Simulation mécanique et réalité virtuelle : outils d’aide...

1Simulation mécanique et réalité virtuelle : outils d’aide à la compréhension et à la conception de systèmes

Simulation mécanique et réalité virtuelle :outils d’aide à la compréhension et à la conception

de systèmes

Soutenance d’Habilitation à Diriger des RecherchesPrésentée à l’Université de Rennes 1

section mécanique (n° 60)Le 23 novembre 2005 par Georges Dumont


Membres du jury

Daniel Coutellier Professeur, Université de Valenciennes, Rapporteur

Bernard Espiau Directeur de Recherches, INRIA Rhône-Alpes, Rapporteur

Jean-Claude Léon Professeur, Université de Grenoble, Rapporteur

Pierre Beckers Professeur, Université de Liège

Patrick Chedmail Professeur, École Centrale de Nantes

Paul Delamarche Professeur, Université de Rennes 2

Lalaonirina Rakotomanana Professeur, Université de Rennes 1


Un rapide Curriculum vitæ


Titres

IngénieurÉcole Nationale des Ponts et Chaussées (1987)

Diplôme d’Études ApprofondiesParis VI, mécanique (1987)

DocteurUniversité de Rennes 1, informatique (1990)


Parcours

Ingénieur Stagiaire Michelin (1 an) : éléments finis incompressibles pour le caoutchouc

Thèse (3 ans) : la mécanique comme modèle de mouvement

Ingénieur Expert INRIA (1 an) : projet de simulateur de conduite automobile SARA

Ingénieur Chercheur EDF (30 mois) : contact et éléments finis dans le code ASTER

Maître de Conférences : École Normale Supérieure de Cachan, mécanique (1994)

Chargé de Recherches INRIA (2 ans) 2002-2004


Points clés : enseignement

Préparation à l’agrégation de mécaniqueCours et TD : 1/3 des épreuvesMécanique générale : solides rigidesMécanique des solides déformables

Troisième cyclePrototypage virtuel au M2R RESIN (ENS/PARIS VI)Mécanique et réalité virtuelle dans le M2P MNRV (Laval)Conception multimétiers en École doctorale de l’ENS-Cachan

Second cycleÉchange de services avec Rennes 1Licence et maîtrise (L3, M1) : RDM


Points clés : responsabilités

Naissance d’un département de Génie MécaniqueOuverture de l’Antenne de l’ENSAvec Pascal Mognol

Direction d’études700 heures élève20 intervenants extérieursRésultats comparables à ceux de la maison mère (ENS Cachan)

Fonctions collectivesCommissions de spécialistes (Rennes 1, ECN)Jury de concours PSI (ENS/Polytechnique)Conseil scientifique de l’ENS (8 ans)Conseil de laboratoire de l’IRISA (depuis 2004)


Points clés : recherche

Thème : Réalité virtuelle et mécaniqueProjet SIAMES de l’IRISADétachement de 2 ansBilan succinct (depuis 1998):

2 thèses soutenues, 2 thèses en cours4 stages de DEA (M2R)2 études post doctorales6 participations à des jurys de thèse7 revues internationales, 1 chapitre d’ouvrage 11 conférences internationales3 collaborations avec publications communes1 projet RNTL Salomé22 actions spécifiques CNRS : contact et humain1 ATIP CNRS : paléoanthropologie

Titulaire de la PEDR (octobre 2005)


Définitions des termes « outils »

L’homme en interaction avec un monde virtuel modélisé ?

Simulation mécanique et réalité virtuelleMécanique : modèle de la réalité

Science du mouvementEfforts, déplacements, énergieObjet au cœur des préoccupations

Réalité virtuelle : interaction avec les modèlesImmersion/interactionHumain au cœur des préoccupations


Plan

CredoPrototypage virtuelInteractions entre objetsCouplage simulation/RVHumain virtuelPistes et conclusion


Credo

Credo

Prototypage virtuelInteractions entre objetsCouplage simulation/RVHumain virtuelPistes et conclusion

ContexteMonde virtuel et monde réelDu virtuel vers le réelDu réel vers le virtuel


Contexte

Bureau d’étude du futurRéduire la durée de conceptionEt les coûts

Modèles de simulationCompréhension du fonctionnementMaîtrise du temps de simulation : pertinence du modèle

Session de Réalité virtuelleManipulationProblématique du temps de calcul : temps réel


Monde réel et monde virtuel

Modèles de conceptionModèles de

calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD

Produits et composants

Monde virtuel Monde réel

Réalitévirtuelle


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle

Perception naturelle

Modèles de calculsGlobauxPhénoménologiques

ConceptionAnalyse de simulations

Humains virtuels


Les relations entre le réel et le virtuel

Du réel vers le virtuel : compréhensionComprendre les phénomènesProposer des modèles

Mécanique

Du virtuel vers le réel : conceptionCapacités d’interactionAnalyseRetour sur les modèles

Réalité virtuelle


Prototypage virtuel

CredoPrototypage virtuel

Interactions entre objetsCouplage simulation/RVHumain virtuelPistes et conclusion

ProblématiqueContributionsConclusion partielle


Enrichir la maquette numérique

Illustré par l’exemple

ConceptionCalculSimulateur

Optimisation

MESI


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


Endoscopes

Exploration interne des organes

béquillage

Prototype développé àl’université de Tohoku :Olympus-Innoflex™


Le micro-endoscope prototype

8 mmSystème articulé :

liaisons pivot ;Actionneurs en Alliage à Mémoire de Forme

(courtoisie LRP)


Un simulateur

I.R.M.

Construction du tube

Fabrication + Opération

Optimisation

Navigation virtuelle

Intérêts de la conception d’un simulateur : Formation des jeunes chirurgiensEntraînement pré-opératoireTest et prototypage virtuel


Modèle quasi-statique de l’endoscope

•Paramétrage de Denavit-Hartenberg

•Quasistatique : pas d’accélération et masses faibles

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

∂∂

∂∂

∂∂

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−−

000

00

0

00

1

1

1

1

1

1

1

nn

n

grav

grav

grav

nTTT

z

T

T

Tz

C

CFz

K

K

E

E

Ez

Ez

L......LLLC

CLL

n

n

M

M

M

M

OM

M

&M

M

&&

MO

M

θ

θ

θ

θ

λθ

θ

θθ

θ

θ

Amortissement Gravité+CAL Raideur gaine

Interactions+

AMF

r x 0r

y 0

r z 0

r y 1

r x 1

r z 1

r z 2

r x 2

r y 2

r x 3

r y 3

r z 3

r z 4

r x 4

r y 4


Modèle de contact

Interaction corps rigide / corps mou : Modélisation par un effet ressort - amortisseur :

nvitfndistkF pénétrtubetuberrr

.... −−=

Problème : déterminer et avec un tube défini de manière discrète.

dist nr

Distance obtenue par interpolationCarte de distances (résolution = 1mm)


Modèles

De côlon :Splines déformables (traction+flexion)Modèle de Voigt comme loi de comportement

De commande :Approche multi-agents


Passage d’un coude

QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420

sont requis pour visionner cette image.

passif





contrôlé

Déformation =>Meilleure perception :

Modèle plus proche de la réalité

Contrôle =>Diminution des efforts :

Minimisation des risques

rigide

mou QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420



Opération de débouclage


sont requis pour visionner cette image. Temps réelPrêt pour le passage àl’haptique


Optimisation des actionneurs

Modèle de comportement d’AMF

Différence de rigidité entre phases:

Austénite (chaud)Martensite (froid)

Modèle de poutre en coucheOptimisation par algorithmes génétiques

0 1 2 3 4 5 6 70

50

100

150

200

250

300

350

400T=20° CT=75° CT=80° CT=120° C

Précontrainte

Chauffage

O

dfixat

linit

hdAd

Bd

Bd’Bg

Bg’

Ag

rB

r y

r x

θ

β


Modèle éléments finis de poutre en couche

Cinématique de type poutre de Euler Bernoulli

nœud i nœud j

k hn

(k +1) hn

(σ ik )+

(σ i

k+12 )+

(σ ik+1)+

(σ jk )−

(σ j

k+12 )−

(σ jk+1)−

(k +12

) hn

σ ijk

σ ijk+1

M

my

ω i

ω j

vivi

v(x) = vi +ω ix + (3vj

Stockage des contraintes

− vi

l2 − 2ω i

l−

ω j

l)x2 + (2

vi − vj

l3 +ω i

l2 +ω j

l2 )x3

Interpolation

F

F

2mm

4mm


Trouver tel que :U(t,M),σ(t, M)( )

- U∀t ∈ 0,T[ ],U(t, M) = Ug (t, M) ∂Ω1

σ∀t ∈ 0,T[ ] ∀U* U*(t, M) = 0 ∂Ω1

− TrΩ∫∫∫ σ ⋅ ε(U*)[ ]dΩ + fg ⋅ U*dΩ

Ω∫∫∫ + Fg ⋅U*dS

∂Ω2

∫∫ = 0

∀M ∈ Ω, ∀t ∈ 0,T[ ], σ(t,M) = A ε(τ, M),τ ≤ t[ ]

∀M ∈ Ω, U(0, M) = 0, σ(0, M) = 0


Optimisation des ressorts : résultats

Hauteur du ressort : 2,4mmPrécontrainte : 1,3mmRéserve de C = 33mNmContrainte maxi = 550 MPa

Cycles limites

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

flèche (mm)

Effo

rt (N

)Essai à 35°CInterpolation à 35°CEssai à 130°CInterpolation à 130°Cborne inf precharge borne sup


Conclusion partielle

Modèles de calcul et de conceptionSimulateurOptimisationUne chaîne complète :

FaisabilitéIntérêt

Expérimentations complémentaires pour validationParamètres de loi de comportement du côlonValidation du modèle d’actionneur


Interaction entre objets

CredoPrototypage virtuelInteractions entre objets

Couplage simulation/RVHumain virtuelPistes et conclusion



Améliorer la réponse

Modèle de contact et de choc

Solides rigidesDeux approches

BIPOP


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


Le calcul des interactions : schéma général

Pilotage par l’événementTemps contrôlé


Dynamique pilotée par l’événement

M (q)q••

+ C(q)q•

+ K(q)q = Fext (q,q•

,t)+ R

q : paramètre de configurationM /C / K : matrice de masse / de viscosité / de raideurFext : forces extérieuresR : forces de contact

Dynamique non contrainteGestion des instants


Dynamique en temps contrôlé

rigide et pas de viscosité : C / K → 0

en termes de mesures : M (q)d q•

= Fext (q,q•

,t)dt + Rdv

choc entre corps : q••

→ d q•

discontinuité de vitessedv impulsion instantanée

discrétisation temporelle (h : pas de temps)

q•

libre

i+1

= q• i

+θ(M −1)i hFexti+1 + (1−θ)Fext

i

q• i+1

= q•

libre

i+1

+ (M −1)i hRi+1


Les lois : contact

A

B

nα

tα

α

Contact

assurer l'impénétrabilitéCondition de Signorini

→vn,α ≥ 0rn,α ≥ 0

rn,α • vn,α = 0

⎧

⎨ ⎪

⎩ ⎪

QuickTime™ et undécompresseur Animation JPEG OpenDMLsont requis pour visionner cette image.




Les lois : choc

A

B

nα

tα

α

Chocrestitution normale → vn,α

+ ≥ −e vn,α-

restitution tangentielle → vt ,α+ ≥ −e vt ,α

-

QuickTime et undécompresseur 3ivx D4 4.0.4


QuickTime™ et undécompresseur


Conservation de l’énergie


Les lois : frottement

A

B

nα

tα

α

Frottementforce dans le cône de frottement → rt ,α ≤ µ rn,α

si mouvement relatif → rt ,α = −µ vt ,α

vt,α

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Force cyclique sur une bille =>Trajectoire triangulaire

Approximation du cône


Les lois : frottement

A

B

nα

tα

α

Frottementforce dans le cône de frottement → rt ,α ≤ µ rn,α

si mouvement relatif → rt ,α = −µ vt ,α

vt,α

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Qdécompresseur 3ivx D4 4.0.4



Illustrations

QuickTime™ et undécompresseur Animation JPEG OpenDMLsont requis pour visionner cette image.

décompresseur Animation JPEG OpenDMLsont requis pour visionner cette image.



Deux méthodes en solides rigides : Pilotage par le temps :

Instant précis de l’interactionRetour en arrièreCalculs précis mais longs

Temps contrôléAdapté à l’interactionImpulsions moyennes seulement

Compromis entre :Le nombre d’objetsLa qualité de la simulationLe temps de calcul

Aller vers :Le couplage avec la détectionLe couplage entre rigide et déformableLe déformable pré-calculé pour enrichir le rigide


Couplage simulation/RV

CredoPrototypage virtuelInteractions entre objetsCouplage simulation/RV

Humain virtuelPistes et conclusion



Analyser une maquette numérique

Modèles importantsAnalyse difficileInteragir avec les résultats de calculModifier la conception

Salomé2 : EDFCEAEADS…


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


Problématique

Analyse interactive de maquettes numériques

Maquette numériqueModèle CAO

Géométrie fine4 000 000 de tétraèdres

Précision totale

Maquette virtuelleTemps réel

Géométrie limitée300 000 facettes

Précision dégradéeContrôle de la simplification

Gestion du multi-échelle


Scénarii cibles Courtoisie Principia

Calculs de structures

Calcul thermomécanique

Zoom sur zone d’intérêt

Sélection contrainte par la surface

•500 000 éléments x 10 vannes

•100 pas de temps

•15 chargements distincts

Courtoisie EDF


Simplification statique des maquettes

Avantages :Simplification robuste et pertinente / distorsionModèle « compilé »

Triangle strips, display lists…

Inconvénients :Perte d’information définitiveOccupation mémoire supplémentaire

Courtoisie OpenCascade


Simplification dynamique des maquettes

Avantages :Résolution adaptativePas de perte d’information

Inconvénients :GPU mal exploité

Modèle non compiléCPU sur-exploité

Structure de donnée traversée à chaque pas de temps

[Kim 2003]


Simplification sans perte

Approche hybride

Partitionnement en sous-modèlesHiérarchie dynamique des sous-modèlesTraitement statique des sous-modèlesGraphe dual du modèle global


Exemples

Club de golf1 700 000 facettes,150 sous-domaines, 9 secondes

Jante1 100 000 facettes,150 sous-domaines, 5 secondes


Culasse

Traitement 6 min : 600 sous-maillagesAnalyse interactive


Performances

ModèlesImages

par sJante Club de golf culasse

Haute résolution 5,1 2,8 <<1

Basse résolution 110 90 50

Multi-résolution 40 37 27



Traitement interactif de maillages Sans perte d’informationpartitionnement

Mailles volumiquesPartitionnementSimplification

Évolution temporelleMaillage entièrement dynamique

Retour sur conception


Humain virtuel

CredoPrototypage virtuelInteractions entre objetsCouplage simulation/RVHumain virtuel

Pistes et conclusion



Peupler les mondes virtuels


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle

AccessibilitéErgonomieÉtude de gestes

Focalisation sur la marche

ATIP CNRS:Paléoanthropologues


calcul

humains virtuelsbG

concepteur#

utilisateurD



Réalitévirtuelle


Simulation de la marche

Adaptation de mouvementImportantes bases de donnéesReprésentation synthétique du mouvementAdaptation morphologiqueInterpolation

Dynamique inverse et directeMouvements plus lissesAccès aux efforts/couples : pénibilitéCalcul des couples (asservissement)


Méthode d’adaptation

Capture de mouvements : données réelles

Adaptation morphologique :Influence géométriqueInfluence de la posture

Méthode :Construction du squeletteChoix du mouvementle plus procheConstruction du mouvement adapté


Représentation

La poulaine : représentation compacte

Variation morphologique et posturaleBase :

40 sujets, 120 marches

Ajustement automatique d’un polynômeExtraction des dimensions des membres


Méthode


Interpolation décorrélée

Fléchie

Intermédiaire

Normal

Sujet 1 Sujet 2 Sujet 3x

z

lg pas1. choix du sujet

2. choix de la posture

3. Poulaine

hauteur Forme finale


Résultats

QuickTime™ et undécompresseur H.264



De l’homme à l’hominidé

Un outil de tests d’hypothèses

La morphologie du squeletteReconstruction 3D

Une hypothèse de réarticulation :


Hypothèses du mouvement

Longueur de pas

Posture naturelle

Vitesse de déplacement

Rotations du bassin

Choix d’interpolations


Lucy : australopithecus afarensis





Longueur de pas Posture


Conclusion et perspectives

Création d’un mouvement de marche adapté à:une morphologieune posture

Captures de mouvements réelsReprésentation spécifique et interpolation

Augmentation de la base de donnéesD’autres mouvements :

Haut du corpsPréhension

De la mécaniqueDynamique directe et inverse


Pistes et conclusion

CredoPrototypage virtuelInteractions entre objetsCouplage simulation/RVHumain virtuelPistes et conclusion


Conclusion

Prototype virtuelChaîne complète et modèles simplifiésProblématique de la validité de l’objectif pour la conception

Modèles d’interactionApproches en ligneCouplage avec la détectionProblématique du multi-échelle et du pré-calcul hors ligne

Analyse de résultatsAide à l’analyseProblématique du retour sur conception

Humain virtuelLa marcheAller vers la dynamique : causes du mouvementProblématique de la plausibilité


Multi-représentation et hiérarchie

Multi-modèlesSolides rigides et solides déformables

– Niveau d’observation

Humain virtuel hiérarchique– Déplacement– Préhension

Multi-fréquencesPhénomènes de temps caractéristiques différents

– Niveau d’observation


Les contributeurs

Christofer Kühl (thèse)Guillermo Andrade (post-doc)Mathieu Renouf (post-doc)Frédéric Beauchamp (thèse)Jean-Marie Souffez (DEA + thèse)Nicolas Pronost (DEA + thèse)Sébastien Gouleau (DEA)

Merci de votre attention


Merci de votre attention


Implications

Contrôle de la simplificationSimplification statique ?

ok pour maquette virtuelleSimplification dynamique ?

ok pour maquette numérique

Gestion du multi-échelleNe pas perdre la pertinence originale du modèleUne perte d’information est inacceptable


Partitionnement et graphe dual

Principe

C0C1

C2

C3


Interpolation orthogonale au plan transverseHauteur du bassin

Interpolation orthogonale au plan frontalLongueur des pas

Interpolation orthogonale au plan sagittalÉcartement des pieds

Interpolation dans les trois directions


Courbe reconstruite

Selection sur acquisitions différentesValidation sur la baseSynchronisationSymétrisation

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