基於 A* 算法的桌面物件重排規劃：STRAP 算法

Centrala begrepp

本文提出了一種名為 STRAP 的新型 A* 算法，用於解決桌面物件重排問題，該算法著重於提高可擴展性和規劃效率，並在固定和移動機器人平台上進行了驗證。

Sammanfattning

文獻回顧

桌面物件重排

桌面物件重排任務是一個常見的機器人操作問題，涉及一系列拾取和放置動作，將多個物件排列到特定的目標位置。

使用內部緩衝區進行重排規劃

然而，在許多情況下，單個機械臂無法使用外部緩衝區。分配一個確保最優性的內部緩衝區是一項計算密集型任務。

問題陳述

給定一個包含 n 個物件的二維桌面工作空間，排列 A 被定義為 {p1, p2, ..., pn}，其中每個 pi 表示物件 i 的位姿。只有當沒有物件彼此碰撞或與工作空間邊界碰撞時，才認為排列有效。與之前的研究 [3] 不同，我們假設物件直接放置在桌面上，而不會堆疊。重排計劃由一系列拾取和放置動作 [a1, a2, ...] 組成，這些動作將物件從一個位置轉移到另一個位置。每個動作 a 指定要移動的物件、拾取位置和放置位置。只有在放置物件時不會導致任何碰撞，該動作才有效。

方法

本節描述了我們新的基於 A* 的算法，名為 STRAP，旨在克服 ORLA* 在固定和移動機器人 TORO 問題中的可擴展性問題。

成本估計

為了將 A* 算法用於 TORO 問題，必須為每個狀態 s 精確定義 g(s) 和 h(s) 成本估計。

探索

遵循 A* 原則，每次迭代都會從優先隊列中探索具有最低 f 值的狀態 s。

目標嘗試

為了確保在短時間內找到解決方案，STRAP 實現了一個稱為目標嘗試的過程。

重排計劃優化

終止後，應進一步完善當前最佳重排計劃。

評估

為了確保公平比較，我們在固定和移動設置中對以下算法應用了 TRLB [4] 的磁盤測試用例：

1. STRAP：本文提出的規劃器。
2. ORLA*：基於 [3] 的規劃器，作為最先進的技術。
3. TRLB：基於 [4] 的規劃器，它不返回高質量的解決方案。
4. 迭代 TRLB：在同一任務上多次運行 TRLB 算法，直到超時，然後返回最佳算法。
5. MCTS：使用蒙特卡洛樹搜索，獎勵函數來自 [16]，並在狀態中包含機器人配置。

結果

我們的評估使用與 [3] 中相同的指標：平均動作數、平均行程成本、平均計算時間和成功率，而操作成本為 1。

結論

在這項工作中，我們介紹了用於高質量桌面物件重排規劃的 STRAP，專為固定和移動機器人而設計。我們提出的方法解決了先前技術的關鍵限制，特別是在可擴展性方面。廣泛的評估表明，與 ORLA* 相比，我們的算法不僅可以隨著問題複雜性的增加更有效地擴展，而且可以實現更高水平的質量。具體來說，我們的方法可以有效地適應更廣泛和更複雜的場景，確保重排解決方案既可行又高質量。

Statistik

在移動設置中，25% 的案例需要超過 2500 秒才能執行。
在固定設置中，75% 的案例超過了 1400 秒。

Citat

ORLA* 擴展了用於桌面重排規劃的 A* 算法，將物件排列視為狀態，並使用拾取和放置動作在狀態之間轉換。
STRAP 將機器人的位姿納入狀態表示中，以確保更高的完整性。
為了確保在短時間內找到解決方案，STRAP 實現了一個稱為目標嘗試的過程。

Viktiga insikter från

Planning for Tabletop Object Rearrangement

by Jiaming Hu, ... på arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10899.pdf

Djupare frågor

在處理易碎或形狀不規則的物體時，如何調整 STRAP 算法以確保安全和效率？

STRAP 算法主要關注於規劃效率和成本優化，但在處理易碎或形狀不規則物體時，需要進行以下調整以確保安全和效率：

引入物體屬性: 在 STRAP 的狀態表示中，除了物體位置信息，還應加入物體屬性，例如易碎性、形狀複雜度等。

針對易碎物體，可以設定更高的碰撞懲罰，避免規劃過程中產生碰撞風險。
對於形狀不規則物體，需要更精確地計算碰撞檢測，例如使用點雲或網格模型，並考慮抓取點和放置點的穩定性。

優化抓取和放置策略:

對於易碎物體，需要選擇更安全穩妥的抓取點和放置點，例如使用多指抓取器或吸盤，並確保抓取力適當。
對於形狀不規則物體，需要根據物體形狀調整抓取姿态和放置姿态，可以使用深度學習方法預測最佳抓取姿态。

路徑規劃:

避免快速移動或旋轉易碎物體，規劃更平滑的路徑，例如使用梯形速度規劃或 S 曲線規劃。
對於形狀不規則物體，需要考慮機器人和環境的碰撞，可以使用運動規劃算法，例如 RRT* 或 A* 算法，尋找安全且高效的路徑。

結合感知信息:

使用視覺傳感器或觸覺傳感器獲取物體的精確形狀、材質和姿态信息，以便更準確地進行碰撞檢測和抓取規劃。

總之，處理易碎或形狀不規則物體需要 STRAP 算法在狀態表示、抓取和放置策略、路徑規劃以及感知信息等方面進行調整，以確保安全和效率。

文章主要關注於規劃效率和成本优化，但在实际应用中，感知误差和操作误差是不可避免的，STRAP 算法如何应对这些误差？

STRAP 算法在实际应用中需要应对感知误差和操作误差带来的挑战，以下是一些應對策略：

感知误差:

提高感知精度: 使用更高精度的传感器、多传感器融合、环境建模等方法提高物体位姿估计的准确性。
引入不确定性: 将感知的不确定性纳入规划框架，例如使用概率模型表示物体的位置和姿态，并在规划过程中考虑这些不确定性。
在线感知与规划: 在执行过程中不断进行感知，更新物体状态信息，并根据最新信息动态调整规划方案，例如使用滚动窗口方法或基于模型预测控制的方法。

操作误差:

提高操作精度: 使用高精度的机械臂、力控抓取器、视觉伺服等技术提高抓取和放置的精度。
引入反馈控制: 在执行过程中使用反馈控制机制，例如力反馈、视觉反馈，实时调整机器人的动作，补偿操作误差。
容错机制: 设计容错机制，例如在抓取失败时进行重试，或在放置过程中检测到碰撞时及时停止并重新规划。

仿真与实验:

在实际部署前，可以使用仿真环境对 STRAP 算法进行充分测试，评估其在不同误差情况下的鲁棒性和可靠性。
在实际应用中，可以通过数据收集和分析，不断优化算法参数和模型，提高其在真实环境中的适应性和性能。

总而言之，STRAP 算法需要结合感知、规划和控制等多方面技术，并不断优化和改进，才能有效应对实际应用中的误差和挑战。

如果将 STRAP 算法应用于三维空间的物体重排，例如在货架上整理货物，将会面临哪些新的挑战？

将 STRAP 算法应用于三维空间的物体重排，例如货架整理，将面临以下新的挑战：

状态空间复杂度: 三维空间中物体的位姿自由度更高，状态空间更加复杂，搜索空间也更大，这将增加算法的计算复杂度和搜索时间。

碰撞检测: 三维空间中的碰撞检测更加复杂，需要考虑物体形状、姿态和运动轨迹，传统的二维碰撞检测方法难以胜任。

抓取规划: 三维空间中的抓取规划更加困难，需要考虑机械臂的运动学约束、避障以及抓取的稳定性。

路径规划: 三维空间中的路径规划需要考虑更多的障碍物和约束条件，例如货架的结构、其他物体的遮挡等，需要更复杂的运动规划算法。

感知: 三维空间中的物体感知更加困难，需要使用深度相机、激光雷达等传感器获取更丰富的环境信息，并进行三维重建和物体识别。

为了应对这些挑战，需要对 STRAP 算法进行以下扩展和改进：

三维状态表示: 使用三维坐标系表示物体的位置和姿态，并考虑物体的形状和大小。

三维碰撞检测: 使用三维碰撞检测算法，例如基于包围盒、基于距离场或基于点云的方法，提高碰撞检测的效率和准确性。

三维抓取规划: 使用三维抓取规划算法，例如基于深度学习的方法或基于采样的方法，生成可行的抓取姿态和轨迹。

三维路径规划: 使用三维路径规划算法，例如 RRT* 或 A* 算法，在三维空间中找到安全且高效的运动路径。

多传感器融合: 结合多种传感器信息，例如深度相机、激光雷达和触觉传感器，提高物体感知的准确性和鲁棒性。

总而言之，将 STRAP 算法应用于三维空间的物体重排需要克服一系列新的挑战，需要在状态表示、碰撞检测、抓取规划、路径规划和感知等方面进行扩展和改进，才能实现高效、安全和可靠的重排操作。