Traitement générique des interactions haptiques pour l'assemblage d'objets issus de CAO

In this thesis, we are interested in the treatment of interactions between 3D objects in the specific context of haptic assemblies. The aim of the thesis is to study the different dynamic modes that are applicable to the simulation of CAD assemblies. This field of research involves several scientific and technologic issues on the coupling of haptic interfaces with dynamic simulation engines. The interactive-time constraint forces dynamic engine to detect collisions and compute the contact forces very quickly, following a stability criterion. In this context, we propose to apply the technology of haptic interaction to manage mechanical assemblies of CAD objects. Among the many factors that influence the degree of realism of an interactive simulation of assembly, we focus on the realism of the behaviour of physical objects and on the performance of users achieving assembly tasks. In the context of haptic simulations, we propose to address these two factors simultaneously. Within a single assembly simulation, the user will feel realistic dynamic behaviour during elementary interactions with the virtual environment, while performing A/D tasks in an efficient way. In the simulations of assembly, we identified two handling phases where the contact dynamics can be performed: either in a constrained way to help users to position objects in space, or in a non-constrained way to return realistic haptic interactions. The approach is to separate the interactions related to the exploration scenes, from the interactions related to assemblies. Within a single simulation, we propose to use unconstrained dynamic models to process exploratory phase and the use of constrained dynamic models to process haptic assembly. In a first contribution, we propose to use a rigorous modelling of mechanics to simulate realistic behaviours of objects: we use the methods of non-smooth dynamics and especially the non-smooth contact dynamics (NSCD) approaches. In a second contribution, we propose to identify the different stages that compose the interactive assembly to assist the user. This assistance consists in a virtual guidance composed of geometrical and kinematical constraints applied to the control of the objects to assemble. We present a new method of guidance, called virtual constraint guidance that applies kinematical constraints that depend on the assembly tasks. The transition between the exploratory mode and the assembly mode is made by a geometric guidance inspired by virtual fixtures.La simulation d'assemblage CAO en environnement virtuel donne une nouvelle dimension au développement rapide et à moindre coût d'un produit, en permettant de travailler collaborativement autour de la maquette numérique. L'interaction entre l'utilisateur et la simulation suppose que les modèles mécaniques utilisés soient conformes à la réalité, dans la mesure où les résultats de la simulation doivent être proches du comportement des objets matériels réels. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressé au traitement des interactions entre objets 3D, dans le cadre spécifique des assemblages haptiques. L'objectif de la thèse est d'étudier les différents modes de dynamique applicables dans les simulations d'assemblage CAO. Ce domaine de recherche comporte plusieurs verrous technologiques et scientifiques concernant le couplage des interfaces haptiques avec des moteurs de simulation dynamique. La contrainte de temps interactif, très restrictive, impose à toutes méthodes dynamiques de détecter des collisions et calculer des efforts de contact de manière très rapide et avec des critères forts de stabilité mécanique. Dans ce contexte, nous proposons d'appliquer les technologies de l'interaction haptique, pour la réalisation d'assemblages mécaniques issus de la CAO. Parmi les nombreux facteurs qui influencent le degré de réalisme d'une simulation interactive d'assemblage, nous nous concentrons sur le réalisme des comportements physiques des objets 3D simulés ainsi que sur les performances de l'utilisateur dans la réalisation de tâches d'assemblage. Dans le cadre précis des simulations haptiques, nous proposons de traiter simultanément ces deux facteurs. Au sein d'une même simulation d'assemblage, l'utilisateur doit pouvoir percevoir des comportements dynamiques réalistes lors d'interactions élémentaires avec l'environnement virtuel, ainsi que pouvoir réaliser des tâches d'A/D de manière efficace. Dans les simulations d'assemblage, nous avons identifié deux phases de manipulation où le traitement dynamique des contacts peut être réalisé~: soit de manière contrainte pour aider les utilisateurs à positionner des objets dans l'espace, soit de manière non contrainte pour obtenir un rendu haptique réaliste des interactions. L'approche proposée consiste donc à séparer les interactions liées à l'exploration des scènes haptique, des interactions liées aux assemblages. Au sein d'une même simulation d'assemblage, nous proposons d'utiliser des modèles de traitement dynamique non contraint pour les phases exploratoires et l'utilisation de modèles de dynamique contrainte pour réaliser les assemblage haptiquement. Dans une première contribution, nous proposons de baser la simulation haptique sur une modélisation rigoureuse de la mécanique~: pour rendre compte de comportements réalistes des objets, nous utilisons les méthodes de dynamique non régulière, et particulièrement des approches de non smooth contact dynamics (NSCD). Dans une deuxième contribution, nous proposons d'identifier les différentes étapes qui composent l'assemblage interactif, pour assister l'utilisateur dans la réalisation de tâches de montage et de démontage. Cette assistance consiste en un guidage virtuel des objets, qui contraint géométriquement et cinématiquement les mouvements des objets à assembler. Nous présentons une nouvelle méthode de guidage, baptisée guidage virtuel contraint, qui applique des contraintes cinématiques aux objets, en fonction des tâches à réaliser. La transition entre le mode exploratoire, géré par dynamique non contrainte et le mode assemblage, géré par dynamique contrainte, est assuré par un guidage géométrique inspiré des virtual fixtures, qui constitue une troisième contribution