[论文解读] Towards Robot-independent Manipulation Behavior Description

Malte Wirkus|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2014

Robot Manipulation and Learning参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一种机器人无关的框架，通过在Rock软件框架内嵌入领域特定语言（eDSL），实现对操作行为的描述与控制。通过将任务级运动规划与机器人构型解耦，采用抽象控制网络和参考坐标系抽象，该方法实现了在多种机器人系统间复用行为描述，初步结果展示了用于多阶段操作任务的模块化、分层控制网络。

ABSTRACT

In this paper we present a workflow to design and control robot manipulation behavior. To remain independent from particular robot hardware and an explicit area of application, an embedded domain specific language (eDSL) is used to describe the particular robot and a controller network that drives the robot. We make use of a) a component-based software framework, b) model-based algorithms for motion- and sensor processing representations, c) an abstract model of the control system, and d) a plan management software, to describe a sequence of software component networks that generate the desired robot behavior. As first results, we present an eDSL for the description of a robotic system composed of mechatronic subsystems, and for the creation of a multi-stage control network.

研究动机与目标

• 实现与硬件构型无关的机器人无关操作行为描述。
• 将任务级运动规划与机器人运动学及传感器数据处理解耦。
• 通过基于组件的软件和抽象控制模型，开发可复用、可组合的控制系统。
• 通过统一的控制网络抽象，支持行为的组合与跨不同机器人平台的迁移。
• 通过领域特定语言，实现传感器处理、运动规划与底层控制的高效集成。

提出的方法

• 该框架基于Rock框架构建基于组件的软件架构，以模块化方式组织机器人控制组件。
• 引入一种嵌入式领域特定语言（eDSL），用于定义控制网络和分层控制器结构。
• 运动规划被抽象为与机器人运动学无关的参数化函数（例如，DMPs、路径点导航）。
• 传感器数据通过处理流水线处理，将原始输入转换为传感器特定坐标系中的笛卡尔空间参考。
• 控制信号通过基于优先级的级联控制器架构进行管理，以解决重叠控制指令之间的冲突。
• 通过标准化的几何描述约定，处理参考坐标系（传感器、任务、机器人、关节）之间的变换。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现与机器人构型和硬件无关的操作行为描述？
• RQ2 何种抽象机制可实现不同机器人平台间的行为描述复用？
• RQ3 如何将传感器处理、运动规划与底层控制集成到统一且可组合的控制网络中？
• RQ4 领域特定语言在简化复杂、多阶段控制系统的规格说明方面发挥何种作用？
• RQ5 在分层控制架构中，如何解决来自多个子系统的冲突控制信号？

主要发现

• 成功实现嵌入式领域特定语言（eDSL），用于定义操作任务的多阶段控制网络。
• 该框架支持构建分层控制系统，其中高层运动规划与机器人特定运动学解耦。
• 级联控制器架构支持控制信号的模块化组合，并通过优先级机制解决控制器间的冲突。
• 系统支持虚拟控制接口，将关节级控制抽象为更高层次的功能单元（例如，'cart_arm_plus_wrist'、'head'、'finger'）。
• eDSL具有可扩展性，支持通过Syskit组合与数据流接口集成复杂组件网络。
• 该方法通过将控制逻辑从物理构型中抽象化，展示了在机器人之间迁移行为描述的可行性。