[논문 리뷰] A Domain Specific Language for kinematic models and fast implementations of robot dynamics algorithms

Marco Frigerio, Jonas Buchli외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 30.

Robot Manipulation and Learning참고 문헌 16인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 고정 링크 로봇의 운동학 및 역학 모델을 기술하기 위한 도메인 특화 언어(DSL)를 제안하며, 역학 알고리즘을 위한 고도로 최적화되고 실시간 실행에 적합한 코드를 자동으로 생성할 수 있도록 한다. 로봇 모델을 고수준의 DSL로 추상화함으로써 수동으로 실수를 범하기 쉬운 프로그래밍을 제거하고, 제어기 및 시뮬레이터를 위한 최적화된 구현을 생성한다. 개념 증명 결과로는 역행 운동역학 계산이 매우 빠르게 수행됨을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 로봇 역학 알고리즘을 수동으로 구현하는 데 드는 실수와 시간 소모 문제를 해결한다.
• 자동 코드 생성을 통해 모델 기반 설계와 실시간 소프트웨어 배포 사이의 격차를 줄인다.
• 실시간 효율성을 확보하면서도 유지보수성과 이식성을 향상시켜 고주기 제어 루프에 적합한 로봇 제어 소프트웨어를 제공한다.
• 일반 목적의 모델링 도구의 오버헤드를 피하기 위해 강체 역학에 특화된 경량 도메인 특화 솔루션을 제공한다.
• 연구자들이 저수준의 구현 세부 사항에서 자유로워져 고수준의 제어 및 알고리즘 혁신에 집중할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 로봇의 기하학적 및 물리적 특성인 링크, 조인트 등을 포함한 운동학 및 역학 모델의 핵심 파rameter만을 포함하는 도메인 모델을 정의한다.
• 이 모델을 기반으로 간결하고 인간이 읽기 쉬운 로봇 구조를 기술할 수 있는 도메인 특화 언어(DSL)를 설계한다.
• 로봇 운동학 및 역학을 매개변수화되고 코드 생성에 적합한 방식으로 기술하기 위해 DSL을 활용한다.
• 역행 운동역학과 같은 역학 알고리즘을 위한 최적화된 저수준 C 또는 C++ 코드를 생성하기 위해 변환 기법을 적용한다.
• DSL의 구조를 활용하여 모델 작성 중에 타입 안정성과 의미적 검증을 보장한다.
• 동적 메모리 할당 및 시스템 호출을 방지함으로써 실시간 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도메인 특화 언어가 로봇 운동학 및 역학 모델을 효과적으로 추상화하여 자동으로 효율적인 코드를 생성할 수 있는가?
• RQ2 DSL은 실시간 제어 시스템에서 로봇 역학 알고리즘을 구현할 때 복잡성과 실수율을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 생성된 코드가 수작업으로 작성된 구현과 비교해 성능 면에서 유사하거나 이를 초월할 수 있는가?
• RQ4 최소한의 구성 변경으로 시뮬레이터와 실제 로봇 간에 민감도가 낮은 유연한 배포를 지원할 수 있는가?
• RQ5 DSL은 플로팅 베이스 시스템과 같은 복잡한 로봇 구조와 고급 제어 기법을 지원하기 위해 어떻게 확장될 수 있는가?

주요 결과

• DSL은 저수준의 구현 세부 사항을 요구하지 않으면서도 고수준의 읽기 쉬운 로봇 모델 기술을 가능하게 한다.
• 역행 운동역학 알고리즘에 대한 개념 증명용 코드 생성 결과, 높은 성능과 실시간 호환성이 입증되었다.
• 생성된 코드는 동적 메모리 할당과 시스템 호출을 피하여 엄격한 실시간 제약 조건을 충족한다.
• 다양한 로봇에 대해 역학 알고리즘을 구현하고 유지보수하는 데 소요되는 노력이 크게 감소한다.
• DSL 인프라는 변환 행렬과 야코비안과 같은 핵심 컴포넌트의 자동 생성을 지원한다.
• 이 방법은 정방향 운동역학 및 운영 공간 제어와 같은 고급 제어 프레임워크로의 확장 가능성도 입증하였다.