[논문 리뷰] PROSKILL: A formal skill language for acting in robotics

Félix Ingrand|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

AI-based Problem Solving and Planning인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 로봇 행동을 위한 형식적 스킬 언어인 ProSkill을 소개한다. ProSkill은 Fiacre 형식적 프레임워크로 명확하게 매핑되며, 이로 인해 오프라인 모델 체킹과 온라인 런타임 검증이 가능해진다. 주요 기여는 실제 드론 순찰 미션에서 검증된 통합된 실행 및 검증 파이프라인을 제공함으로써, 전문가의 V&V 지식이 없이도 의미의 일致성과 안전성을 보장하는 형식적 방법을 활용하는 것이다.

ABSTRACT

Acting is an important decisional function for autonomous robots. Acting relies on skills to implement and to model the activities it oversees: refinement, local recovery, temporal dispatching, external asynchronous events, and commands execution, all done online. While sitting between planning and the robotic platform, acting often relies on programming primitives and an interpreter which executes these skills. Following our experience in providing a formal framework to program the functional components of our robots, we propose a new language, to program the acting skills. This language maps unequivocally into a formal model which can then be used to check properties offline or execute the skills, or more precisely their formal equivalent, and perform runtime verification. We illustrate with a real example how we can program a survey mission for a drone in this new language, prove some formal properties on the program and directly execute the formal model on the drone to perform the mission.

연구 동기 및 목표

• 자율 로봇 의사결정에 핵심적인 영향을 미치는 로봇 행동 구성 요소에서의 형식적 검증 부족 문제를 해결하기 위해.
• 고수준 계획과 저수준 로봇 제어 사이의 격차를 메우기 위해 형식적, 실행 가능하고 검증 가능한 스킬 언어를 제공하기 위해.
• 동일한 형식적 모델을 사용하여 오프라인 검증(모델 체킹)과 온라인 런타임 검증을 효과적으로 적용하기 위해.
• 드론과 같은 실제 로봇 플랫폼에 배포 가능하게 하여 형식적 보장을 제공하기 위해.
• 형식적 검증 이론 전문 지식이 없는 로봇학자들에게도 형식적 검증을 접근 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 제어 구조(조건 테스트, 분기, 반복, 병렬성)와 명시적 시간 처리를 갖춘 절차적 스킬 언어로서 ProSkill을 설계하기 위해.
• ProSkill 원소를 Fiacre 형식론으로 매핑하여, 모델링과 검증을 위한 엄밀한 수학적 기반을 제공하기 위해.
• 사양과 실행 간 의미 일致성을 보장하기 위해 ProSkill에서 Fiacre로의 자동이고 모호하지 않은 번역을 사용하기 위해.
• 스킬 모델의 논리적 및 시간적 성질을 검증하기 위해 모델 체킹을 통한 오프라인 검증을 수행하기 위해.
• 런타임 중에 형식적 Fiacre 모델을 직접 실행하여 안전성 성질의 모니터링과 강제 적용을 수행하기 위해.
• 실제 드론 플랫폼에 형식적 모델을 배포하여 순찰 미션을 실행하고, 형식적 검증 보장을 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 절차적 스킬 언어가 Fiacre와 같이 검증 기능을 갖춘 형식론으로 명확하게 매핑될 수 있으며, 운영 의미가 유지될 수 있는가?
• RQ2 동일한 형식적 모델에 대해 오프라인 모델 체킹과 온라인 런타임 검증을 어떻게 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ3 형식적 검증을 로봇학자들이 형식적 방법 이론 전문 지식 없이 실용적이고 접근 가능하게 만들 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 동일한 형식적 모델을 검증과 실제 실행 모두에 사용할 수 있는가?
• RQ5 행동 계층에 형식적 방법을 통합할 경우 자율 로봇의 안전성과 신뢰도는 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• ProSkill 언어는 Fiacre로의 명확하고 자동적인 번역을 통해 의미 일致성을 보장하며, 사양과 실행 간의 일致성을 확보한다.
• 오프라인 모델 체킹은 불변성 만족 및 올바른 상태 전이와 같은 복잡한 시간적 및 논리적 성질을 검증할 수 있다.
• 런타임 검증은 실현 가능하고 효과적이며, 드론 플랫폼에서 100 Hz로 형식적 모델을 실행하여 실시간 안전성 모니터링을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 실제 드론 순찰 미션에서 성공적으로 검증되었으며, 실무에서 종단 간 형식적 검증을 실현한 바 있다.
• 검증과 실행에 동일한 형식적 모델을 사용함으로써 설계와 구현 간 의미 격차를 제거한다.
• 이 프레임워크는 확장 가능하며, 행동 트리나 RMPL와 같은 다른 형식론으로도 적응 가능하여, 보다 넓은 범위의 형식적으로 검증된 행동 구성 요소의 도입을 가능하게 한다.