在本文中，我们提供了一个实用的证明，即与有限状态机（FSM）相比，行为树（BT）中的模块化如何减少编程机器人任务的努力。近年来，代表控制自治药物的任务计划的方法已从标准FSM转移到BTS。与标准方法相比，文献中的许多作品都强调并证明了这种设计的好处，尤其是在模块化，反应性和人类可读性方面。但是，这些作品通常无法在实施这些政策以及修改它们所需的编程工作中提供切实的比较。这是许多机器人应用中的一个相关方面，在该方面，设计选择是由政策的鲁棒性和对其进行编程所需的时间来决定的。在这项工作中，我们通过评估修改它们的成本来比较向后链的BT和FSM的耐故障设计。我们通过在模拟环境中通过一组实验来验证分析，其中移动操纵器可以解决项目提取任务。
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行为树（BT）是一种在自主代理中（例如机器人或计算机游戏中的虚拟实体）之间在不同任务之间进行切换的方法。 BT是创建模块化和反应性的复杂系统的一种非常有效的方法。这些属性在许多应用中至关重要，这导致BT从计算机游戏编程到AI和机器人技术的许多分支。在本书中，我们将首先对BTS进行介绍，然后我们描述BTS与早期切换结构的关系，并且在许多情况下如何概括。然后，这些想法被用作一套高效且易于使用的设计原理的基础。安全性，鲁棒性和效率等属性对于自主系统很重要，我们描述了一套使用BTS的状态空间描述正式分析这些系统的工具。借助新的分析工具，我们可以对BTS如何推广早期方法的形式形式化。我们还显示了BTS在自动化计划和机器学习中的使用。最后，我们描述了一组扩展的工具，以捕获随机BT的行为，其中动作的结果由概率描述。这些工具可以计算成功概率和完成时间。
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任务（SOT）控件允许机器人同时实现根据错误空间中（在）平等约束方面提出的许多优先目标。由于这种方法在每个时间步长求解了一系列二次程序（QP），而无需考虑任何时间状态的演变，因此适用于处理局部干扰。但是，其限制在于处理需要非二次目标才能实现特定目标的情况，以及应对控制干扰的情况，需要在本地进行次优的行动。最近的作品通过利用有限状态机器（FSM）来解决这一缺点，以使机器人不会陷入本地最小值的方式组成任务。然而，反应性和模块化之间的内在折衷是FSM的表征使它们在动态环境中定义反应性行为不切实际。在这封信中，我们将SOT控制策略与行为树（BTS）相结合，该任务切换结构在反应性，模块化和可重复使用方面解决了FSM的某些局限性。 Franka Emika Panda 7-DOF操纵器的实验结果显示了我们框架的稳健性，该框架使机器人可以从SOT和BTS的反应性中受益。
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自主机器人结合了各种技能，形成越来越复杂的行为，称为任务。尽管这些技能通常以相对较低的抽象级别进行编程，但它们的协调是建筑分离的，并且经常以高级语言或框架表达。几十年来，州机器一直是首选的语言，但是最近，行为树的语言在机器人主义者中引起了人们的关注。行为树最初是为计算机游戏设计的，用于建模自主参与者，提供了基于树木的可扩展的使命表示，并受到支持支持模块化设计和代码的重复使用。但是，尽管使用了该语言的几种实现，但对现实世界中的用法和范围知之甚少。行为树提供的概念与传统语言（例如州机器）有何关系？应用程序中如何使用行为树和状态机概念？我们介绍了对行为树中关键语言概念的研究及其在现实世界机器人应用中的使用。我们识别行为树语言，并将其语义与机器人技术中最著名的行为建模语言进行比较。我们为使用这些语言的机器人应用程序挖掘开源存储库并分析此用法。我们发现两种行为建模语言在语言设计及其在开源项目中的用法之间的相似性方面，以满足机器人域的需求。我们为现实世界行为模型的数据集提供了贡献，希望激发社区使用和进一步开发这种语言，相关的工具和分析技术。
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行为树（BT）在机器人界变得越来越流行。BT工具非常适合决策应用程序，允许机器人执行复杂的行为，同时也可以向人类解释。验证使用的BT在安全性和可靠性要求方面已经很好地构建是必不可少的，尤其是对于在关键环境中运行的机器人。在这项工作中，我们建议对行为树的形式规范和一种证明已经使用过的树的不变性的方法，同时使最终用户的树木形式化的复杂性保持简单。允许在行为树的特定实例中测试行为树的特定实例，而无需了解更抽象的形式化级别。
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增强学习（RL）是一个强大的数学框架，可让机器人通过反复试验学习复杂的技能。尽管在许多应用中取得了许多成功，但RL算法仍然需要数千个试验才能融合到高性能的政策，可以在学习时产生危险的行为，并且优化的政策（通常为神经网络建模）几乎可以在无法执行的解释时给出零的解释。任务。由于这些原因，在工业环境中采用RL并不常见。另一方面，行为树（BTS）可以提供一个策略表示，a）支持模块化和可综合的技能，b）允许轻松解释机器人动作，c）提供了有利的低维参数空间。在本文中，我们提出了一种新颖的算法，该算法可以学习模拟中BT策略的参数，然后在没有任何其他培训的情况下将其推广到物理机器人。我们利用了使用数字化工作站的物理模拟器，并使用黑盒优化器优化相关参数。我们在包括避免障碍物和富含接触的插入（孔洞）的任务中，通过7道型kuka-iiwa操纵器展示了我们方法的功效，其中我们的方法优于基准。
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行为树代表了将几个低级控制策略结合到高级任务切换策略中的分层和模块化方式。在不同策略之间的任务切换方面也可以看到混合动态系统，因此已经进行了行为树和混合动态系统之间的几个比较，而是仅在离散时间内进行间隔。缺乏正式的行为树连续时间制定。此外，已经进行了特定类行为树设计的收敛分析，但不是一般设计。在这封信中，我们提供了行为树的第一次连续时间制定，表明它们可以被视为不连续的动态系统（混合动态系统的子类），这使得存在于行为树的存在和唯一性结果，最后，提供足够的条件，在该系统下，这些系统将收敛到通用设计的状态空间的所需区域。通过这些结果，可以在设计行为树控制器时使用持续时间动态系统的大量结果。
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机器人技能系统旨在减少机器人设置时间的新制造任务。但是，对于灵巧，接触术的任务，通常很难找到正确的技能参数。一种策略是通过允许机器人系统直接学习任务来学习这些参数。对于学习问题，机器人操作员通常可以指定参数值的类型和范围。然而，鉴于他们先前的经验，机器人操作员应该能够通过提供有关在参数空间中找到最佳解决方案的知识猜测，从而进一步帮助学习过程。有趣的是，当前的机器人学习框架中没有利用这种先验知识。我们介绍了一种结合用户先验和贝叶斯优化的方法，以便在机器人部署时间快速优化机器人工业任务。我们在模拟中学习的三个任务以及直接在真实机器人系统上学习的两个任务中学习了我们的方法。此外，我们通过自动从良好表现的配置中自动构造先验来从相应的仿真任务中转移知识，以在真实系统上学习。为了处理潜在的任务目标，任务被建模为多目标问题。我们的结果表明，操作员的先验是用户指定和转移的，大大加快了富丽堂皇的阵线的发现，并且通常产生的最终性能远远超过了拟议的基线。
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多机器人和多代理系统通过系统的局部行为集成在组中表现出集体（Swarm）智能。分享有关任务和环境知识的代理商可以提高个人和任务水平的绩效。但是，这很难实现，部分原因是缺乏用于在代理之间转移一部分知识（行为）的通用框架。本文提出了一个新的知识表示框架和一种称为KT-BT：通过行为树的知识转移的转移策略。 KT-BT框架遵循通过在线行为树框架进行查询反应加速机制，在该框架中，代理对未知条件进行广播查询，并使用条件性能控制子流量以适当的知识做出响应。我们嵌入了一种称为StringBT的新型语法结构，该结构编码知识，从而实现行为共享。从理论上讲，我们研究了KT-BT框架的特性，与异质系统相比，整个小组的高知识同质性具有高度知识的性质，而没有能力共享知识。我们在模拟的多机器人搜索和救援问题中广泛验证了我们的框架。结果表明，在各种情况下，成功传递知识转移并提高了群体绩效。我们进一步研究了机会和沟通范围对一组代理商中群体绩效，知识传播和功能异质性的影响，并提供有趣的见解。
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行为树起源于视频游戏，是一种控制NPC的方法，但此后在机器人学界获得了吸引力，它是描述执行任务的框架。Behaverify是一种从PY_TREE创建NUXMV模型的工具。对于标准化的复合节点，此过程是自动的，不需要其他用户输入。自动支持各种叶子节点，不需要其他用户输入，但是自定义的叶节点将需要其他用户输入才能正确建模。Behaverify可以提供一个模板以使其更轻松。Behaverify能够创建具有100多个节点的NUXMV模型，NUXMV能够直接和通过反例验证该模型上的各种非平凡LTL属性。该模型具有并行节点，选择器和序列节点。与基于BTCompiler的模型的比较表明，由Behaverify创建的模型表现更好。
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嘈杂的传感，不完美的控制和环境变化是许多现实世界机器人任务的定义特征。部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDP）提供了一个原则上的数学框架，用于建模和解决不确定性下的机器人决策和控制任务。在过去的十年中，它看到了许多成功的应用程序，涵盖了本地化和导航，搜索和跟踪，自动驾驶，多机器人系统，操纵和人类机器人交互。这项调查旨在弥合POMDP模型的开发与算法之间的差距，以及针对另一端的不同机器人决策任务的应用。它分析了这些任务的特征，并将它们与POMDP框架的数学和算法属性联系起来，以进行有效的建模和解决方案。对于从业者来说，调查提供了一些关键任务特征，以决定何时以及如何成功地将POMDP应用于机器人任务。对于POMDP算法设计师，该调查为将POMDP应用于机器人系统的独特挑战提供了新的见解，并指出了有希望的新方向进行进一步研究。
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在AI研究中，合成动作计划通常使用了抽象地指定由于动作而导致的动作的描述性模型，并针对有效计算状态转换来定制。然而，执行计划的动作已经需要运行模型，其中使用丰富的计算控制结构和闭环在线决策来指定如何在非预定的执行上下文中执行动作，对事件作出反应并适应展开情况。整合行动和规划的审议演员通常需要将这两种模型一起使用 - 在尝试开发不同的型号时会导致问题，验证它们的一致性，并顺利交错和规划。作为替代方案，我们定义和实施综合作用和规划系统，其中规划和行为使用相同的操作模型。这些依赖于提供丰富的控制结构的分层任务导向的细化方法。称为反应作用发动机（RAE）的作用组件由众所周知的PRS系统启发。在每个决定步骤中，RAE可以从计划者获取建议，以获得关于效用功能的近乎最佳选择。随时计划使用像UPOM的UCT类似的蒙特卡罗树搜索程序，其推出是演员操作模型的模拟。我们还提供与RAE和UPOM一起使用的学习策略，从在线代理体验和/或模拟计划结果，从决策背景下映射到方法实例以及引导UPOM的启发式函数。我们展示了富豪朝向静态域的最佳方法的渐近融合，并在实验上展示了UPOM和学习策略显着提高了作用效率和鲁棒性。
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在动态和远程环境中，对自主系统的高级自治和鲁棒性的需求促使开发人员提出了新的软件体系结构。一种常见的架构样式是将机器人系统的功能总结为基本动作（称为技能）的功能，在该动作上，在该动作中实施了技能管理层以结构，测试和控制功能层。但是，当前可用的验证工具仅在不复制系统实际执行的模型上提供特定于任务的验证或验证，这使得难以确保其对意外事件的鲁棒性。为此，已经开发出一种工具，即Skinet，以将系统的基于技能的架构转换为Petri网络，以建模技能和资源的状态机器行为。 Petri NET允许使用模型检查，例如线性时间逻辑（LTL）或计算树逻辑（CTL），以供用户分析和验证系统的模型。
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从制造环境到个人房屋的最终用户任务的巨大多样性使得预编程机器人非常具有挑战性。事实上，教学机器人从划痕的新行动可以重复使用以前看不见的任务仍然是一个艰难的挑战，一般都留给了机器人专家。在这项工作中，我们展示了Iropro，这是一个交互式机器人编程框架，允许最终用户没有技术背景，以教授机器人新的可重用行动。我们通过演示和自动规划技术将编程结合起来，以允许用户通过通过动力学示范教授新的行动来构建机器人的知识库。这些行动是概括的，并重用任务计划程序来解决用户定义的先前未经调查的问题。我们将iropro作为Baxter研究机器人的端到端系统实施，同时通过演示通过示范来教授低级和高级操作，以便用户可以通过图形用户界面自定义以适应其特定用例。为了评估我们的方法的可行性，我们首先进行了预设计实验，以更好地了解用户采用所涉及的概念和所提出的机器人编程过程。我们将结果与设计后实验进行比较，在那里我们进行了用户学习，以验证我们对真实最终用户的方法的可用性。总体而言，我们展示了具有不同编程水平和教育背景的用户可以轻松学习和使用Iropro及其机器人编程过程。
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本文迈出了一个全局线性时间逻辑规范的反应性，分层多机器人任务分配和计划框架的第一步。四倍体机器人和轮式机器人的功能都可以通过一个异质团队来完成各种导航和交付任务。但是，当部署在现实世界中时，所有机器人都可能容易受到不同类型的干扰，包括但不限于运动失败，人类干预和环境的障碍。为了解决这些干扰，我们建议任务级的本地和全局重新分配策略，以有效地在线生成更新的动作状态序列，同时保证完成原始任务的完成。这些任务重新分配方法消除了重建整个计划或重新合成新任务的方法。为了将任务计划者与低级输入集成，行为树执行层监视不同类型的干扰，并采用重新分配方法来制定相应的恢复策略。为了评估该计划框架，在现实的医院环境中进行了动态模拟，其异质机器人团队由四足动物和轮式机器人组成，用于交付任务。
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为了使机器人能够实现高级目标，工程师通常会编写应用现有专业技能的脚本，例如导航，对象检测和操纵以实现这些目标。编写好的脚本是具有挑战性的，因为它们必须智能平衡物理机器人的动作和传感器的固有随机性以及它拥有的有限信息。原则上，AI计划可用于应对这一挑战并自动生成良好的行为策略。但这需要通过三个障碍。首先，AI必须了解每个技能对世界的影响。其次，我们必须弥合了解技能的作用和其代码中使用的低级状态变量之间更抽象的级别之间的差距。第三，将所有组件绑在一起需要大量的集成工作。我们描述了一种将机器人技能集成到工作的自主机器人控制器中的方法，该机器人的机器人控制器计划其技能以完成指定任务并具有四个关键优势。 1）使用概率编程语言中的想法，我们的生成技能文档语言（GSDL）使代码文档更简单，紧凑，更具表现力。 2）表达抽象映射（AM）桥接了低级机器人代码和抽象AI计划模型之间的差距。 3）控制器可以使用任何正确记录的技能，而无需任何额外的编程工作，提供插头的经验。 4）POMDP求解器计划执行技能，同时适当地平衡了部分可观察性，随机行为和嘈杂的传感。
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One of today's goals for industrial robot systems is to allow fast and easy provisioning for new tasks. Skill-based systems that use planning and knowledge representation have long been one possible answer to this. However, especially with contact-rich robot tasks that need careful parameter settings, such reasoning techniques can fall short if the required knowledge not adequately modeled. We show an approach that provides a combination of task-level planning and reasoning with targeted learning of skill parameters for a task at hand. Starting from a task goal formulated in PDDL, the learnable parameters in the plan are identified and an operator can choose reward functions and parameters for the learning process. A tight integration with a knowledge framework allows to form a prior for learning and the usage of multi-objective Bayesian optimization eases to balance aspects such as safety and task performance that can often affect each other. We demonstrate the efficacy and versatility of our approach by learning skill parameters for two different contact-rich tasks and show their successful execution on a real 7-DOF KUKA-iiwa.
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已知尝试构建自主机器人依赖复杂的控制架构，通常使用机器人操作系统平台（ROS）实现。在这些系统中需要运行时适应，以应对组件故障，并使用动态环境引起的突发事件 - 否则，这些系统会影响任务执行的可靠性和质量。关于如何在机器人中构建自适应系统的现有提案通常需要重大重新设计控制架构，并依赖于对机器人社区不熟悉的复杂工具。此外，它们很难重复使用应用程序。本文介绍了MRO：基于ROS的机器人控制架构的运行时调整的基于模型的框架。 MRO使用域特定语言的组合来模拟架构变体，并捕获任务质量问题，以及基于本体的Mape-K和Meta-Contoil Visions的运行时适应的愿望。在两个现实ROS的机器人示范器中施加MRO的实验结果在特派团执行的质量方面，展示了我们的方法的好处，以及机器人应用程序的MROS的可扩展性和可重复性。
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我们介绍了栖息地2.0（H2.0），这是一个模拟平台，用于培训交互式3D环境和复杂物理的场景中的虚拟机器人。我们为体现的AI堆栈 - 数据，仿真和基准任务做出了全面的贡献。具体来说，我们提出：（i）复制：一个由艺术家的，带注释的，可重新配置的3D公寓（匹配真实空间）与铰接对象（例如可以打开/关闭的橱柜和抽屉）； （ii）H2.0：一个高性能物理学的3D模拟器，其速度超过8-GPU节点上的每秒25,000个模拟步骤（实时850x实时），代表先前工作的100倍加速；和（iii）家庭助理基准（HAB）：一套辅助机器人（整理房屋，准备杂货，设置餐桌）的一套常见任务，以测试一系列移动操作功能。这些大规模的工程贡献使我们能够系统地比较长期结构化任务中的大规模加固学习（RL）和经典的感官平面操作（SPA）管道，并重点是对新对象，容器和布局的概括。 。我们发现（1）与层次结构相比，（1）平面RL政策在HAB上挣扎； （2）具有独立技能的层次结构遭受“交接问题”的困扰，（3）水疗管道比RL政策更脆。
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机器人系统的长期自主权隐含地需要可靠的平台，这些平台能够自然处理硬件和软件故障，行为问题或缺乏知识。基于模型的可靠平台还需要在系统开发过程中应用严格的方法，包括使用正确的构造技术来实现机器人行为。随着机器人的自治水平的提高，提供系统可靠性的提供成本也会增加。我们认为，自主机器人的可靠性可靠性可以从几种认知功能，知识处理，推理和元评估的正式模型中受益。在这里，我们为自动机器人代理的认知体系结构的生成模型提出了案例，该模型订阅了基于模型的工程和可靠性，自主计算和知识支持机器人技术的原则。
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