Efficient contact determination between solids with boundary representations (B-Rep)
Détermination efficace des contacts entre solides représentés par modélisation surfacique (BRep)
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 human operators, motion planning, etc. Such simulations usually need to be performed with great accuracy of physical phenomena if the operator is expected to face the same ones in the real world as well as 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 mechanical 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 bodies of the virtual scene directly involved in the mechanical simulation. On the one hand, discrete volumes-based (voxels, sphere trees, etc.) and tessellation- based geometric representations allow very fast contact generation at the cost of the potential introduction of numerical artifacts due to the approximation of the interacting geometric shapes. On the other hand, the use of boundary representations (as issued by CAD modelers) composed of smooth curves and surfaces removes this approximation problem but is practically considered too slow 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 reach 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. Indeed, they are often modeled using 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 approaching movements prior to effective insertions. We augment our bounding volume hierarchy with the identification of super- maximal 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 deformable beams modeled as dilated Bézier curves. Finally, the parallelization of the full approach enables the processing of industrial scenarios to be simulated in real-time.
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’entraînement d’opérateurs humains, de planification de mouvements, etc. Ces simulations doivent générale- ment être réalisées avec une représentation précise des phénomènes physiques, notamment si l’opérateur humain est supposé faire face aux mêmes comportements mécaniques dans le monde réel qu’avec la scène virtuelle. La détection de collisions, c’est-à-dire le calcul de points de con- tact et des normales de contact entre des objets rigides en mouvement et susceptibles d’interagir entre eux, occupe une portion significative des temps de calcul pour ce type de simulations. La précision, ainsi que l’ordre de continuité de ces informations de contact, sont de première importance 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 (voxels, arbres de sphères, etc.) ou des tessellations permettent une génération de contacts extrêmement rapide mais, en contrepartie, peuvent introduire des artefacts numériques dûs 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’approximation. Cependant, ces approches sont actuellement considérées trop lentes en pratique pour des applications en temps réel.
Cette thèse est dédiée au développement d’un premier module informatique de détection de collisions entre solides représentés par une modélisation surfacique lisse et 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 de composants en présence de jeu faible. L’approche proposée est basée sur une hiérarchie de volumes englobants et tire profit de caractéristiques clefs des composants mécaniques industriels. En particulier, les surfaces sujettes à des contacts fonctionnels sont généralement modélisées par des surfaces canoniques (cylindres, sphères, cônes, plans, tores). Les contacts sur des surfaces gauches telles que les NURBS sont généralement accidentels et rencontrés lors d’opérations de maintenance et d’assemblage. Notre 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 par le modeleur CAO. De plus, le concept de cônes polyédriques de normales est défini afin d’établir des bornes de normales plus précises que les cônes de normales de révolution existants. De plus, le module 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 des traitements clefs permet l’exécution en temps réel de certains scénarios industriels.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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