[論文レビュー] Robot Design: Formalisms, Representations, and the Role of the Designer

Alexandra Q. Nilles, Dylan A. Shell+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、形式的記法、最小限の原則、人間中心の設計ツールを統合することで、ロボット設計の自動化を図る形式的フレームワークを提唱する。現在のロボティクスの抽象化は自動化を支えるのに不十分であり、計算的推論を活用して設計のトレードオフや制約を探索する一方で、人間の創造性を高める実行可能モデルとインタラクティブな設計システムの導入を提唱する。

ABSTRACT

The objective of this paper is to distill the following essential idea from the RSS 2016 Workshop on Minimality and Design Automation and the RSS 2017 Workshop on Minimality and Trade-offs in Automated Robot Design: The information abstractions popular within robotics, designed as they were to address insulated sub-problems, are currently inadequate for design automation. This paper's first aim is to draw together multiple threads---specifically those of formalization, minimality, automation, and integration---and to argue that robot design questions involve some of the most interesting and fundamental challenges for the discipline. While most efforts in automating robot design have focused on optimization of hardware, robot design is also inextricably linked to the design of the internal state of the robot, how that internal state interacts with sensors and actuators, and how task specifications are designed within this context. Focusing attention on those considerations is worthwhile for the study of robot design because they are currently in a critical intellectual sweet spot, being out of reach technically, but only just. The second ingredient of this paper forms a roadmap. It emphasizes two aspects: (1) the role of models in robot design, a reprise of the old chestnut about representation in robotics (namely, that "the world is its own best model"); (2) a consideration of the human-element within the envisioned scheme.

研究の動機と目的

• 現在のロボティクスの抽象化が自動化されたロボット設計を支援するのに不十分であるという問題に対処すること。
• 形式的手法、最小限の原則、人間中心の設計ツールを統合した一貫したフレームワークを構築し、ロボット設計の自動化を実現すること。
• モデルと表現の役割が、拡張可能で正しく、創造的なロボット設計プロセスを可能にする仕組みを特定すること。
• 複雑さとトレードオフを管理しながら人間の創造性を支援する自動設計ツールの開発を導くこと。
• 国際的ワークショップからの知見を統合することで、将来の研究のためのロードマップを策定すること。

提案手法

• 記号的表現と形式的仕様言語を用いて、ロボティクスの知識を実行可能モデルに形式化すること。
• 最小限の原則を適用し、タスクを完了するために必要な最小限のハードウェアおよび計算能力を同定すること。
• クエリ、フィードバック、反復的改善を支援するインタラクティブで人間を含むループの設計ツールを設計すること。
• 部分的な設計の早期検証を可能にするために、シミュレーション、可視化、ハプティクスフィードバックを統合すること。
• 形式的検証と最適化に基づいて、自動システムが変更を提案したり、矛盾を解消したりするハイブリッドな設計ワークフローを開発すること。
• ユーザーの専門性レベルや設計段階に応じてカスタマイズされた、視覚的、テキストベース、手続き的インターフェースを含むマルチモーダルなインタラクションインターフェースを構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボティクスにおける形式的抽象化は、ハードウェアおよび内部状態の両方の自動設計を支援するためにどのように拡張可能か？
• RQ2 センサ、アクチュエータ、計算能力の最小限の構成は、特定のタスクを実行するためにどのように必要か？
• RQ3 創造性や正しさを損なわず、人間の設計者が自動化された設計パイプラインに効果的に統合されるにはどうすればよいか？
• RQ4 モデルと表現は、拡張可能で正しく、ロボット設計の自動化を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ5 視覚的、テキストベース、インタラクティブシミュレーションなどの異なるインタラクションモダリティは、自動設計ツールの使いやすさと有効性にどのように影響するか？

主な発見

• 現在のロボティクスの抽象化は、機械で読み取り可能な実行可能形式に形式化されていないため、自動化には不十分である。
• 形式的手法と実行可能モデルにより、ロボットの性能、制約、トレードオフについての自動推論が可能になる。
• 最小限の原則の研究により、ロボットの能力の理論的限界が明らかになり、タスク実行に必要な最小限の部品が特定できる。
• シミュレーション、フィードバック、ユーザークエリを統合したインタラクティブ設計ツールは、設計の探索と誤り検出を著しく向上させる。
• 人間の設計者は、高レベルの仕様、創造性、曖昧または矛盾する設計目標の解決において依然として不可欠である。
• 形式的手法と人間中心の設計ツールの統合により、音楽のデジタルツールが作曲に与える影響に類似した、新たな創造的探求の形が可能になる。