Simulation dynamique et applications robotiques

We describe models and algorithms designed to produce efficient and physically consistent dynamic simulations. These models and algorithms have been implemented within the $Robot\Phi$ system\cite(RAP95) which can potentially be configured for a large variety of interven\-tion-style tasks such as dextrous manipulations with a robot hand; manipulation of non-rigid objects; tele-programming of the motions of an all-terrain vehicle; and some robot assisted surgery tasks (e.g. positioning of an artificial ligament in knee surgery). The approach uses a novel physically based modeling technique to produce dynamic simulations which are both efficient and consistent according to the laws of the Physics. The main advances over previous works in Robotics and Computer Graphics fields are twofold: the development of a unique framework for simultaneously processing motions, deformations, and physical interactions; and the incorporation of appropriate models and algorithms for obtaining efficient processing times while insuring consistent physical behaviors.Nous décrivons, dans cette thèse, des modèles et des algorithmes conçus pour produire des simulations dynamiques efficaces et consistantes, dans le contexte de la Robotique d'intervention (c'est-à-dire, pour les tâches robotiques qui impliquent des contraintes fortes sur la nature de l'interaction entre des objets qui ne sont pas forcément rigides). Ces modèles et ces algorithmes ont été intégrés et implantés dans le système Robot_Phy qui peut être potentiellement reconfiguré pour traiter une grande variété de tâches d'intervention, comme la manipulation dextre d'un objet par une main robotique, la manipulation d'un objet non rigide, la téléprogrammation du mouvement d'un véhicule tout-terrain, ou encore des tâches chirurgicales assistées par robot (par exemple, le positionnement d'un ligament artificiel dans la chirurgie du genou). L'approche utilise une nouvelle technique de modélisation physique pour produire des simulations dynamiques qui sont à la fois efficaces et consistantes avec les lois de la physique. Les avantages par rapport aux travaux antérieurs dans le domaine de la robotique et de la synthèse d'image sont: le développement d'une structure unique pour traiter simultanément le mouvement, les déformations, et les interactions; et l'incorporation d'algorithmes et de modèles appropriés pour obtenir un temps d'exécution efficace en assurant un comportement consistant avec les lois de la physique. Les contributions principales de ce système sont: l'intégration de la notion du système masse/ressort avec la dynamique d'objets rigides, la discrétisation adaptative basée sur la notion de matrice d'inertie et de centre d'inertie, le pas de temps adaptatif basé sur la notion de l'énergie mécanique pour optimiser le temps de calcul et éviter la divergence numérique, la détection rapide du contact entre polyèdres déformables, et l'identification des paramètres physiques en utilisant les algorithmes génétiques