[논문 리뷰] Robot Design: Formalisms, Representations, and the Role of the Designer

Alexandra Q. Nilles, Dylan A. Shell외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 13.

Modular Robots and Swarm Intelligence참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 형식적 방법, 최소성 원칙, 인간 중심의 설계 도구를 통합하여 로봇 설계의 자동화를 위한 형식적 프레임워크를 제안한다. 기존의 로봇 공학 추상화 방식은 자동화를 위한 것으로 부족하며, 실행 가능한 모델과 상호작용 기반의 설계 시스템을 통해 인간의 창의성을 고양하면서도 계산적 추론을 활용하여 설계의 상충 관계와 제약 조건을 탐색할 것을 주장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재의 로봇 공학 추상화 방식이 자동화된 로봇 설계를 지원하는 데 부족함을 해결하기 위해.
• 형식적 방법, 최소성 원칙, 인간 중심의 설계 도구를 통합하여 로봇 설계 자동화를 위한 통합 프레임워크를 구축하기 위해.
• 모델과 표현 방식이 확장 가능하고 정확하며 창의적인 로봇 설계 과정을 가능하게 하는 데서 수행되는 역할을 규명하기 위해.
• 복잡성과 상충 관계를 관리하면서 인간의 창의성을 지원하는 자동화 설계 도구의 개발을 이끌기 위해.
• 다학제적 워크숍의 통찰을 통합하여 향후 연구를 위한 비전도를 수립하기 위해.

제안 방법

• 기호적 표현 방식과 형식적 명세 언어를 사용하여 로봇 지식을 실행 가능한 모델로 형식화하기 위해.
• 작업 완료에 필요한 최소한의 하드웨어 및 계산 능력을 결정하기 위해 최소성 원칙을 적용하기 위해.
• 질의, 피드백, 반복적 개선을 지원하는 상호작용 기반의 인간 참여 설계 도구를 설계하기 위해.
• 부분적인 설계에 대한 조기 검증을 위해 시뮬레이션, 시각화 및 촉각 피드백을 통합하기 위해.
• 형식적 검증과 최적화 기반으로 자동화된 시스템이 변경 사항을 제안하거나 모순을 해결하는 혼합형 설계 워크플로우 개발하기 위해.
• 다양한 사용자 전문성 수준과 설계 단계에 맞게 조정된 다중 모odal 상호작용 인터페이스—시각적, 텍스트 기반, 절차적—구축하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇 공학의 형식적 추상화는 하드웨어와 내부 상태의 자동 설계를 지원하기 위해 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ2 센서, 액추에이터, 계산 능력의 어떤 최소 구성이 특정 작업을 수행하는 데에 필요한가?
• RQ3 창의성이나 정확성을 훼손하지 않으면서 인간 설계자가 자동 설계 파이프라인에 효과적으로 통합될 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 모델과 표현 방식은 확장 가능하고 정확한 로봇 설계 자동화를 가능하게 하는 데서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 다양한 상호작용 모odal(예: 시각적, 텍스트 기반, 상호작용 시뮬레이션)은 자동 설계 도구의 사용성과 효과성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 현재의 로봇 공학 추상화 방식은 기계로 읽을 수 있고 실행 가능한 형태로 형식화되어 있지 않기 때문에 자동화에 부적절하다.
• 형식적 방법과 실행 가능한 모델은 로봇 성능, 제약 조건, 상충 관계에 대한 자동 추론을 가능하게 한다.
• 최소성 연구는 로봇 능력의 이론적 경계를 드러내며, 작업 수행에 필요한 최소한의 구성 요소를 식별하는 데 도움을 준다.
• 시뮬레이션, 피드백, 사용자 질의를 통합한 상호작용 설계 도구는 설계 탐색과 오류 탐지 능력을 크게 향상시킨다.
• 고수준의 사양 정의, 창의성 발휘, 모호하거나 상충되는 설계 목표의 해결에 인간 설계자가 여전히 필수적이다.
• 형식적 방법과 인간 중심의 설계 도구의 통합은 디지털 음악 도구가 음악 작곡에 미치는 영향과 유사한 새로운 창의적 탐색 방식을 가능하게 한다.