[論文レビュー] Hierarchical and State-based Architectures for Robot Behavior Planning and Control

Philipp Allgeuer, Sven Behnke|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Multi-Agent Systems and Negotiation参考文献 9被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、階層的で状態ベースの行動制御を可能にするState Controller Library（SC Library）と、行動ベースで抑制駆動型計画を実現するBehavior Control Framework（BC Framework）という2つのクロスプラットフォーム対応C++フレームワークを提示する。これらはモジュラーでリアルタイムなロボット行動制御を可能にし、NimbRo-OPヒューマノイドサッカー用ロボット上で検証された。行動の自動切り替えを抑制メカニズムによって実現し、複雑で動的なタスクへの有効な統合を実現した。

ABSTRACT

In this paper, two behavior control architectures for autonomous agents in the form of cross-platform C++ frameworks are presented, the State Controller Library and the Behavior Control Framework. While the former is state-based and generalizes the notion of states and finite state machines to allow for multi-action planning, the latter is behavior-based and exploits a hierarchical structure and the concept of inhibitions to allow for dynamic transitioning. The two frameworks have completely independent implementations, but can be used effectively in tandem to solve behavior control problems on all levels of granularity. Both frameworks have been used to control the NimbRo-OP, a humanoid soccer robot developed by team NimbRo of the University of Bonn.

研究の動機と目的

• 従来のAIおよび反応型制御が失敗する、複雑で非決定的かつ動的な環境において、リアルタイムなロボット行動の実装という課題に取り組む。
• 低～中程度の複雑さの有限状態行動と、高複雑性で並列実行される行動を両立できる、モジュラーで効率的かつ拡張可能な行動制御フレームワークを設計する。
• 状態ベースと行動ベースのアーキテクチャを統合することで、計画と反応型制御のシームレスな統合を実現する。
• ヒューマノイドロボティクスの応用、特にロボットサッカーを想定し、リアルタイム性能とクロスプラットフォームでのデプロイメントを支援する。
• ロボットサッカーを越えて、構造的行動制御を必要とするあらゆるシステムに適用可能な汎用的で再利用可能なソフトウェアフレームワークを提供する。

提案手法

• 有限状態マシンを一般化し、複数のアクション計画と構造的アクションシーケンスをサポートする状態ベースのフレームワークとして、State Controller Library（SC Library）を実装する。
• チェーンインヒビションと非チェーンインヒビションを用いた、階層的で行動の木構造を持つBC Frameworkを設計し、並列でアクティブな行動の動的管理を実現する。
• 行動の準備度を0.0～1.0の活性化レベルで表現し、行動はセンサーの事前条件と環境状態に基づいて値を返す。
• インターフェースレイヤーを統合し、行動論理と低レベル制御を分離し、NimbRo-OPシステムにおけるROSトピックおよびサービスを通じた通信を可能にする。
• 両フレームワークの共存を許容する。BC Framework内の個々の行動においてSC Libraryを用い、複雑なアクションシーケンスの内部状態マシンを実装する。
• 抑制関係が明示的な状態遷移論理を必要とせず、自動的に行動遷移を管理するようにシステムを構造化し、コードの複雑さを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムなロボットシステムにおいて、構造的で順次的な行動と、並列で動的に実行される行動を両立できる、モジュラーで効率的な行動制御アーキテクチャをどのように設計できるか？
• RQ2 抑制駆動型の行動連携は、複雑なロボット行動において、明示的な状態遷移定義の必要性をどの程度低減できるか？
• RQ3 状態ベースと行動ベースの制御を統合したハイブリッドアーキテクチャは、実世界のロボットプラットフォームにおいて、複数のスケールの粒度で行動を効果的に管理できるか？
• RQ4 ロボットサッカーのような、ノイズが多く部分観測可能な動的で不確実な環境において、これらのフレームワークはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 リアルタイム制約とマルチコンponentの協調制御を伴う実際のヒューマノイドロボットシステムにおいて、これらのフレームワークの実用的妥当性は何か？

主な発見

• SC Libraryは、ナビゲーションやマニピュレーションのための有限状態マシンなど、低～中程度の複雑さの行動を効果的にサポートし、NimbRo-OPロボットのさまざまなコンponentsで成功裏に使用された。
• BC Frameworkは、階層的抑制モデルを用いて動的かつ並列な行動実行を可能にし、ボールに向かって歩行する行動とキックする行動の間で、明示的な遷移論理なしに自動切り替えを実現した。
• 抑制メカニズムにより、行動同士が活性化レベルに基づいて抑制し合い、環境の変化に応じて強力で自己組織的に行われる行動切り替えが可能になった。
• フレームワークはNimbRo-OPロボットのROSベースのソフトウェアスタックに成功裏に統合され、クロスプラットフォーム互換性とリアルタイム性能が実証された。
• SC LibraryとBC Frameworkの組み合わせにより、階層的行動制御が可能になった。具体的には、SC Libraryを行動内の内部アクションシーケンシングに、BC Frameworkを高レベルの行動オchestrationに使用した。
• センサーノイズ、部分観測性、外部の干渉が一般的なロボットサッカーのような動的環境でも、システムは高い耐性を示し、実世界への適用可能性が検証された。