Classification des méthodes de simulation d’A/D virtuel

Une modélisation des actions via la RV, l’assemblage virtuel y compris, est une activité assez nouvelle dans la pratique industrielle, une activité qui demande, en général, des investissements très importants en termes de formation spécifique du personnel, de dispositifs spéciaux et souvent très coûteux, etc. En ce qui concerne l’A/D virtuel, on croit paradoxalement que cette activité est un moyen de faire bouger des objets uniquement. Dans les sections suivantes on s’intéressera à des applications développées récemment pour l’A/D et la maintenance virtuels et l’on discutera d’un potentiel que la RV pourrait nous apporter, notamment, en ce qui concerne les simulations d’A/D et de maintenance de pièces à caractère flexible. Mais tout d’abord, nous voudrions proposer une classification des méthodes de simulation pour l’A/D virtuel identifiées à travers une analyse des approches développées depuis l’apparition des premières applications pour l’A/D virtuel dans les années quatre-vingt-dix.

Dans la littérature, lorsque l’on évoque des outils pour l’A/D et la maintenance virtuels, on parle principalement d’une manipulation des objets tridimensionnels, d’une détection des collisions entre un objet en question et son environnement ainsi que la possibilité de sentir des objets manipulés en termes d’efforts. Néanmoins, on ignore parfois le fait que la naissance de l’assemblage virtuel a été causée par trois éléments principaux :

• la difficulté des méthodes automatiques de simulation d’A/D de prendre en compte certaines contraintes durant la phase d’évaluation,

• le développement fort des outils de CAO et, en particulier, la possibilité d’une visualisation tridimensionnelle des objets,

• l’extension des interfaces permettant une interaction avec ces objets lors d’une manipulation. En effet, c’est essentiellement les deux premiers éléments énumérés ci-dessus qui ont définis historiquement un nouvel axe de recherche – la recherche dans le domaine d’assemblage virtuel. Ce type d’approches est basé sur des méthodes non-interactives, comprenant une « simple » visualisation de composants et de sous-ensembles tridimensionnels et intégrant éventuellement des fonctions de détermination automatique des déplacements des objets sans les manipuler directement dans le monde virtuel. Notamment, la visualisation de mouvements des composants peut se résumer à un affichage de résultat de recherche d’une trajectoire d’A/D lors de l’évaluation automatique des séquences d’A/D, d’où un couplage des méthodes non-interactives et automatiques de simulation des opérations d’A/D. Parmi les méthodes non-interactives de simulation d’A/D, on peut distinguer des approches ne visualisant que « statiquement » un système de pièces rigides et la façon dont ces pièces vont composer un sous-ensemble ou un produit et des approches qui permettent suivre « dynamiquement »

Chapitre 1. Méthodes et outils en conception mécanique

une évolution d’un ensemble de pièces (par exemple, l’affichage des mouvements des pièces rigides lors de leurs phases d’extraction et de manipulation).

Maintenant, si l’on ajoute des fonctionnalités tout à fait innovantes, telles qu’une interaction avec des objets virtuels et leur perception sensorielle, on obtient un outil encore plus performant –

l’assemblage virtuel interactif – tel que l’on le connaît actuellement. Cette famille des méthodes

d’assemblage virtuel comprend notamment des interfaces de vision stéréoscopique, de manipulation directe des objets virtuels en temps réel (la génération de mouvements des objets), de perception sensorielle des objets (les retours haptique, tactiles), d’immersion totale d’un être humain dans un monde virtuel avec la représentation de mouvements de l’opérateur dans un univers virtuel à l’aide des capteurs de mouvements, etc. Les principales interfaces de RV seront détaillées au chapitre 2. Dans cette section nous n’allons présenter que quelques exemples des approches courantes dans le domaine de l’assemblage virtuel.

Ainsi, la classification suivante des méthodes de simulation des opérations d’A/D virtuelles est proposée afin de pouvoir structurer de manière qualitative des méthodes existantes dans le domaine de l’A/D :

• méthodes non-interactives de simulation d’A/D virtuel : - A/D non-interactif « statique »,

- A/D non-interactif « dynamique » ;

• méthodes interactives de simulation d’A/D virtuel : - A/D avec une manipulation de composants, - A/D avec retour d’effort,

- A/D par immersion dans un monde virtuel.

1.3.2.2. Méthodes non-interactives de simulation d’A/D virtuel

Les premières tentatives pour réaliser un assemblage virtuel ont amené à la visualisation tridimensionnelle simple, « statique » de l’ensemble de composants rigides d’un produit mécanique. Ceci est venu de la nécessité d’expliquer aux acteurs des métiers de l’assemblage, de la production participant au développement d’un produit, une façon dont ce produit serait ou sera assemblé. Un exemple de tel assemblage créé à l’aide d’un logiciel de la société Concept 3D est représenté sur la Figure 1.2. Dans ce cas, les séquences d’A/D sont déjà établies ou bien seront déterminées au cours d’un calcul en utilisant une méthode automatique, par exemple.

Figure 1.2. Exemple d’assemblage virtuel « statique » sans interaction avec des objets virtuels [Concept 3D 2004].

Ce type de visualisation 3D permet de comprendre qualitativement un mode de fonctionnement du produit et la façon dont ce produit pourrait être assemblé, de contrôler visuellement des problèmes possibles au niveau de la modélisation géométrique des composants, d’un sous-ensemble ou du produit complet (les intersections, les gabarits, etc.). Il est possible également de créer des animations en montrant des séquences ordonnées d’A/D prédéfini, mais aucune trajectoire réaliste ne peut être générée : la simulation des opérations d’A/D reste statique. Malgré cela, les animations simples peuvent faciliter le dialogue entre les concepteurs des différents métiers dans le cadre de la conception simultanée/intégrée. De plus, il est possible de produire un plan d’assemblage en version

papier à partir d’une telle représentation 3D. Ceci est particulièrement utile pour le service après vente ou, simplement, pour l’usager qui va pouvoir assembler lui-même après d’avoir acheté un produit sous forme démontée.

Malgré les avantages des rendus réalistes 3D d’un produit encore virtuel, la représentation à l’écran de celui-ci est généralement obtenue selon la même idée : la surface extérieure d’un objet virtuel, telle qu’elle est définie, est décomposée en facettes triangulaires sur lesquelles sont appliqués des algorithmes de réflexion lumineuse, de génération d’ombrage, etc. De plus, la représentation « statique » même avec des animations possibles ne permet pas d’effectuer une analyse complète de l’assemblabilité du produit virtuel à défaut de l’évolution réaliste des objets virtuels par rapport à l’environnement extérieur représenté par un produit complet ou un environnement où ce produit sera placé. En effet, il est nécessaire de considérer des composants et des sous-ensembles à monter dans leur intégralité et complexité réelles par rapport à un produit complet ainsi qu’un environnement d’exploitation où ce produit sera utilisé, i.e. de générer et d’examiner des déplacements et des déformations réalistes des composants, de prendre en compte la présence de l’utilisateur effectuant une opération ainsi que des facteurs complémentaires dus à l’environnement d’exploitation. C’est dans ce cas que l’on pourra réaliser une analyse vraisemblable d’une opération donnée et notamment : effectuer des études de trajectoires d’A/D et contrôler des interférences réalistes avec des obstacles, examiner le comportement physique des objets déformables, inclure des études de préhension d’objet ainsi qu’un comportement d’un être humain durant l’opération d’A/D et de maintenance, par exemple.

A/D non-interactif « dynamique »

Ce type d’approches est similaire à l’assemblage non-interactif statique car ici, en général, il n’est pas possible non plus d’effectuer une manipulation directe des composants. En revanche, les méthodes de simulation d’A/D non-interactif dynamique permettent de coupler les méthodes automatiques de type séquencement d’A/D avec une phase d’évaluation des séquences et leur visualisation « dynamique ». Dans le cas d’évaluation des séquences d’A/D d’un produit virtuel, la recherche de trajectoires d’A/D libres de collisions est fréquemment incluse dans le processus d’évaluation mais reste souvent inaccessible. Par contre, le résultat d’évaluation et de recherche de trajectoires est dynamiquement affiché : les déplacements et les orientations caractérisant les mouvements des composants sont habituellement produits par des méthodes automatiques de génération de trajectoires (méthodes probabilistes [Kavraki & al. 1996], [Hsu & al. 1999], par exemple) et visualisés en temps réel.

Des techniques de pilotage de recherche des trajectoires d’A/D sont souvent utilisées afin de réduire la complexité du problème de génération des mouvements des objets virtuels (des mouvements en rotation, en translation), de prendre en compte la structure de l’environnement dans lequel l’objet virtuel en question évolue et finalement, de réduire le temps de calcul – une contrainte essentielle pour la RV. Notamment, il est possible de diminuer le nombre de mouvements inutiles en rotation en supprimant ces mouvements en fonction des zones de l’espace virtuel de travail où l’objet se déplace (les zones non-contraintes où il suffit de produire quelques segments correspondant aux mouvements de translation de l’objet), ou encore de placer automatiquement des cibles intermédiaires à partir de la détection des « trous débouchants » d’un produit virtuel [Hsu & al. 1999], [Mikchevitch 2000], [Mikchevitch & al. 2001].

La Figure 1.3 représente un exemple de processus de désassemblage virtuel d’un produit avec la visualisation d’un résultat de calcul des séquences d’A/D, leur évaluation d’après [Rejneri 2000] ainsi que la recherche d’une trajectoire associée de démontage. La visualisation dynamique d’extraction d’une vis – une pièce rigide – dans une direction de démontage est notamment indiquée.

Les avantages des méthodes de simulation d’A/D non-interactif dynamique sont :

• le couplage avec la recherche et l’évaluation des séquences d’A/D,

• le rendu tridimensionnel des objets virtuels,

• la recherche automatique de trajectoires d’A/D et leur affichage en temps réel,

• la visualisation d’un ensemble d’informations à caractère technologique, géométrique ce qui permet aux acteurs des différents métiers d’évaluer ensemble les séquences proposées par un logiciel, de les modifier/optimiser en cas de besoin dans le contexte de la conception simultanée/intégrée.

Chapitre 1. Méthodes et outils en conception mécanique

Extraction d’une vis

Figure 1.3. Exemple de désassemblage virtuel « dynamique » sans interaction avec un objet virtuel [Rejneri 2000].

Les inconvénients de ce type de méthodes concernent la difficulté de prise en considération des contraintes dues à différents modes de préhension des composants, d’un outillage pour le montage/démontage ainsi que la présence de l’opérateur et, par conséquent, le calcul complémentaire des collisions, le comportement mécanique de pièces flexibles, la génération automatique de trajectoires d’A/D libres de collisions physiquement non-réalisables même pour des composants rigides et le temps de calcul parfois trop important, etc. Il est également nécessaire de tenir compte des propriétés physiques d’un environnement où un produit donné sera mis en place et exploité. Et comme pour les méthodes d’A/D non-interactif statique, les méthodes de simulation d’A/D non-interactif dynamique ne permettent pas d’interagir directement avec des composants virtuels et donc, d’effectuer des études plus approfondies des opérations de montage et de maintenance : l’évaluation des efforts à développer, la prise en compte des contraintes ergonomiques, l’estimation d’un état mécanique des composants (flexibles, en particulier) en cours de montage/démontage, etc.

1.3.2.3. Méthodes interactives de simulation d’A/D virtuel