactions, sur les performances des conducteurs novices. Des mesures subjectives des comportements à risques et des performances objectives sur simulateur de conduite sont recueillies. Une première expérience étudie les déterminants psycho-sociaux de la prise de risque et le type de comportements à risques rapportés par les jeunes conducteurs. La seconde expérience s'intéresse aux performances lors d'une tâche d'attention divisée sur simulateur de conduite en fonction de l'expérience, de l'âge et du type d'apprentissage suivi. Enfin, la troisième expérimentation a pour objectif d'étudier l'impact de faible et forte dose d'alcool sur les performances de jeunes conducteurs, novices et expérimentés, lors d'une tâche d'attention divisée. Ces recherches permettent d'approfondir nos connaissances sur les mécanismes d'actions de la distraction et de l'alcool sur les performances du conducteur, en particulier des novices. / The aim of this thesis is to investigate the effects of driver distraction by a secondary task, alcohol consumption and their interaction on performance depending on driving experience. Objective and subjective measures are recorded. The first experience studies the determinants of risk-taking and the kind of risky driving behaviour recalled by young drivers. Differences depending on driving experience, sex, and initial training show an increment of driving risk-taking for young drivers with 3 years of driving experience and with traditional training. The aim of the second experiment is to study the effects of a divided attention task on performance depending on driving experience, age and initial training. Novice drivers have more difficulties to divide their attention between two tasks than experienced drivers, notably when one of these tasks is complex or located in peripheral vision. The third experiment studies the negative impact of alcohol (low and high doses) on young drivers' performances, novice and experienced, during a divided attention task. The classical detriment effect of alcohol on driving performance is replicated, and this effect is more pronounced for novice drivers who adopt a risky driving behaviour under the influence of alcohol, even with a low dose of alcohol. This research improves our fundamental knowledge on how distraction and alcohol impair drivers' performance, notably when they are novice.

Cette thèse présente le produit d'un projet de recherche doctoral ambitieux qui a procédé à la réalisation des premières étapes cruciales de conception, développement et évaluation d'un test de mesure de l'impact de la distraction du conducteur (DDIAT). L'objectif de ce test est de mesurer l'impact que la distraction du conducteur a sur les performances de conduite et les comportements du conducteur. En outre, une présentation sera effectuée des étapes majeures qui restent encore à réaliser, et qui dépassent le cadre de cette thèse, pour entièrement valider et implémenter le test. Le DDIAT est composé de trois épreuves de conduite ou Drives (Drive 1, 2 et 3), qui ont été conçues à partir des principes de la littérature de la cognition et de l’attention. Les épreuves Drive 1 et Drive 2 ont été implémentées dans un environnement de conduite urbain et elles incluent des conditions de feux de circulation qui ont été conçues pour ressembler aux feux de circulation rencontrés dans des conditions de conduite réelles. De plus, l'épreuve Drive 1 inclut des scénarios de traversée d’une file de véhicules pour tourner à gauche à une intersection (gap acceptance), dans lesquels les participants doivent prendre la décision cruciale de sélectionner un intervalle entre deux véhicules pour traverser. L'épreuve Drive 2 inclut plusieurs instances de suivi de véhicule, dont certaines où le véhicule suivi freine brutalement et où le participant doit réagir de manière appropriée pour éviter une collision frontale. Enfin, l'épreuve Drive 3 a été conçue pour implicitement mesurer la conscience de la situation dans un environnement de conduite autoroutier, mais cette épreuve n'a pas été entièrement implémentée dans le cadre de cette thèse. Les épreuves Drive 1 et Drive 2 ont été évaluées dans une expérimentation sur un simulateur de conduite avancé. Les résultats de cette évaluation expérimentale ont montré que les deux épreuves Drive 1 et Drive 2 étaient capables de : a) représenter la conduite réelle (c.-à-d., elles vérifient la validité de contenu et la validité apparente), b) mesurer l'impact de la distraction du conducteur et c) de faire la distinction entre les deux tâches secondaires (l'une visuelle/manuelle, l'autre auditive/cognitive) à travers leur impact sur les performances de conduite. En conclusion, le travail complété dans le cadre de cette thèse constitue les premières étapes cruciales nécessaires au développement d'un DDIAT complet qui surpasse les limitations des outils et tests précédents et fournit également les bases d'une méthode standardisée pour aider à surpasser les incohérences qui existent entre les différentes études de mesure de l'impact de la distraction du conducteur. / This thesis describes the outcomes of an ambitious doctoral research program that carried out the initial critical steps in the design, development, and evaluation of a driver distraction impact assessment test (DDIAT). The purpose of this test has been to assess the impact driver distraction has on driving performance and driver behaviour. The thesis also describes the critical steps, beyond the scope of this thesis, that remain to be carried out in order to fully validate and implement the complete DDIAT proposed in this thesis. As part of the DDIAT proposed in this thesis, three Drives (Drive 1, 2, and 3) were designed and created from basic attention principles and by using a complex experimental design. Drive 1 and Drive 2 were implemented in an urban driving environment and included traffic light conditions that were designed to resemble real world traffic light conditions. Furthermore, Drive 1 included gap acceptance events in which participants had to make a crucial and important decision when selecting a gap to turn left though an oncoming stream of vehicles. Drive 2 included various car following instances and lead vehicle braking events, whereby participants had to react suddenly to avoid a frontal collision. Lastly, Drive 3 was designed to implicitly measure situation awareness on a highway driving environment – but was outside of the scope of the thesis to investigate. Drive 1 and Drive 2 were evaluated in an experiment implemented in an advanced driving simulator. The results from this evaluation experiment showed that both Drive 1 and Drive 2: a) represent real world driving (i.e., have content and face validity); b) are capable of measuring the impact of driver distraction; and c) are capable of distinguishing between the impact on driving of two secondary tasks (one visual/manual, the other auditory/cognitive). In conclusion, the work completed as part of this thesis provided a first and important step towards the development of a complete DDIAT that overcomes the shortcomings of previous tests and tools and also provides the beginnings of a standardised method to assist in overcoming the inconsistencies that exist across studies in the measurement of driver distraction.

Ce mémoire constitue une synthèse de mes sept années d'exercice en tant que maître de conférences à l'Université d'Evry Val d'Essonne depuis septembre 2003. Il retrace mes activités de recherche avec le souci constant de maintenir un lien et une cohérence avec mon activité d'enseignement. Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches synthétise les travaux que j'ai menés dans le domaine de la robotique. Ils traitent de trois thématiques principales en intéraction : la commande des dispositifs à rendu haptique, la simulation de conduite et dernièrement la sécurité routière. Les liens reliant l'ensemble de mes études sont mis en exergue afin de délimiter le programme de recherche qui en découle et présenter les réflexions que je souhaiterais développer dans le futur.

L'objectif de ce travail de recherche consistait à utiliser la réalité virtuelle (simulateur de conduite) afin d'améliorer les capacités attentionnelles de personnes présentant une baisse d'efficience de ces aptitudes (en lien avec l'âge ou la survenue d'un traumatisme crânien) pouvant se répercuter sur la conduite automobile. En référence au modèle de l'attention de Van Zomeren et Brouwer (1994), quatre processus attentionnels (alerte phasique, vigilance, attention sélective et attention divisée) ont été entraînés sur simulateur de conduite lors d'un programme comprenant 9 sessions d'une heure. Un groupe contrôle a effectué un training plus conventionnel sur ordinateur. Les performances des participants (10 patients traumatisés crâniens et 16 personnes âgées de plus de 65 ans) ont été évaluées avant et après le training à partir de trois mesures : une évaluation neuropsychologique, une évaluation sur simulateur de conduite et une évaluation sur route réelle. Le bénéfice de l'entraînement sur les performances aux tests neuropsychologiques s'est avéré limité pour les deux groupes. Concernant l'évaluation sur simulateur, les résultats ont révélé une amélioration des performances plus importante pour les participants entraînés sur simulateur. En revanche, les participants ayant bénéficié du training sur ordinateur ont davantage progressé que ceux entraînés sur simulateur lors de l'évaluation sur route réelle. Les résultats ont été discutés en termes d'approche rééducative et d'automatisation des processus attentionnels. Ce travail permet de conclure quant à la nécessité de poursuivre et d'approfondir les recherches sur la réalité virtuelle et le transfert de l'apprentissage en situation de vie quotidienne.

Les simulateurs de conduite permettent d’explorer certains domaines de recherche difficiles à appréhender en conditions réelles, comme l'intégration de différents signaux sensoriels (ex. visuel, vestibulaire, somesthésique) pour la perception du mouvement. Malgré leur complexité, les simulateurs de conduite ne produisent pas toujours une sensation de conduite réelle, spécialement dans les situations comportant des freinages ou des virages. Leurs limites mécaniques en sont la cause. En conséquence, les lois de mouvement des simulateurs sont basées sur la technique de la « tilt-coordination ». Cette technique consiste à incliner un véhicule de telle sorte que la force gravitationnelle soit équivalente à l’accélération gravito-inertielle (GIA) résultant d’une accélération linéaire. La « tilt-coordination » se base sur l'ambigüité perçue par le système vestibulaire entre un basculement et une translation. Sur simulateur de conduite, l'algorithme « washout » combine la « tilt-coordination » à des translations pour produire une sensation d'accélération linéaire. L'objectif de ces travaux de recherche est d'atteindre une meilleure compréhension de l'intégration multisensorielle pour la perception des accélérations linéaires en simulateur de conduite. Les expériences présentées ci-dessous montrent que la perception des décélérations linéaires dépend de la manière dont le basculement et la translation sont combinés pour produire une perception cohérente. Par ailleurs, nos résultats montrent qu'il y a une différence importante dans la perception des accélérations et des décélérations. Pour le freinage, le rapport basculement/translation le plus réaliste dépend du niveau de décélération. Pour l'accélération, le mouvement est généralement surestimé et dépend du niveau d'accélération. Dans ce cas, la perception ne dépend pas du rapport basculement/translation. Ces résultats suggèrent que les signaux visuels, vestibulaires et somesthésiques sont intégrés de façon Bayésienne. En conclusion, il n'est pas conseillé d'utiliser l'algorithme « washout » sans prendre en compte la non-linéarité de la perception humaine. Nous proposons un modèle qui décrit la relation entre le basculement, la translation et le niveau d'accélération ou décélération souhaité. Ce modèle peut être utilisé pour améliorer la loi du mouvement afin de produire des simulations de conduite plus réalistes. / Driving simulators allow the exploration of certain areas of research that are difficult to reach in normal conditions, like the integration of different sensory inputs (visual, vestibular and somesthesic) for perception of self-motion. In spite of their complexity, driving simulators do not produce a realistic sensation of driving, especially for braking and turnings. This is due to their mechanical limitations. As a consequence, driving simulators' motion algorithm is based on tilt-coordination technique, which assumes the tilt of the car so that the driver's force of gravity is oriented in the same way as the gravito-inertial acceleration (GIA) during a linear acceleration. This technique is based on the tilt-translation ambiguity of the vestibular system and is used on dynamic driving simulators in combination with linear translations in so-called washout algorithm, to produce a sensation of linear acceleration. The aim of the present research is to understand how humans use multiple sensory signals (vestibular, visual and somatosensory) during the perception of linear acceleration on a driving simulator. The conducted experiments show that the perception of motion depends on the manner tilt and translation are used together to provide a unified percept of linear acceleration. Further, our results show that there is an important difference on how humans perceive accelerations and decelerations. For braking, the most realistic tilt/translation ratio depends on the level of deceleration. For acceleration, the motion is generally overestimated and depends on the level of acceleration, but not on the variation of tilt/translation ratio. The results suggest that visual, vestibular and proprioceptive cues are integrated in an optimal Bayesian fashion. In conclusion, it is not advisable to use a washout algorithm without taking into account the non-linearity of human perception. We propose an empirically found data-driven fitting model that describes the relationship between tilt, translation and the desired level of acceleration or deceleration. This model is intended to be a supplement to motion cueing algorithms that should improve the realism of driving simulations.

La validité des simulateurs de conduite est une question essentielle pour étayer et valoriser les travaux visant à mieux comprendre les comportements de conduite. Alors que les dimensions subjective et comportementale de la validité ont été régulièrement étudiées, elles font face à certaines limites. A l’opposé, rares sont les études qui se sont intéressées à la validité psychologique des simulateurs. Cette dimension compare l'implication des mécanismes qui sous-tendent les comportements entre conduite réelle et virtuelle. De plus, très peu d’études ont confronté les différentes dimensions de la validité, alors que cela pourrait contribuer au développement d’une métrologie des environnements virtuels. C’est précisément à ce niveau que se situe ce travail de thèse, au cours duquel des mesures classiques de la validité comportementale (vitesse, contrôle latéral) ont été confrontées à des mesures de la validité psychologique examinée sous l’angle de la charge mentale en prenant notamment comme indicateur les clignements oculaires. L’objectif principal était de déterminer si le niveau de charge mentale diffère entre conduite sur route et conduite sur simulateur dans des cas où les comportements observés ne permettent pas de faire de distinction.Pour répondre à cette question, ce travail de thèse a été organisé autour de trois expériences réalisées sur simulateur de conduite et d’une étude sur route réelle. Les deux premières expériences visaient à mieux cerner l’effet de certains facteurs inhérents à la conduite sur route ouverte (trafic, environnement) sur les comportements de conduite et la charge mentale. La troisième expérience était quant à elle destinée à comparer la charge mentale induite par la conduite réelle et la conduite sur simulateur « bas coût », en confrontant cette mesure de la validité psychologique aux mesures comportementales classiques. Enfin, la quatrième expérience a porté sur les effets du retour d’effort du volant sur cette même charge mentale.Les principaux résultats ont mis en évidence un niveau de charge supérieur en conduite simulée par comparaison à la conduite en situation réelle, alors que certaines mesures comportementales (vitesse) n’étaient pas différentes. Cette charge accrue sur simulateur ne semble cependant pas trouver son origine dans le retour d’effort au volant, les modalités de retour testées n’ayant pas eu d’effet sur les indicateurs de la charge. Au final, ce travail confirme que la prise en compte de la validité psychologique, examinée ici sous l’angle de la charge mentale, présente un intérêt dans une démarche d’évaluation, dans le but de mieux cerner le positionnement des utilisateurs face à un dispositif de réalité virtuelle. Il ouvre ainsi des perspectives pour améliorer la validité des simulateurs de conduite. / The validity of driving simulators is an essential subject to support and highlight the works aiming to understand driving behaviours more thoroughly. While the subjective and behavioural dimensions of that validity have often been studied, they encounter a few limits. On the other hand, studies about simulators’ validity are fairly rare. This dimension compares the implication of mechanisms inherent in behaviours between real and virtual driving. Furthermore, very few studies have considered the various dimensions of validity at once, whereas it could contribute to the development of a metrology for virtual environments. This thesis is precisely about this, with confrontations between classical measurements of behavioural validity (speed, lateral control) and measurements of psychological validity, examined from the viewpoint of mental workload - using indicators such as eye blinking. The main objective was to ascertain whether the mental workload levels vary between road driving and simulated driving when the observed behaviours aren’t relevant to make a clear difference.To answer this question, this thesis has been organised around three experiences carried out on driving simulators and a comparison between actual road driving and low-cost simulated driving. Two of those experiences were conducted to finely analyse the effect of some factors inherent to open road driving (traffic, environment) on driving behaviours and mental workload. The third experience was made to compare the mental workload induced by real driving and low-cost simulator driving, by putting this psychological validity measurement against classical behavioural measurements. Lastly, the fourth experience focused on the effects of the driving wheel’s force-feedback on this same mental workload.The main results revealed a higher workload level on simulated driving than on real driving, while some behavioural measurements (speed) were not different. This increased workload with the simulator does not seem to stem from the wheel’s force-feedback, since the tested feedback methods did not have a repercussion on the workload levels. In the end, this work confirms that taking psychological validity - examined here from a mental workload viewpoint - does have an interest within an evaluation process to analyse in a finer fashion the mental state of users when faced with a virtual reality system. It creates prospects to improve the validity of driving simulators.