[論文レビュー] A Domain Specific Language for kinematic models and fast implementations of robot dynamics algorithms

Marco Frigerio, Jonas Buchli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2013

Robot Manipulation and Learning参考文献 16被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、剛体リンクロボットの運動学的・動力学的モデルを指定するためのドメイン固有言語（DSL）を提案し、動力学アルゴリズム向けに高効率でリアルタイム対応のコードを自動生成することを可能にする。ロボットモデルを高水準のDSLに抽象化することで、人的にミスを犯しやすい手作業のコーディングを排除し、制御器およびシミュレータ向けに最適化された実装を生成する。概念実証の結果、逆運動力学の高速計算が実現された。

ABSTRACT

Rigid body dynamics algorithms play a crucial role in several components of a robot controller and simulations. Real time constraints in high frequency control loops and time requirements of specific applications demand these functions to be very efficient. Despite the availability of established algorithms, their efficient implementation for a specific robot still is a tedious and error-prone task. However, these components are simply necessary to get high performance controllers. To achieve efficient yet well maintainable implementations of dynamics algorithms we propose to use a domain specific language to describe the kinematics/dynamics model of a robot. Since the algorithms are parameterized on this model, executable code tailored for a specific robot can be generated, thanks to the facilities available for \dsls. This approach allows the users to deal only with the high level description of their robot and relieves them from problematic hand-crafted development; resources and efforts can then be focused on open research questions. Preliminary results about the generation of efficient code for inverse dynamics will be presented as a proof of concept of this approach.

研究の動機と目的

• 高性能なロボット動力学アルゴリズムを手作業で実装する課題に取り組むこと。これはミスを犯しやすく、時間もかかる。
• 自動コード生成を可能にすることで、モデルベース設計とリアルタイムソフトウェアデプロイのギャップを縮小すること。
• リアルタイム効率性を保証しながら、ロボット制御ソフトウェアの保守性とポータビリティを向上させること。
• 一般用途のモデリングツールのオーバーヘッドを回避し、剛体動力学に特化した軽量なドメイン固有ソリューションを提供すること。
• 研究者が低レベルの実装詳細から解放され、より上位レベルの制御やアルゴリズム的イノベーションに集中できるようにすること。

提案手法

• ロボットのリンク、ジョイント、およびそれらの物理的特性といった、運動学的・動力学的パrameterの本質的要素のみを捉えるドメインモデルを定義する。
• このモデルに基づいて、ロボット構造の簡潔で人間が読みやすい記述が可能なドメイン固有言語（DSL）を設計する。
• DSLを用いて、パラメータ化可能でコード生成に適した形で、ロボットの運動学的および動力学的記述を行う。
• 逆運動力学のような動力学アルゴリズム向けに、最適化された低レベルのCまたはC++コードを生成するための変換技術を適用する。
• DSLの構造を活用して、モデル作成段階で型安全性と意味的検証を保証する。
• 動的メモリ割り当てやシステムコールを生成コード内で避けることで、リアルタイム対応を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドメイン固有言語が、ロボットの運動学的および動力学的モデルを効果的に抽象化し、自動的かつ効率的なコード生成を可能にするか。
• RQ2 DSLは、リアルタイム制御システムにおけるロボット動力学アルゴリズムの実装の複雑さとミス率をどの程度低減できるか。
• RQ3 生成されたコードが手作業で書かれた実装と同等またはそれを上回るパフォーマンスを達成できるか。
• RQ4 最小限の構成変更で、シミュレータおよび実ロボットへの柔軟なデプロイをDSLがサポートできるか。
• RQ5 DSLは、浮動ベースシステムのような複雑なロボット構造や高度な制御方式をサポートするように拡張可能か。

主な発見

• DSLにより、低レベルの実装詳細を必要とせず、高水準で読みやすいロボットモデルの記述が可能になった。
• 逆運動力学アルゴリズム向けの概念実証的なコード生成により、高いパフォーマンスとリアルタイム対応性が達成された。
• 生成コードは動的メモリ割り当てやシステムコールを回避しており、ハードリアルタイム制約を満たしている。
• 異なるロボットに対して動力学アルゴリズムを実装・保守するための作業負荷が顕著に削減された。
• DSLインfraストラクチャは、変換行列やヤコビアンといったコアコンponentsの自動生成をサポートしている。
• 本手法は、前向き動力学や作業空間制御のような高度な制御フレームワークへの拡張の可能性を示している。