Software Reconfiguration in Robotics

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

ロボットは、さまざまなハードウェアを使用してさまざまな環境で動作するロボットをカスタマイズ、キャリブレーション、または最適化するために、再構成可能な$-$-$を再構成する必要があります。
ロボット工学の特定の課題は、ソフトウェアコンポーネントをパラメーター化するだけでなく、ソフトウェアコンポーネントをロードしてアンロードする自動化された動的な再構成です。
過去数十年にわたり、多くの種類のソフトウェア再構成技術が文献に提示されており、多くはロボットシステム専用に提示されています。
また、多くのロボットフレームワークが再構成をサポートしています。
残念ながら、実際のロボット工学プロジェクトでの再構成技術の実際の使用と、ロボット工学フレームワークでの実現に関する経験的データが不足しています。
再構成技術を進め、採用をサポートするには、実際にそれらの経験的理解を向上させる必要があります。
Roboticsドメインでの実行時に自動再構成の研究を提示します。
再構成に関する78の関連出版物をレビューすることにより、最先端を決定します。
4つの主要なロボティクスフレームワークが再構成をどのようにサポートするか、および48のロボット工学（サブ）システムで再構成がどのように実現されるかを分析することにより、プラクティスの最先端を決定します。
再構成技術の設計スペースの詳細な分析を提供します。
トレンドと研究のギャップを特定します。
私たちの結果は、最先端とプラクティスの間に大きな矛盾を示しています。
科学コミュニティは複雑な構造的再構成に焦点を当てていますが、実際にはパラメーターの再構成のみが広く使用されています。
私たちの結果は、実践者がロボットシステムの再構成を実現することをサポートし、研究者やツールビルダーをサポートして、実際に採用されているより効果的な再構成技術を作成します。

要約(オリジナル)

Robots often need to be reconfigurable$-$to customize, calibrate, or optimize robots operating in varying environments with different hardware). A particular challenge in robotics is the automated and dynamic reconfiguration to load and unload software components, as well as parameterizing them. Over the last decades, a large variety of software reconfiguration techniques has been presented in the literature, many specifically for robotics systems. Also many robotics frameworks support reconfiguration. Unfortunately, there is a lack of empirical data on the actual use of reconfiguration techniques in real robotics projects and on their realization in robotics frameworks. To advance reconfiguration techniques and support their adoption, we need to improve our empirical understanding of them in practice. We present a study of automated reconfiguration at runtime in the robotics domain. We determine the state-of-the art by reviewing 78 relevant publications on reconfiguration. We determine the state-of-practice by analyzing how four major robotics frameworks support reconfiguration, and how reconfiguration is realized in 48 robotics (sub-)systems. We contribute a detailed analysis of the design space of reconfiguration techniques. We identify trends and research gaps. Our results show a significant discrepancy between the state-of-the-art and the state-of-practice. While the scientific community focuses on complex structural reconfiguration, only parameter reconfiguration is widely used in practice. Our results support practitioners to realize reconfiguration in robotics systems, as well as they support researchers and tool builders to create more effective reconfiguration techniques that are adopted in practice.

arxiv情報

著者 Sven Peldszus,Davide Brugali,Daniel Strüber,Patrizio Pelliccione,Thorsten Berger
発行日 2025-04-09 09:38:12+00:00
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Interactive Expressive Motion Generation Using Dynamic Movement Primitives

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

私たちの目標は、ソーシャルロボットが現実的で魅力的で表現力豊かな方法で人間と自律的に相互作用できるようにすることです。
アニメーションの12の原則[1]は、アニメーターがキャラクターを説得力があり、ダイナミックで、感情的に表現力豊かに見えるようにする動きを作成するために使用する確立されたフレームワークです。
このペーパーでは、動的な動きのプリミティブ（DMP）を活用して主要なアニメーション原則を実装する新しいアプローチを提案し、自動表現モーション生成のための学習可能で説明可能なモジュール性、オンライン適応可能で構成可能なモデルを提供します。
もともとロボット工学の一般的な模倣学習のために開発され、スプリングダンパーシステム設計に接地されたDMPSは、このタスクに特に適した数学的特性を提供します。
具体的には、個々の原則の強度の変調を可能にし、複雑で表現力のある動きシーケンスの分解を学習可能でパラメータ化可能なプリミティブに促進します。
パラメーター化されたアニメーション原理の数学的定式化を提示し、シミュレーション、実際のロボット、ユーザー調査で、異なる運動学的構成を持つ3つのロボットプラットフォームでの実験とアプリケーションを通じてフレームワークの有効性を実証します。
私たちの結果は、このアプローチにより、単一のベースモデルを使用して多様で微妙な表現を作成できることを示しています。

要約(オリジナル)

Our goal is to enable social robots to interact autonomously with humans in a realistic, engaging, and expressive manner. The 12 Principles of Animation [1] are a well-established framework animators use to create movements that make characters appear convincing, dynamic, and emotionally expressive. This paper proposes a novel approach that leverages Dynamic Movement Primitives (DMPs) to implement key animation principles, providing a learnable, explainable, modulable, online adaptable and composable model for automatic expressive motion generation. DMPs, originally developed for general imitation learning in robotics and grounded in a spring-damper system design, offer mathematical properties that make them particularly suitable for this task. Specifically, they enable modulation of the intensities of individual principles and facilitate the decomposition of complex, expressive motion sequences into learnable and parametrizable primitives. We present the mathematical formulation of the parameterized animation principles and demonstrate the effectiveness of our framework through experiments and application on three robotic platforms with different kinematic configurations, in simulation, on actual robots and in a user study. Our results show that the approach allows for creating diverse and nuanced expressions using a single base model.

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著者 Till Hielscher,Andreas Bulling,Kai O. Arras
発行日 2025-04-09 09:46:50+00:00
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Adaptive Human-Robot Collaborative Missions using Hybrid Task Planning

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

これらのミッションが正常に完了する可能性を高めるための、人間とロボットの共同ミッションで堅牢なタス​​ク計画を作成することは、重要な活動です。
さまざまなクラスの制約と不確実性を考慮している地域の幅広い研究機関にもかかわらず、その適用性は、数学的に基づいたまたはヒューリスティック主導のソルバーエンジンによって快適に対処できる比較的単純な問題に限定されています。
この論文では、2つの絡み合った部分に分解することにより、タスク計画の問題を効果的に解決するハイブリッドアプローチを導入し、実行可能な計画の識別から始めて、その不確実性の増強と検証がパレート最適計画のセットをもたらします。
その堅牢性を高めるために、適応戦術は進化するシステムの要件とエージェントの能力のために考案されます。
私たちは、ブドウ園内で活動を行っている労働者とロボットを含む産業事例研究を通じてアプローチを実証し、ネイティブプランナーと比較した実行可能なソリューションの生成とスケーラビリティの両方におけるハイブリッドアプローチの利点を示しています。

要約(オリジナル)

Producing robust task plans in human-robot collaborative missions is a critical activity in order to increase the likelihood of these missions completing successfully. Despite the broad research body in the area, which considers different classes of constraints and uncertainties, its applicability is confined to relatively simple problems that can be comfortably addressed by the underpinning mathematically-based or heuristic-driven solver engines. In this paper, we introduce a hybrid approach that effectively solves the task planning problem by decomposing it into two intertwined parts, starting with the identification of a feasible plan and followed by its uncertainty augmentation and verification yielding a set of Pareto optimal plans. To enhance its robustness, adaptation tactics are devised for the evolving system requirements and agents’ capabilities. We demonstrate our approach through an industrial case study involving workers and robots undertaking activities within a vineyard, showcasing the benefits of our hybrid approach both in the generation of feasible solutions and scalability compared to native planners.

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著者 Gricel Vázquez,Alexandros Evangelidis,Sepeedeh Shahbeigi,Simos Gerasimou
発行日 2025-04-09 10:07:15+00:00
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Learning Occlusion-aware Decision-making from Agent Interaction via Active Perception

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

咬合を意識する意思決定は、さまざまな閉塞の不確実性が高いため、自律運転に不可欠です。
最近の閉塞を意識した意思決定方法は、高い計算の複雑さ、シナリオのスケーラビリティの課題、限られた専門家データへの依存などの問題に遭遇します。
探査のランダム化による自動的にデータを生成することで恩恵を受けて、補強学習（RL）が閉塞を意識した意思決定において有望であることを明らかにします。
ただし、以前のオクルージョンを意識したRLは、さまざまな動的および静的閉塞シナリオ、低学習効率、予測能力の欠如に拡大する際の課題に直面しています。
これらの問題に対処するために、積極的な知覚を通じて閉塞を意識した意思決定を学ぶために、自己強化フレームワークであるPad-AIを紹介します。
PAD-AIは、ベクトル化された表現を利用して閉塞した環境を効率的に表現し、セマンティックモーションプリミティブで学習し、高レベルのアクティブな知覚探査に焦点を当てます。
さらに、PAD-AIは、統一されたフレームワーク内に予測とRLを統合して、リスク認識の学習とセキュリティ保証を提供します。
私たちのフレームワークは、動的閉塞と静的な閉塞の両方の下で挑戦的なシナリオでテストされ、閉ループ評価の他の強力なベースラインに対して効率的で一般的な知覚を意識した探索パフォーマンスを実証しました。

要約(オリジナル)

Occlusion-aware decision-making is essential in autonomous driving due to the high uncertainty of various occlusions. Recent occlusion-aware decision-making methods encounter issues such as high computational complexity, scenario scalability challenges, or reliance on limited expert data. Benefiting from automatically generating data by exploration randomization, we uncover that reinforcement learning (RL) may show promise in occlusion-aware decision-making. However, previous occlusion-aware RL faces challenges in expanding to various dynamic and static occlusion scenarios, low learning efficiency, and lack of predictive ability. To address these issues, we introduce Pad-AI, a self-reinforcing framework to learn occlusion-aware decision-making through active perception. Pad-AI utilizes vectorized representation to represent occluded environments efficiently and learns over the semantic motion primitives to focus on high-level active perception exploration. Furthermore, Pad-AI integrates prediction and RL within a unified framework to provide risk-aware learning and security guarantees. Our framework was tested in challenging scenarios under both dynamic and static occlusions and demonstrated efficient and general perception-aware exploration performance to other strong baselines in closed-loop evaluations.

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著者 Jie Jia,Yiming Shu,Zhongxue Gan,Wenchao Ding
発行日 2025-04-09 10:34:48+00:00
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Digital Gene: Learning about the Physical World through Analytic Concepts

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

過去10年間の人工知能の進捗状況を確認すると、さまざまな大きな進歩（オブジェクト検出、画像生成、大規模な言語モデルなど）により、AIシステムはより意味的に意味のある出力を生成し、インターネットシナリオで広範な採用を実現できました。
それにもかかわらず、AIシステムは、物理的な世界を理解し、相互作用することに関して依然として苦労しています。
これは重要な問題を明らかにします。インターネットデータ（テキスト、画像など）から学んだセマンティックレベルの概念のみに依存して、物理的な世界を十分に理解していることを理解しています。マシンインテリジェンスには、現在、物理的な世界について学ぶ効果的な方法がありません。
この研究では、数学的手順のプログラムを通じて物理的世界に関連する概念を表す分析概念のアイデアを紹介し、機械の知能に物理的な世界を知覚、推論、および相互作用するポータルを提供します。
設計哲学の詳細と分析概念の適用に関するガイドラインを提供することを除き、この研究では、分析概念を中心に構築されたインフラストラクチャについても紹介しています。
私は、これらの質問への対処に貢献するために私の研究を目指しています。機械の知能のための物理的世界における一般的な概念の適切な抽象化は何ですか？
構造化された事前に神経ネットワークと体系的に統合して、AIシステムを制約して物理的法則に準拠する方法は？

要約(オリジナル)

Reviewing the progress in artificial intelligence over the past decade, various significant advances (e.g. object detection, image generation, large language models) have enabled AI systems to produce more semantically meaningful outputs and achieve widespread adoption in internet scenarios. Nevertheless, AI systems still struggle when it comes to understanding and interacting with the physical world. This reveals an important issue: relying solely on semantic-level concepts learned from internet data (e.g. texts, images) to understand the physical world is far from sufficient — machine intelligence currently lacks an effective way to learn about the physical world. This research introduces the idea of analytic concept — representing the concepts related to the physical world through programs of mathematical procedures, providing machine intelligence a portal to perceive, reason about, and interact with the physical world. Except for detailing the design philosophy and providing guidelines for the application of analytic concepts, this research also introduce about the infrastructure that has been built around analytic concepts. I aim for my research to contribute to addressing these questions: What is a proper abstraction of general concepts in the physical world for machine intelligence? How to systematically integrate structured priors with neural networks to constrain AI systems to comply with physical laws?

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著者 Jianhua Sun,Cewu Lu
発行日 2025-04-09 10:35:12+00:00
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Towards Efficient Roadside LiDAR Deployment: A Fast Surrogate Metric Based on Entropy-Guided Visibility

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

道端のライダーセンサーの展開は、協同組合インテリジェント輸送システム（C-IT）の開発において重要な役割を果たします。
ただし、LIDARセンサーの高コストでは、検出性能を最大化するための効率的な配置戦略が必要です。
従来の道端のライダー展開方法は、専門家の洞察に依存しており、時間がかかります。
ただし、このプロセスを自動化するには、視認性評価だけでなく、さまざまなLIDARの配置全体の検出性能を評価する必要があるため、広範な計算が必要です。
この課題に対処するために、道端のLIDAR構成のオブジェクト検出性能を評価するための情報ゲインに基づいて、高速サロゲートメトリックであるエントロピー誘導可視性スコア（EGV）を提案します。
EGVは、トラフィックの確率的占有グリッド（TPOG）を活用して重要な領域に優先順位を付け、エントロピーベースの計算を使用してLidarビームによってキャプチャされた情報を定量化します。
これにより、通常、広範なラベル付けと計算リソースが必要な直接検出性能評価の必要性がなくなります。
EGVを最適化プロセスに統合することにより、最適なLIDAR構成の検索を大幅に加速します。
AWSIMシミュレーターを使用した実験結果は、EGVが平均精度（AP）スコアと強く相関し、オブジェクト検出パフォーマンスを効果的に予測することを示しています。
このアプローチは、道端のライダー展開のための計算効率的なソリューションを提供し、スケーラブルなスマートインフラストラクチャ開発を促進します。

要約(オリジナル)

The deployment of roadside LiDAR sensors plays a crucial role in the development of Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS). However, the high cost of LiDAR sensors necessitates efficient placement strategies to maximize detection performance. Traditional roadside LiDAR deployment methods rely on expert insight, making them time-consuming. Automating this process, however, demands extensive computation, as it requires not only visibility evaluation but also assessing detection performance across different LiDAR placements. To address this challenge, we propose a fast surrogate metric, the Entropy-Guided Visibility Score (EGVS), based on information gain to evaluate object detection performance in roadside LiDAR configurations. EGVS leverages Traffic Probabilistic Occupancy Grids (TPOG) to prioritize critical areas and employs entropy-based calculations to quantify the information captured by LiDAR beams. This eliminates the need for direct detection performance evaluation, which typically requires extensive labeling and computational resources. By integrating EGVS into the optimization process, we significantly accelerate the search for optimal LiDAR configurations. Experimental results using the AWSIM simulator demonstrate that EGVS strongly correlates with Average Precision (AP) scores and effectively predicts object detection performance. This approach offers a computationally efficient solution for roadside LiDAR deployment, facilitating scalable smart infrastructure development.

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著者 Yuze Jiang,Ehsan Javanmardi,Manabu Tsukada,Hiroshi Esaki
発行日 2025-04-09 10:53:03+00:00
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Advancing Remote Medical Palpation through Cognition and Emotion

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

このペーパーでは、より効果的なリモート触診システムを開発するために、医療触診に関与する認知的および感情的なプロセスを探ります。
従来の遠隔触診システムは、主にフォースフィードバックに依存して、患者の触覚状態を医師に伝えます。
しかし、触覚プロセスの分析は、その主な目標は、患部の詳細な触覚特性を評価するだけでなく、触覚感覚を他の評価、過去の経験、記憶、および患者の反応（身体的および感情的な反応）と統合して、医学的状態の包括的な理解を形成することであることを示唆しています。
この視点をサポートするために、医師と患者の両方の触覚感覚の知覚に関与する2つの重要なシグナル経路を説明します。
医師の場合、知覚はアクティブなタッチから生じ、運動感覚と触覚の感覚の同時刺激が必要です。
対照的に、患者は受動的なタッチを通して触覚感覚を経験しますが、これはしばしばより主観的で感情的な反応を引き出します。
患者はこの刺激を明示的かつ暗黙的に認識し、医師はこれらの反応を診断プロセスの一部として解釈します。
これらの発見に基づいて、マルチモーダル相互作用を活用してリモート診断を強化するリモート触診システムを提案します。
このシステムは、認知的および感情的なプロセスを優先して効果的な触診を実現し、完全な感覚体験を複製する技術的課題を克服します。

要約(オリジナル)

This paper explores the cognitive and emotional processes involved in medical palpation to develop a more effective remote palpation system. Conventional remote palpation systems primarily rely on force feedback to convey a patient’s tactile condition to doctors. However, an analysis of the palpation process suggests that its primary goal is not merely to assess the detailed tactile properties of the affected area but to integrate tactile sensations with other assessments, past experiences, memories, and patient reactions — both physical and emotional — to form a comprehensive understanding of the medical condition. To support this perspective, we describe two critical signal pathways involved in the perception of tactile sensations for both doctors and patients. For doctors, perception arises from active touch, requiring the simultaneous stimulation of kinesthetic and tactile sensations. In contrast, patients experience tactile sensations through passive touch, which often elicits more subjective and emotional responses. Patients perceive this stimulation both explicitly and implicitly, and doctors interpret these reactions as part of the diagnostic process. Based on these findings, we propose a remote palpation system that leverages multimodal interaction to enhance remote diagnosis. The system prioritizes cognitive and emotional processes to realize effective palpation, overcoming technical challenges in replicating the full sensory experience.

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著者 Matti Itkonen,Shotaro Okajima,Sayako Ueda,Alvaro Costa-Garcia,Yang Ningjia,Tadatoshi Kurogi,Takeshi Fujiwara,Shigeru Kurimoto,Shintaro Oyama,Masaomi Saeki,Michiro Yamamoto,Hidemasa Yoneda,Hitoshi Hirata,Shingo Shimoda
発行日 2025-04-09 11:01:35+00:00
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Developing Modular Grasping and Manipulation Pipeline Infrastructure to Streamline Performance Benchmarking

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

ロボット操作エコシステムは現在、オープンソースコンポーネントの統合と結果の再現に関する問題に直面しています。
これにより、コミュニティがさまざまなソリューションのパフォーマンスを効果的にベンチマークし、互いに比較する能力を制限し、代わりに主に全体的な評価に依存します。
Compare Ecosystem Projectの一環として、パフォーマンスベンチマークを合理化するために、モジュール式の把握および操作パイプラインインフラストラクチャを開発しています。
インフラストラクチャは、モジュール性とオープンソースの開発とベンチマークの改善に関する標準とガイドラインの確立に使用されます。
このペーパーでは、パイプラインインフラストラクチャのアーキテクチャの高レベルの概要、開発中にそれを行使するために行われた実験、およびそのモジュール性を拡大するための将来の作業を提供します。

要約(オリジナル)

The robot manipulation ecosystem currently faces issues with integrating open-source components and reproducing results. This limits the ability of the community to benchmark and compare the performance of different solutions to one another in an effective manner, instead relying on largely holistic evaluations. As part of the COMPARE Ecosystem project, we are developing modular grasping and manipulation pipeline infrastructure in order to streamline performance benchmarking. The infrastructure will be used towards the establishment of standards and guidelines for modularity and improved open-source development and benchmarking. This paper provides a high-level overview of the architecture of the pipeline infrastructure, experiments conducted to exercise it during development, and future work to expand its modularity.

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著者 Brian Flynn,Kostas Bekris,Berk Calli,Aaron Dollar,Adam Norton,Yu Sun,Holly Yanco
発行日 2025-04-09 12:24:42+00:00
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Dissipative iFIR filters for data-driven design

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

スケーラブルなデータ駆動型設計で閉ループの安定性保証を提供するという問題に取り組みます。
閉ループの安定性のために、コントローラーの散逸性の制約と仮想参照フィードバックチューニングを組み合わせます。
制約は、周波数領域の線形不平等のセットとして定式化されます。
これは、データの長さとコントローラーの複雑さに関してスケーラブルな凸状の問題につながります。
妨害ダイナミクスを含む仮想参照フィードバックチューニングの拡張についても説明します。
提案されているデータ駆動型制御設計は、ソフトグリッパーインピーダンス制御の例で示されています。

要約(オリジナル)

We tackle the problem of providing closed-loop stability guarantees with a scalable data-driven design. We combine virtual reference feedback tuning with dissipativity constraints on the controller for closed-loop stability. The constraints are formulated as a set of linear inequalities in the frequency domain. This leads to a convex problem that is scalable with respect to the length of the data and the complexity of the controller. An extension of virtual reference feedback tuning to include disturbance dynamics is also discussed. The proposed data-driven control design is illustrated by a soft gripper impedance control example.

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著者 Zixing Wang,Yi Zhang,Fulvio Forni
発行日 2025-04-09 12:40:12+00:00
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A Centralized Planning and Distributed Execution Method for Shape Filling with Homogeneous Mobile Robots

投稿日: 2025年4月10日 作成者: jarxiv

要約

自然はさまざまな方法で人間に影響を与えてきました。
動物の形成挙動は、個々の能力を超えるタスクを実行できます。
たとえば、陸軍のアリは橋を形成することで横断的な隙間があり、魚は捕食者から身を守るためにグループ化することができます。
パターン形成タスクは、通常、集団操作やさまざまな環境への適応など、下流タスクの初期構成として機能するため、マルチエージェントロボットシステムで不可欠です。
複雑な形状、特に中空の形の形成は、未解決の問題のままです。
従来のアプローチでは、各ロボットのグローバル座標を必要とするか、累積局在エラーのために穴を閉じようとすると障害が発生しやすくなります。
Kilobotチームによって追加の自己組織化アルゴリズムで導入されたリボンのアイデアに触発されて、グローバル座標情報を必要としない2段階のアルゴリズムを開発し、穴のある形状を効果的に形成します。
このホワイトペーパーでは、六角形格子設定でリボンを使用して形状の分割を調査し、リボン構造によって誘導される動きシーケンスに基づいてアドバクトアルゴリズムを提案します。
この進歩は、複雑な構造を含む医療用途向けのナノボットの組み立てや、関心のある領域に沿ったロボットの展開など、複雑なパターン形成を必要とするタスクへの扉を開きます。
また、複雑な形状、堅牢性の分析、および提案されたアルゴリズムの正確性の証明に関するシミュレーション結果を提供します。

要約(オリジナル)

Nature has inspired humans in different ways. The formation behavior of animals can perform tasks that exceed individual capability. For example, army ants could transverse gaps by forming bridges, and fishes could group up to protect themselves from predators. The pattern formation task is essential in a multiagent robotic system because it usually serves as the initial configuration of downstream tasks, such as collective manipulation and adaptation to various environments. The formation of complex shapes, especially hollow shapes, remains an open question. Traditional approaches either require global coordinates for each robot or are prone to failure when attempting to close the hole due to accumulated localization errors. Inspired by the ribbon idea introduced in the additive self-assembly algorithm by the Kilobot team, we develop a two-stage algorithm that does not require global coordinates information and effectively forms shapes with holes. In this paper, we investigate the partitioning of the shape using ribbons in a hexagonal lattice setting and propose the add-subtract algorithm based on the movement sequence induced by the ribbon structure. This advancement opens the door to tasks requiring complex pattern formations, such as the assembly of nanobots for medical applications involving intricate structures and the deployment of robots along the boundaries of areas of interest. We also provide simulation results on complex shapes, an analysis of the robustness as well as a proof of correctness of the proposed algorithm.

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著者 Shuqing Liu,Rong Su,Karl H. Johansson
発行日 2025-04-09 14:51:14+00:00
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