Behavioral and cognitive basis of sequential actions : can human intentions be revealed trough movement kinematics ?

par Daniel Lewkowicz

Thèse de doctorat en Psychologie

Sous la direction de Yvonne Delevoye-Turrell.

Le président du jury était Laurent Madelain.

Le jury était composé de Yvonne Delevoye-Turrell, Laurent Madelain, Philippe Gaussier, Thierry Pozzo, Yves Paulignan, Marcel Brass.

Les rapporteurs étaient Philippe Gaussier, Thierry Pozzo.

  • Titre traduit

    Intentionnalité et interactions motrices : comment appréhender les intentions d'autrui à partir de la dynamique comportementale ?


  • Résumé

    L'objectif de ma thèse est de participer à la construction d'un nouveau robot humanoïde qui peut réaliser des interactions intuitives avec l'humain à travers l'observation et l'imitation. Pour cela, j'ai conduit une série d'études expérimentales chez le jeune adulte pour caractériser les propriétés cinématiques des mouvements du bras réalisés pendant des interactions motrices et sociales, autant d'éléments qui seront les patterns de référence pour le futur robot. En se concentrant sur le comportement non-verbal, nous avons testé comment les contraintes externes et internes (difficulté, prédictibilité, temporalité) façonne la cinématique des mouvements du bras et de la main dans une simple action séquentielle de prise et de pose d'un objet (étude 1 et 2). Les résultats révèlent des modulations précoces dans la cinématique de la phase d'atteinte et de saisie, en fonction de la taille et de la stabilité du réceptacle terminal sur lequel l'objet devait être placé. Ces modulations observées dans le premier élément de la séquence sont en contradiction avec les modèles d'optimisation de trajectoire utilisés en robotique pour les séquences d'action. Ils suggèrent un couplage fort entre les paramètres moteurs dans une stratégie de planification encapsulée qui rétro-propage les contraintes contextuelles sur les éléments précoces de la séquence. Pour confirmer ces résultats, une seconde série d'étude a été conduite en utilisant des tâches cinématiques et vidéos pour montrer que les intentions motrices humaines pouvaient être lues à travers la détection de ces modulations cinématiques précoces. En utilisant un système de classification artificiel, nous avons testé si les indices de bas niveau pouvaient permettre une catégorisation des essais. Les résultats montrent qu'en absence de capacité cognitive particulière, le réseau de neurone pouvait catégoriser les intentions significativement au-dessus du niveau de la chance en observant les 500 premières millisecondes de l'action (étude 3). La troisième partie de mon travail de thèse s'est tournée vers les mesures en eye-tracking. Nous avons révélé ici que la stratégie proactive de fixations oculaires utilisée pendant l'observation de l'action était similaire à celle utilisée pendant son exécution (étude 4). De plus, les catégorisations correctes d'intentions motrices étaient caractérisées par des saccades plus précises et des fixations plus longues sur l'objet. Les mouvements oculaires sont connus pour jouer un rôle important dans les interactions sociales. Ainsi, dans une dernière expérience (étude 5), nous avons mis en place un jeu compétitif en face à face révélant des effets spécifiques du contexte social qui modifie la cinématique des mouvements d'atteinte selon le type de situations interactives. Dans le manuscrit de thèse je propose une discussion qui replace les résultats dans les modèles neuronaux et cognitifs de l'intégration sensori-mmotrice. Lorsque c'est le cas, des directions futures sont suggérées à la fois pour les modèles cognitifs de contrôle moteur et pour le développement e systèmes artificiels neuro-inspirés intégrant des capacités d'interaction sociale intuitive.


  • Résumé

    The aim of my PhD thesis was to participate in the construction of a new humanoid robot that can sustain intuitive interactions with humans through observation and imitation. As such, I conducted a series of experimental studies in young adults to better characterize the kinematic properties of those arm movements performed during motor and social interactions, elements that are the reference patterns for the to-come robot. Focusing on non-verbal behavior, we tested how external and internal constraints (difficulty, predictability, timing) shaped the kinematics of both arm and hand movements in a very simple pick and place sequential action (study 1 and 2). The results revealed early modulations in kinematics in the reach-to-grasp phase depending of the size and the stability of the target pad on which the object had to be placed. These modulations observed within the first element of the sequence were in contradiction with the current optimized trajectory models used in robotics for action sequences. They suggest in fact a strong coupling of the motor parameters within an encapsulated planning strategy that back-propagates the contextual constraints on to the early elements of the motor sequence. To confirm these findings, a second serie of studies were conducted using kinematic and video based tasks to show that human motor intentions can be read through the detection of these early kinematic modulations (study 3). Using basic artificial classification, we tested whether low-revel motor indices could afford trial categorization without the need for higher-level process such as motor imagery. results indicated that indeed without cognitive abilities the neural network could categorize the intention of an observed action within the first 500ms, significantly above chance level (study 4). The third place of my PhD work turned to eye tracking. Here, we revealed that the proactive strategy of eye-fixations used during action observation were similar to those made during executed actions. Additionally, good categorization of motor intention was characterized by more accurate saccades and longer object fixations. Eye movements are known to play an important role in social intercations. Hence, in a final experiment (study 5), we setup a face-to-face competitive game to reveal the specific effects thet the social context may play on the kinematic properties of reaching during different types of interactive situations. In the PhD mansucript, I propose a general discussion that sets these results within the current cognitive and neuronal models of sensori-motor integration. When appropriate, future directions are suggested both for cognitive models of motor control and for the development of neuro-inspired articicial systems constitued with intuitive social interaction skills.


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