Efficient contact determination between solids with boundary representations (B-Rep)

par Sébastien Crozet

Thèse de doctorat en Mathématiques et informatique

Sous la direction de Jean-Claude Léon.

Le président du jury était Bernard Brogliato.

Le jury était composé de Frédéric Dubois, Xavier Merlhiot.

Les rapporteurs étaient Laurent Grisoni, Paul G. Kry.

  • Titre traduit

    Détermination efficace des contacts entre solides représentés par modélisation surfacique (B-Rep)


  • Résumé

    Avec le développement de systèmes robotiques avancés et de tâches de téléopération complexes, le besoin pour la réalisation de simulations en amont des opérations sur les systèmes réels se fait de plus en plus ressentir. Cela concerne en particulier les tests de faisabilité, d’entrainement d’opérateurs humains, de planification de mouvement, etc. Ces simulations doivent généralement être réalisées avec une précision importante des phénomènes physiques, notamment si l’opérateur humain est supposé faire face aux mêmes comportements mécaniques dans le monde réel que sur la scène virtuelle. La détection de collision, c’est à dire le calcul de points de contact et des normales de contact entre des objets rigides en mouvement et susceptibles d’interagir, occupe une portion significative des temps de calcul pour ce type de simulations. La précision ainsi que le niveau de continuité de ces informations de contact sont d’importance premières afin de produire des comportements réalistes des objets simulés. Cependant, la qualité des informations de contact ainsi calculées dépend fortement de la représentation géométrique des parties de la scène virtuelle directement impliquées dans la simulation mécanique. D'une part, les représentations géométriques basées sur des volumes discrets ou des tessellations permettent une génération de contacts extrêmement rapide, mais en contrepartie introduisent des artefacts numériques dus à l’approximation des formes en contact. D'autre part, l’utilisation de représentations surfaciques lisses (composées de courbes et surfaces lisses) produites par les modeleurs CAO permet d’éliminer ce problème d’approximations. Cependant, ces approches sont actuellement considérées trop lentes en pratique pour des applications en temps réel.Cette thèse est dédiée au développement d’une premier framework de détection de collision entre solides modélisés par représentation surfacique lisses suffisamment efficace pour offrir des performances temps-réel pour certaines applications industrielles nécessitant un niveau de précision élevé. Ces applications prennent typiquement la forme de la simulation d’opérations d’insertion avec faible jeu. L’approche proposée est basée sur une hiérarchie de volumes englobants et tire profit de caractéristiques clef des composants mécaniques industriels dont les surfaces sujettes à des contacts fonctionnels sont généralement modélisées par des surfaces canoniques (cylindres, sphères, cônes, plans, tores). Les contacts sur des surfaces d’interpolation telles que les NURBS sont généralement accidentels et rencontrés lors d’opérations de maintenance et de fabrication. Cette hiérarchie de volumes englobants est améliorée par l’identification d'entités supermaximales afin d’éviter la localisation redondante de points de contacts entre surfaces canoniques parfois découpées en plusieurs entités distinctes. De plus, le concept de cônes polyédrique de normales est défini afin d’établir des bornes de normales plus précises que les cônes de normales de révolution existants. Additionnellement, le framework ainsi développé est étendu afin de supporter des configurations incluant des câbles modélisés par des courbes de Bézier dilatées. Enfin, l’exploitation de la cohérence temporelle, ainsi que la parallélisation de l’ensemble du framework permet l’exécution en temps réel de certains scénarios industriels.


  • Résumé

    With the development of advanced robotic systems and complex teleoperation tasks, the need to perform simulations before operating on physical systems becomes of increasing interest for feasibility tests, training of the human operators, motion planning, etc. Such simulations usually need to be performed with great accuracy of physical phenomena if, e.g., the operator is expected to face the same ones in the real world and in the virtual scene. Collision detection, i.e., the computation of contact points and contact normals between interacting rigid bodies, occupies a time-consuming part of such a physical simulation. The accuracy and smoothness of such contact information is of primary importance to produce a realistic behavior of the simulated objects. However, the quality of the computed contact information strongly depends on the geometric representation of the parts of the virtual scene directly involved in the mechanical simulation. On the one hand, discrete volumes-based and tessellation-based geometric representations allow very fast contacts generation at the cost of the potential introduction of numerical artifacts due to the approximation of the interacting geometrical shapes. On the other hand, the use of boundary representations (issued by CAD modelers) composed of smooth curve and surfaces removes this approximation problem but is currently considered being too slow in practice for real-time applications.This Ph.D focuses on developing a first complete collision detection framework on solids with smooth boundary representations that achieves real-time performances. Our goal is to allow the real-time simulation of industrial scenarios that require a high level of accuracy. Typical applications are insertion tasks with small mechanical clearances. The proposed approach is based on a bounding-volume hierarchy and takes advantage of key features of industrial mechanical components which are often modeled with surfaces describing functional contacts with canonical surfaces (cylinder, sphere, cone, plane, torus) while contacts over free-form surfaces like B-Splines are mostly accidental and encountered during operations of maintenance and manufacturing. We augment this hierarchy with the identification of supermaximal features in order to avoid redundant exact localization of contact points on canonical surfaces that may be represented as distinct features of the CAD model. In addition, we define polyhedral normal cones that offer tighter bounds of normals than existing normal cones of revolution. Moreover, we extend our method to handle configurations that involve beams modeled as deformable dilated Bézier curves. Finally, parallelization of the full approach allows industrial scenarios to be executed in real-time.


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