Cette thèse apporte des solutions pour exploiter efficacement les nouvelles architectures hautement parallèles, dans le contexte des simulations d'objets déformables en temps réel. Les premières contributions de ce document, se concentrent sur le calcul de la déformation des objets. Pour cela nous proposerons des solutions de parallélisations de solveurs linéaires, couplées à des techniques de preconditionnement asynchrone. Le second ensemble de contributions, repose sur le processeur graphique pour produire une nouvelle méthode de détection des collisions, basée sur le volume d'intersection entre les objets déformables.Enfin les derniers travaux apportent des solutions pour produire une réponse précise aux contacts, et compatible avec le temps réel. Nous aborderons notamment les problèmes liés à la découpe des organes, et à la prise en compte du couplage mécanique entre les contacts. Pour terminer, nous illustrerons nos contributions dans un ensemble d’applications médicales, qui tirent parti des contributions de ce document. / This thesis provides solutions to effectively exploit the new highly parallel architectures, in the context of simulations of deformable objects in real time. The first contributions of this paper focus on calculating the deformation of objects. For that purpose, we will propose solutions of parallelization of linear solvers, coupled with asynchronous preconditioning techniques. The second set of contributions relies on the graphics processor to produce a new collision detection method, based on intersection volumes between deformable objects. Then the last works provide solutions to produce an accurate response to contacts and is compatible with real time. We will discuss issues related to the organs cutting, and the recognition of the mechanical coupling between the contacts. Finally, we will illustrate our contributions in a range of medical applications which make the most of the contributions of this paper.

Les deux principaux problèmes à résoudre pour concevoir un simulateur dynamique interactif sont la détection de collisions entre les objets virtuels, et le calcul de leur mouvement contraint. La plupart des méthodes de détection de collisions sont discrètes : elles détectent seulement des interpénétrations entre les objets virtuels à des instants discrets successifs. Afin de détecter efficacement des collisions entre objets polyédriques rigides en continu, c'est-à-dire de calculer l'instant de premier contact entre eux et éviter les problèmes inhérents aux méthodes discrètes, nous proposons d'utiliser un mouvement intermédiaire arbitraire pour remplacer le mouvement réel de l'objet et obtenir des équations de détection de collisions faciles à résoudre. Nous présentons deux approches, fondées sur l'exploitation de mouvements intermédiaires arbitraires, qui permettent de détecter des collisions en continu entre objets polyédriques complexes en temps réel. Nous proposons ensuite d'ajouter des informations géométriques aux volumes englobants afin d'exploiter le mouvement de recul relatif des objets et accélérer significativement la détection de collisions lorsque les objets sont proches les uns des autres. La plupart des méthodes classiques de calcul de mouvement contraint sont formulées dans l'espace des contacts. Grâce au principe des moindres contraintes de Gauss, il est possible d'obtenir une formulation équivalente des problèmes dynamiques sans friction dans l'espace des mouvements. Nous montrons que cette formulation est plus avantageuse sur le plan algorithmique. Ceci nous incite à proposer un modèle de friction dans l'espace des mouvements. Les algorithmes proposés ont été implantés et rassemblés dans une librairie C++, CONTACT Toolkit. Nous présentons plusieurs applications de cette librairie, notamment à des cas industriels fournis par Renault et Airbus-EADS, ainsi que son utilisation dans la simulation avec retour d'efforts.

Au travers de cette thèse, nous nous intéressons à la problématique de la détection des collisions au sein d'environnements virtuels, notamment dans le cadre de simulations interactives consistant en la manipulation de scènes complexes. Nos recherches se sont particulièrement orientées vers la mise en oeuvre de techniques d'optimisation dans ce contexte. Aussi, la principale contribution issue des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse réside dans l'élaboration d'un algorithme fondé sur une approche évolutionniste. Baptisé ESPIONS, cet algorithme peut se voir utilisé de différentes manières. On peut cependant le définir comme un processus visant à identifier des champs de distances minimum locales entre des objets virtuels de natures diverses. Nous proposons également une étude expérimentale visant à caractériser l'influence des paramètres d'ESPIONS sur son comportement général, ceci dans le but d'identifier différents critères destinés à faciliter l'établissement de jeux de paramètres pertinents en fonction des problèmes considérés. Enfin, plusieurs implémentations de l'algorithme sont présentées en vu d'illustrer les différents modes opératoires introduits et d'évaluer les apports et limites de l'approche proposée.

Cette thèse se place dans un contexte médical de traitements oncologiques, plus particulièrement en protonthérapie robotisée. L’objectif de cette thèse, réalisée sous contrat Cifre avec la société LEONI CIA Cable Systems, est le développement d’une commande en co-manipulation sûre dédiée à un robot médical sériel. Cette commande doit permettre à un opérateur de manipuler intuitivement et précisément un robot de grande inertie positionneur de patients. Les contributions portent sur deux axes, d’une part le développement et l’implémentation sur le robot Orion de l’entreprise LEONI CIA Cable Systems d’une commande en admittance ainsi que la comparaison de trois dispositifs haptiques, et d’autre part le développement d’un mécanisme de détection de collisions proprioceptif permettant l’amélioration de la sécurité de fonctionnement. À partir d’une revue de la littérature concernant les commandes compliantes, nous avons développé et implémenté une commande en admittance dédiée au robot Orion en tenant compte de la discrétisation de la commande par le contrôleur spécifique de ce robot. Une expérience de comparaison sur le robot nous a permis d’identifier le dispositif haptique le mieux adapté au cas clinique considéré. Après une étude de l’état de l’art des mécanismes de détection de collisions, une approche fréquentielle de la modélisation du couple axial prenant en compte les rapports de réduction élevés et de technologie différente du robot a été proposée. Elle permet de modéliser finement le couple théoriquement fourni par les moteurs ; celui-ci est ensuite comparé avec la mesure du couple réellement produit afin de détecter une éventuelle collision. / This PhD thesis takes place in a medical context of oncological treatments, more particularly in robotised protontherapy. The objective of this thesis, carried out under a CIFRE contract with LEONI CIA Cable Systems, is the development of a safe comanipulation control dedicated to a serial medical robot. This control law should allow an operator to intuitively and precisely manipulate a robot of high inertia for accurate patients positioning. The contributions of this thesis focus on the development and implementation of an admittance-controlled Orion robot from LEONI CIA Cable Systems and the comparison of three haptic devices, and on the other hand, on the development of a proprioceptive collision detection mechanism allowing the improvement of operational safety. Based on a review of the literature on compliant controls, we have developed and implemented an admittance control approach dedicated to the Orion robot, taking into account the discretization of the control by the controller specific to this robot. A comparison experiment on the robot allowed us to identify the haptic device best suited to the clinical case considered. Based on a state of the art of collision detection mechanisms analysis, a frequency approach of the modeling of the axial torque taking into account the high reduction ratios and different robot technology has been proposed. It allows us to finely model the torque theoretically provided by the motors ; The latter is then compared with the measurement of the torque actually produced in order to detect a possible collision.

La plupart des simulations interactives ont besoin d'un modèle de détection de collisions. Cette détection nécessite d'une part d'effectuer des requêtes de proximité entre les entités concernées et d'autre part de calculer un comportement à appliquer. Afin d'effectuer ces requêtes, les entités présentes dans une scène sont soit hiérarchisées dans un arbre ou dans un graphe de proximité, soit plongées dans une grille d'enregistrement. Nous présentons un nouveau modèle de détection de collisions s'appuyant sur deux piliers : une représentation de l'environnement par des cartes combinatoires multirésolutions et un suivi en temps réel de particules plongées dans ces cartes. Ce modèle nous permet de représenter des environnements complexes tout en suivant en temps réel les entités évoluant dans cet environnement. Nous présentons des outils d'enregistrement et de maintien de l'enregistrement de particules, d'arêtes et de surfaces dans des cartes combinatoires volumiques multirésolutions. / Most interactive simulations need a collision detection system. First, this system requires the querying of the proximity between the objects and then the computing of the behaviour to be applied. In order to perform these queries, the objects present in a scene are either classified in a tree, in a proximity graph, or embedded inside a registration grid.Our work present a new collision detection model based on two main concepts: representing the environment with a combinatorial multiresolution map, and tracking in real-time particles embedded inside this map. This model allows us to simulate complex environments while following in real-time the entities that are evolving within it.We present our framework used to register and update the registration of particles, edges and surfaces in volumetric combinatorial multiresolution maps. Results have been validated first in 2D with a crowd simulation application and then in 3D, in the medical field, with a percutaneous surgery simulation.

Cette thèse apporte des solutions pour exploiter efficacement les nouvelles architectures hautement parallèles, dans le contexte des simulations d'objets déformables en temps réel. Les premières contributions de ce document, se concentrent sur le calcul de la déformation des objets. Pour cela nous proposerons des solutions de parallélisations de solveurs linéaires, couplées à des techniques de preconditionnement asynchrone. Le second ensemble de contributions, repose sur le processeur graphique pour produire une nouvelle méthode de détection des collisions, basée sur le volume d'intersection entre les objets déformables. Enfin les derniers travaux apportent des solutions pour produire une réponse précise aux contacts, et compatible avec le temps réel. Nous aborderons notamment les problèmes liés à la découpe des organes, et à la prise en compte du couplage mécanique entre les contacts. Pour terminer, nous illustrerons nos contributions dans un ensemble d'applications médicales, qui tirent parti des contributions de ce document.