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Constraint-basierte Transformation abstrakter Handlungspläne in ausführbare Aktionen autonomer Roboter

Fachliche Zuordnung Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
Förderung Förderung von 2016 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 288705857
 
Erstellungsjahr 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Zielstellung für das Projekt war die Erweiterung der Handlungssteuerung durch ein dediziertes Selbstmodell. Die Ausgangslage war geprägt durch die Möglichkeiten, dass abstrakte Handlungspläne spezifiziert und ausgeführt werden können, dabei jedoch die speziellen Besonderheiten und Eigenschaften des Systems außer Acht lassen. Das klassische Beispiel ist, dass ein Roboterarm vor Gebrauch kalibriert sein muss. Es hängt von der Eigenart des Roboterarms ab, wie lange z.B. diese Kalibrierung dauert. Aus Sicht der höheren Steuerung sind solche Details allerdings nicht relevant und werden im Allgemeinen wegabstrahiert. Bei der Ausführung auf einem realen System sind solche Details dann wiederum sehr relevant, da sie die Ausführung des konkreten Plans stark beeinflussen. Um solche plattformspezifischen Details in die Handlungssteuerung zu integrieren, wird ein explizites Selbstmodell erstellt, welches plattformspezifische Eigenschaften modelliert und entsprechende hardwarebedingte Constraints formuliert. Diese werden dann zur Laufzeit in den abstrakten Handlungsplan integriert und in ausführbare Handlungsdirektiven überführt. Das bedeutet für das Beispiel der Manipulatorkalibrierung, dass die Kalibrieraktion vor der Greifaktion in den Handlungsplan eingeführt werden muss und mögliche temporale Konflikte aufgelöst werden müssen, z.B. durch Verschiebung des Startzeitpunktes der Greifaktion. Durch das Projekt Contrakt sollte die Sprache Golog so erweitert werden, dass ein Selbstmodell und entsprechende Constraints formuliert und in ein ausführbares Roboterprogramm synthetisiert werden können. Daher wurde zunächst untersucht, wie temporale Aspekte in das Situationskalkül integriert werden konnte. Ausgangspunkt dafür war die Sprache ESG, die um MTL-Operatoren erweitert wurde. Die Verknüpfung ermöglicht die Formulierung von temporalen Contraints, wie sie in der Spezifikation von Roboter-Selbstmodellen Verwendung finden und führte zur Entwicklung des Sprache t-ESG. Zur Verarbeitung von temporalen Contraints wurde zum einen ein Online-Transformationsmechanismus auf Basis von Timed Automata untersucht, zum anderen wurde ein Offline-Verfahren basierend auf MTL-Synthese entwickelt. Dabei wird ein Controller synthetisiert, der für alle möglichen Ausführungen des Anwendungsprogramms entsprechende Systemaktionen hinzufügt und deren Zeitpunkte festlegt. Constraint-Netzwerke haben sich als unzureichendes Modell für das Transformationsproblem herausgestellt. Zwar können mit Constraint-Netzwerken die zeitliche Abfolge der Aktionen bestimmt werden, jedoch können keine zusätzlichen Aktionen der Systemebene erzwungen werden. Die vorgenannten Ergebnisse wurden in einer Implementierung eines neuen Golog-Interpreters zusammenführt. Der neue Interpreter golog++ erlaubt es, sowohl die Systemkomponenten als auch das High-level Handlungsprogramm zu spezifizieren und in ein optimiertes ausführbares Gesamtprogramm zu transformieren. Die Komponenten des Selbstmodells werden hierbei als Timed Automata in Golog spezifiziert und später gemeinsam mit dem High-level-Programm transformiert. Die Evaluation erfolgte hauptsächlich an den Robotern des Logisitik-Anwendung, da der Service- Roboter aufgrund von Hardwareproblemen nicht zur Verfügung stand. Es wurde in verschiedenen Szenarios wie z.B. dem Einschalten der Kamera oder das Kalibrieren des Arms vor Beginn des Greifvorgangs gezeigt, dass das beschriebene Verfahren tatsächlich zu robusten Handlungsdirektiven des Roboters führt. Die Evaluation hat ergeben, dass selbst bei Plänen mit 150 Aktionen in wenigen Sekunden ein transformierter Plan bestimmen werden kann und damit für die vorgesehenen Anwendungsfälle geeignet ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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