[论文解读] A Domain Specific Language for kinematic models and fast implementations of robot dynamics algorithms

Marco Frigerio, Jonas Buchli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2013

Robot Manipulation and Learning参考文献 16被引用 17

一句话总结

本文提出一种用于指定刚性连杆机器人运动学和动力学模型的领域特定语言（DSL），可自动生成高效、兼容实时执行的代码，用于动力学算法。通过将机器人模型抽象为高层DSL，该方法消除了手动编写易出错代码的需要，同时为控制器和仿真器生成优化的实现，概念验证结果表明其能实现快速的逆向动力学计算。

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.

研究动机与目标

• 解决手动实现高性能机器人动力学算法所面临的挑战，该过程易出错且耗时。
• 通过支持自动代码生成，缩小基于模型的设计与机器人实时软件部署之间的差距。
• 在确保高频控制回路实时效率的前提下，提升机器人控制软件的可维护性和可移植性。
• 提供轻量级、面向领域的解决方案，专用于刚体动力学，避免通用建模工具带来的开销。
• 使研究人员摆脱底层实现细节的束缚，专注于更高阶的控制与算法创新。

提出的方法

• 定义一个领域模型，仅捕捉机器人本质的运动学和动力学参数，如连杆、关节及其物理属性。
• 基于该模型设计一种领域特定语言（DSL），以支持简洁、人类可读的机器人结构描述。
• 利用DSL以参数化方式描述机器人运动学与动力学，使其适合代码生成。
• 应用转换技术，为逆向动力学等动力学算法生成优化的低级C或C++代码。
• 利用DSL的结构，在模型编写过程中确保类型安全与语义验证。
• 通过避免在生成代码中使用动态内存分配和系统调用，确保其满足实时性要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 领域特定语言能否有效抽象机器人运动学与动力学模型，以实现自动、高效的代码生成？
• RQ2 DSL如何降低在实时控制系统中实现机器人动力学算法的复杂度与出错率？
• RQ3 生成的代码在性能上能否达到或超越手工编写的实现？
• RQ4 DSL能否在极少配置变更的情况下，灵活支持在仿真器与真实机器人之间的部署？
• RQ5 DSL如何扩展以支持先进控制策略及复杂机器人结构（如浮动摇摆系统）？

主要发现

• DSL支持以高层、可读性强的方式描述机器人模型，而无需关注底层实现细节。
• 针对逆向动力学算法的概念验证代码生成，实现了高性能与实时兼容性。
• 生成的代码避免了动态内存分配与系统调用，满足硬实时约束。
• 该方法显著减少了在不同机器人上实现与维护动力学算法所需的工作量。
• DSL架构支持自动生成功能核心组件，如变换矩阵与雅可比矩阵。
• 该方法在扩展至前向动力学及先进控制框架（如操作空间控制）方面展示了可行性。