La téléopération désigne le contrôle à distance de systèmes robotiques par un opérateur humain. Elle est devenue une modalité opérationnelle importante dans les environnements extrêmes, caractérisés par des contraintes physiques, cognitives et psychologiques exceptionnelles, telles que celles rencontrées dans l'exploration spatiale, la gestion de catastrophes ou la manipulation de matières dangereuses. Bien que la téléopération soustraie les opérateurs à l'exposition physique directe, elle ne les exempte pas nécessairement de conditions opérationnelles exigeantes. Dans de nombreuses applications contemporaines, les opérateurs effectuent des tâches de téléopération tout en étant soumis à des stresseurs environnementaux : gravité altérée pour les astronautes en vol spatial, confinement et isolement pour les équipages des stations antarctiques, ou perturbations sensorielles liées au port d'équipements de protection dans des conditions dégradées. Malgré la pertinence croissante de ces scénarios, l'influence de l'environnement de l'opérateur sur les performances de téléopération demeure insuffisamment comprise. Cette thèse comble cette lacune en examinant dans quelle mesure les conditions environnementales vécues par les opérateurs affectent leurs performances et leur état physiologique au cours de la téléopération.
Une série d'expériences a été conduite dans des environnements opérationnels réels et des simulations à haute fidélité, organisée en deux blocs expérimentaux. Le premier portait sur la téléopération de plateformes robotiques physiques dans différentes conditions : laboratoire contrôlé, hypergravité pouvant atteindre 2g lors de virages en avion, et simulateur lunaire analogue. Ce bloc comprenait également une preuve de concept de téléopération intercontinentale, dans laquelle un manipulateur robotique à Bangalore était opéré en temps réel depuis Toulouse, permettant la caractérisation des effets de la latence réseau dans des conditions opérationnelles réalistes. Le second bloc utilisait une tâche virtuelle d'amarrage de vaisseau spatial, réalisée en conditions d'hypergravité, en milieu sous-marin avec équipement de plongée, et au cours d'une expédition antarctique de 50 jours à bord du navire de recherche Persévérance. Ensemble, ces études ont fourni un ensemble diversifié d'analogues opérationnels couvrant des stresseurs aussi bien aigus que chroniques.
Une approche multimodale a été adoptée : trois catégories de mesures ont été recueillies simultanément. Des métriques de performance objective ont été complétées par des évaluations subjectives de la charge de travail et des mesures physiologiques, comprenant la fréquence cardiaque, la variabilité de la fréquence cardiaque, et dans certaines études la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge. L'acquisition simultanée de ces flux de données complémentaires a permis une caractérisation multidimensionnelle de l'état de l'opérateur.
Les résultats révèlent plusieurs conclusions convergentes. La performance de téléopération active reste largement préservée face aux stresseurs environnementaux, qu'ils soient aigus ou chroniques, pour le contrôle manuel comme pour la supervision de systèmes automatisés, sans que l'un ou l'autre mode ne se révèle plus vulnérable. Cependant, cette stabilité apparente des performances s'accompagne systématiquement de coûts physiologiques et subjectifs mesurables. Dans des conditions à 2g, les participants présentaient des fréquences cardiaques significativement élevées et une charge de travail perçue accrue, tout en maintenant des niveaux de performance comparables. Ce schéma est cohérent avec le recrutement de ressources supplémentaires pour maintenir les performances dans des environnements exigeants. Ce résultat souligne que les systèmes et opérateurs développés en laboratoire contrôlé ne maintiennent pas nécessairement le même niveau d'efficacité lorsqu'ils sont déployés dans des environnements opérationnels réels.
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Teleoperation is defined as the remote control of robotic systems by a human operator. Over time, it has become an important operational modality in extreme environments. Such environments are characterized by exceptional physical, cognitive, and psychological demands, including those encountered in space exploration, disaster response, or hazardous material handling. Although teleoperation removes operators from direct physical exposure to these environments, it does not necessarily exempt them from demanding operational conditions. In many contemporary applications, operators are required to perform teleoperation tasks while themselves experiencing environmental stressors such as altered gravity (e.g., astronauts aboard spacecraft), physical confinement and isolation (e.g., crews in Antarctic research stations), or sensory disruption resulting from protective equipment and degraded environmental conditions (e.g., emergency responders operating in smoke-filled environments). Despite the growing relevance of these scenarios, the influence of the operator’s immediate environment on teleoperation performance remains insufficiently understood. This thesis addresses this gap by investigating the extent to which environmental conditions experienced by operators affect their performance and physiological state during teleoperation.
A series of experiments were conducted both real-world and high-fidelity simulated operational settings. These are organized into two experimental blocks. The first focused on the teleoperation of physical robotic platforms under different environmental conditions. Experiments were conducted in a controlled laboratory, under hypergravity conditions of up to 2g during banked-turn flight aboard an aircraft, and within a lunar analogue simulator. This first experimental block also included a proof-of-concept intercontinental teleoperation study, in which a robotic manipulator located in Bangalore, India, was operated in real time from Toulouse, France, thereby enabling the characterization of network latency effects under realistic operational constraints.
The second experimental block employed a virtual spacecraft docking task. This task was performed under hypergravity conditions, in an underwater environment, and over the course of a 50-day Antarctic expedition aboard the research vessel Persévérance. Together, these studies provided a diverse set of operational analogues encompassing both acute and chronic environmental stressors.
A multimodal approach was used, and, thus, three categories of measurements were collected concurrently. Objective task-performance metrics were complemented by subjective workload assessments and physiological measurements. The simultaneous acquisition of these complementary data streams enabled a multidimensional characterization of operator state.
The results reveal several convergent findings. First, active teleoperation performance remains largely preserved under both acute and chronic stressors. This effect is observed for both manual control tasks and supervisory control of automated systems, with no evidence that either operational mode is more vulnerable to environmental stress. However, this apparent stability in performance is always accompanied by measurable physiological and subjective costs. Under 2g conditions, participants exhibited significantly elevated heart rates and increased perceived workload despite maintaining comparable levels of performance. This pattern is consistent with the recruitment of additional cognitive and physiological resources to sustain performance in demanding environments. This finding highlights that systems and operators developed and trained in controlled laboratory settings do not necessarily maintain the same level of effectiveness when deployed in operational environments.
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