Robotic planning in real-world scenarios typically requires joint optimization of logic and continuous variables. A core challenge to combine the strengths of logic planners and continuous solvers is the design of an efficient interface that informs the logical search about continuous infeasibilities. In this paper we present a novel iterative algorithm that connects logic planning with nonlinear optimization through a bidirectional interface, achieved by the detection of minimal subsets of nonlinear constraints that are infeasible. The algorithm continuously builds a database of graphs that represent (in)feasible subsets of continuous variables and constraints, and encodes this knowledge in the logical description. As a foundation for this algorithm, we introduce Planning with Nonlinear Transition Constraints (PNTC), a novel planning formulation that clarifies the exact assumptions our algorithm requires and can be applied to model Task and Motion Planning (TAMP) efficiently. Our experimental results show that our framework significantly outperforms alternative optimization-based approaches for TAMP.

在对关节对象表示表示的工作之后，引入了面向对象的网络（FOON）作为机器人的知识图表示。以双方图的形式，Foon包含符号（高级）概念，可用于机器人对任务及其对象级别计划的环境的理解及其环境。在本文之前，几乎没有做任何事情来证明如何通过任务树检索从FOON获取的任务计划如何由机器人执行，因为Foon中的概念太抽象了，无法立即执行。我们提出了一种分层任务计划方法，该方法将FOON图转换为基于PDDL的域知识表示操作计划的表示。由于这个过程，可以获取一个任务计划，即机器人可以从头到尾执行，以利用动态运动原始功能（DMP）的形式使用动作上下文和技能。我们演示了从计划到使用Coppeliasim执行的整个管道，并展示如何将学习的动作上下文扩展到从未见过的场景。

机器人中的任务和运动规划问题通常将符号规划与连续状态和动作变量相处的运动优化相结合，从而满足满足在任务变量上强加的逻辑约束的轨迹。符号规划可以用任务变量的数量呈指数级级，因此最近的工作诸如PDDLSTREAM的工作侧重于乐观规划，以逐步增长的对象和事实，直到找到可行的轨迹。然而，这种设置以宽度第一的方式被彻底地且均匀地扩展，无论手头的问题的几何结构如何，这使得具有大量物体的长时间地理推理，这令人难以耗时。为了解决这个问题，我们提出了一个几何通知的符号规划员，以最佳的方式扩展了一组对象和事实，优先由从现有搜索计算中学到的基于神经网络的基于神经网络的分数。我们在各种问题上评估我们的方法，并展示了在大型或困难情景中规划的提高能力。我们还在几个块堆叠操作任务中将算法应用于7DOF机器人手臂。

多步兵的操纵任务（例如打开推动的儿童瓶）需要机器人来做出各种计划选择，这些选择受到在任务期间施加力量的要求所影响的各种计划。机器人必须推荐与动作顺序相关的离散和连续选择，例如是否拾取对象以及每个动作的参数，例如如何掌握对象。为了实现计划和执行有力的操纵，我们通过限制了扭矩和摩擦限制，通过拟议的有力的运动链约束来增强现有的任务和运动计划者。在三个领域，打开一个防儿童瓶，扭动螺母并切割蔬菜，我们演示了系统如何从组合组合组合中进行选择。我们还展示了如何使用成本敏感的计划来查找强大的策略和参数物理参数的不确定性。

Rearrangement puzzles are variations of rearrangement problems in which the elements of a problem are potentially logically linked together. To efficiently solve such puzzles, we develop a motion planning approach based on a new state space that is logically factored, integrating the capabilities of the robot through factors of simultaneously manipulatable joints of an object. Based on this factored state space, we propose less-actions RRT (LA-RRT), a planner which optimizes for a low number of actions to solve a puzzle. At the core of our approach lies a new path defragmentation method, which rearranges and optimizes consecutive edges to minimize action cost. We solve six rearrangement scenarios with a Fetch robot, involving planar table puzzles and an escape room scenario. LA-RRT significantly outperforms the next best asymptotically-optimal planner by 4.01 to 6.58 times improvement in final action cost.

工业机器人操纵器（例如柯机）的应用可能需要在具有静态和非静态障碍物组合的环境中有效的在线运动计划。当可用的计算时间受到限制或无法完全产生解决方案时，现有的通用计划方法通常会产生较差的质量解决方案。我们提出了一个新的运动计划框架，旨在在用户定义的任务空间中运行，而不是机器人的工作空间，该框架有意将工作空间一般性交易，以计划和执行时间效率。我们的框架自动构建在线查询的轨迹库，类似于利用离线计算的以前方法。重要的是，我们的方法还提供了轨迹长度上有限的次级优势保证。关键的想法是建立称为$ \ epsilon $ -Gromov-Hausdorff近似值的近似异构体，以便在任务空间附近的点也很接近配置空间。这些边界关系进一步意味着可以平稳地串联轨迹，这使我们的框架能够解决批次查询方案，目的是找到最小长度的轨迹顺序，这些轨迹访问一组无序的目标。我们通过几种运动型配置评估了模拟框架，包括安装在移动基础上的操纵器。结果表明，我们的方法可实现可行的实时应用，并为扩展其功能提供了有趣的机会。

PDDLStream solvers have recently emerged as viable solutions for Task and Motion Planning (TAMP) problems, extending PDDL to problems with continuous action spaces. Prior work has shown how PDDLStream problems can be reduced to a sequence of PDDL planning problems, which can then be solved using off-the-shelf planners. However, this approach can suffer from long runtimes. In this paper we propose LAZY, a solver for PDDLStream problems that maintains a single integrated search over action skeletons, which gets progressively more geometrically informed as samples of possible motions are lazily drawn during motion planning. We explore how learned models of goal-directed policies and current motion sampling data can be incorporated in LAZY to adaptively guide the task planner. We show that this leads to significant speed-ups in the search for a feasible solution evaluated over unseen test environments of varying numbers of objects, goals, and initial conditions. We evaluate our TAMP approach by comparing to existing solvers for PDDLStream problems on a range of simulated 7DoF rearrangement/manipulation problems.

3D场景图（3DSG）是新兴的描述；统一符号，拓扑和度量场景表示。但是，典型的3DSG即使在小环境中包含数百个对象和符号。完整图上的任务计划是不切实际的。我们构建任务法，这是第一个大规模的机器人任务计划基准3DSGS。尽管大多数基准在该领域的基准努力都集中在基于愿景的计划上，但我们系统地研究了符号计划，以使计划绩效与视觉表示学习相结合。我们观察到，在现有方法中，基于经典和学习的计划者都不能在完整的3DSG上实时计划。实现实时计划需要（a）稀疏3DSG进行可拖动计划的进展，以及（b）设计更好利用3DSG层次结构的计划者。针对前一个目标，我们提出了磨砂膏，这是一种由任务条件的3DSG稀疏方法。使经典计划者能够匹配，在某些情况下可以超过最新的学习计划者。我们提出寻求后一个目标，这是一种使学习计划者能够利用3DSG结构的程序，从而减少了当前最佳方法所需的重型查询数量的数量级。我们将开放所有代码和基线，以刺激机器人任务计划，学习和3DSGS的交叉点进行进一步的研究。

多机器人运动计划（MRMP）是在运动动力学约束下针对在环境中作用的多个机器人的非缩进轨迹的基本问题。由于其复杂性，现有算法要么利用简化的假设或不完整。这项工作引入了基于动力学冲突的搜索（K-CB），这是一种分散的（分离）MRMP算法，是一般，可扩展性和概率完成的。该算法从成功的解决方案到MRMP的离散类似物（被称为多试路径查找（MAPF））具有灵感。具体来说，我们将基于冲突的搜索（CBS）（一种流行的分散MAPF算法）调整为MRMP设置。这种适应的新颖性是我们直接在连续领域工作，而无需离散化。特别是，动力动力学的约束在本地进行治疗。 K-CBS计划使用低级规划师分别为每个机器人计划，并通过定义单个机器人的约束来解决机器人之间的冲突树以解决机器人之间的碰撞。低水平的计划者可以是用于运动动力学机器人的任何基于采样的树搜索算法，从而将单个机器人的现有计划者提升为多机器人设置。我们表明，K-CBS继承了低级计划者的（概率）完整性。我们说明了在几个案例研究和基准测试中K-CB的一般性和性能。

与单个机器人相比，多个移动操纵器在需要移动性和灵活性的任务中表现出优势，尤其是在操纵/运输笨重的物体时。当对象和操纵器紧密地连接时，将形成闭合链，整个系统的运动将被限制在较低的歧管上。但是，当前对多机器人运动计划的研究并未完全考虑整个系统的形成，移动操纵器的冗余以及环境中的障碍，这使得任务具有挑战性。因此，本文提出了一个层次结构框架，以有效地解决上述挑战，其中集中式层计划离线运动的运动和分散层独立地实时探索每个机器人的冗余。此外，在集中式层中保证了封闭链，避免障碍物和地层限制的下限，其他计划者无法同时实现。此外，代表编队约束的分布的能力图可用于加快两层。仿真和实验结果都表明，所提出的框架的表现明显优于基准规划师。该系统可以在混乱的环境中绕过或跨越障碍物，并且该框架可以应用于不同数量的异质移动操纵器。

本研究提出了一种具有动态障碍物和不均匀地形的部分可观察环境中的BipeDal运动的安全任务和运动计划（夯实）的分层综合框架。高级任务规划师采用线性时间逻辑（LTL），用于机器人及其环境之间的反应游戏合成，并为导航安全和任务完成提供正式保证。为了解决环境部分可观察性，在高级导航计划者采用信仰抽象，以估计动态障碍的位置。因此，合成的动作规划器向中级运动规划器发送一组运动动作，同时基于运动过程的阶数模型（ROM）结合从安全定理提取的安全机置规范。运动计划程序采用ROM设计安全标准和采样算法，以生成准确跟踪高级动作的非周期性运动计划。为了解决外部扰动，本研究还调查了关键帧运动状态的安全顺序组成，通过可达性分析实现了对外部扰动的强大转变。最终插值一组基于ROM的超参数，以设计由轨迹优化生成的全身运动机器，并验证基于ROM的可行部署，以敏捷机器人设计的20多个自由的Cassie机器人。

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。

In the process of materials discovery, chemists currently need to perform many laborious, time-consuming, and often dangerous lab experiments. To accelerate this process, we propose a framework for robots to assist chemists by performing lab experiments autonomously. The solution allows a general-purpose robot to perform diverse chemistry experiments and efficiently make use of available lab tools. Our system can load high-level descriptions of chemistry experiments, perceive a dynamic workspace, and autonomously plan the required actions and motions to perform the given chemistry experiments with common tools found in the existing lab environment. Our architecture uses a modified PDDLStream solver for integrated task and constrained motion planning, which generates plans and motions that are guaranteed to be safe by preventing collisions and spillage. We present a modular framework that can scale to many different experiments, actions, and lab tools. In this work, we demonstrate the utility of our framework on three pouring skills and two foundational chemical experiments for materials synthesis: solubility and recrystallization. More experiments and updated evaluations can be found at https://ac-rad.github.io/arc-icra2023.

基于最佳抽样的运动计划和轨迹优化是两个竞争框架，以生成最佳运动计划。这两个框架都有互补的属性：基于抽样的计划者通常会趋于趋势，但提供最佳保证。但是，轨迹优化器通常很快就可以收敛，但在非凸问题中不提供全局最佳保证，例如场景有障碍。为了达到两全其美，我们介绍了一个新的计划者Bitkomo，该计划者将渐近最佳的批处理知识树（BIT*）计划者与K-order Markov优化（KOMO）轨迹优化框架集成在一起。我们的计划者随时随地，并保持BIT*提供的相同的渐近优化性保证，同时还利用KOMO轨迹优化器的快速收敛性。我们在实验中评估了我们的计划者在涉及高维配置空间的操作场景方面，最多有两个7-DOF操纵器，障碍物和狭窄的通道。即使Komo失败，Bitkomo的表现也比Komo更好，并且在收敛到最佳解决方案方面，它的表现优于Bit*。

在机器人域中，学习和计划因连续的状态空间，连续的动作空间和较长的任务范围而变得复杂。在这项工作中，我们通过神经符号关系过渡模型（NSRTS）解决了这些挑战，这是一种具有数据效率学习的新型模型，与强大的机器人计划方法兼容，并且可以推广到对象上。NSRT具有符号和神经成分，实现了双重计划方案，其中外循环中的符号AI规划指导内部循环中的神经模型的连续计划。四个机器人计划域中的实验表明，仅在数十或数百个培训情节之后就可以学习NSRT，然后用于快速规划的新任务，这些任务需要高达60个动作，并且涉及比培训期间看到的更多物体。视频：https：//tinyurl.com/chitnis-nsrts

解决逆运动学问题是针对清晰机器人的运动计划，控制和校准的基本挑战。这些机器人的运动学模型通常通过关节角度进行参数化，从而在机器人构型和最终效果姿势之间产生复杂的映射。或者，可以使用机器人附加点之间的不变距离来表示运动学模型和任务约束。在本文中，我们将基于距离的逆运动学的等效性和大量铰接式机器人和任务约束的距离几何问题进行形式化。与以前的方法不同，我们使用距离几何形状和低级别矩阵完成之间的连接来通过局部优化完成部分欧几里得距离矩阵来找到逆运动学解决方案。此外，我们用固定级革兰氏矩阵的Riemannian歧管来参数欧几里得距离矩阵的空间，从而使我们能够利用各种成熟的Riemannian优化方法。最后，我们表明，绑定的平滑性可用于生成知情的初始化，而无需大量的计算开销，从而改善收敛性。我们证明，我们的逆运动求解器比传统技术获得更高的成功率，并且在涉及许多工作区约束的问题上大大优于它们。

这项工作为过度分配的平台提供了计算轻量级运动计划器。为此，定义了针对具有多个运动链的移动平台的一般状态空间模型，该模型考虑了非线性和约束。提出的运动计划者基于一种顺序多阶段方法，该方法利用了每个步骤的温暖起步。首先，使用快速行进方法生成全球最佳和平滑的2D/3D轨迹。该轨迹作为温暖的开端馈送到一个顺序线性二次调节器，该线性二次调节器能够生成一个最佳运动计划，而无需为所有平台执行器限制。最后，考虑到模型中定义的约束，生成了可行的运动计划。在这方面，再次采用了顺序线性二次调节器，以先前生成的不受限制的运动计划作为温暖的开始。这种新颖的方法已被部署到欧洲航天局的Exomars测试漫游车中。这款漫游者是具有机器人臂的可容纳Ackermann能力的行星勘探测试床。进行了几项实验，表明所提出的方法加快了计算时间的速度，增加了火星样品检索任务的成功率，可以将其视为过度插入移动平台的代表性用例。

尽管移动操作在工业和服务机器人技术方面都重要，但仍然是一个重大挑战，因为它需要将最终效应轨迹的无缝整合与导航技能以及对长匹马的推理。现有方法难以控制大型配置空间，并导航动态和未知环境。在先前的工作中，我们建议将移动操纵任务分解为任务空间中最终效果的简化运动生成器，并将移动设备分解为训练有素的强化学习代理，以说明移动基础的运动基础，以说明运动的运动可行性。在这项工作中，我们引入了移动操作的神经导航（n $^2 $ m $^2 $），该导航将这种分解扩展到复杂的障碍环境，并使其能够解决现实世界中的广泛任务。最终的方法可以在未探索的环境中执行看不见的长马任务，同时立即对动态障碍和环境变化做出反应。同时，它提供了一种定义新的移动操作任务的简单方法。我们证明了我们提出的方法在多个运动学上多样化的移动操纵器上进行的广泛模拟和现实实验的能力。代码和视频可在http://mobile-rl.cs.uni-freiburg.de上公开获得。

增强学习（RL）在接触式操纵中的经验成功（RL）从基于模型的角度来理解了很多待理解，其中关键困难通常归因于（i）触点模式的爆炸，（ii）僵硬，非平滑接触动力学和由此产生的爆炸 /不连续梯度，以及（iii）计划问题的非转换性。 RL的随机性质通过有效采样和平均接触模式来解决（i）和（ii）。另一方面，基于模型的方法通过分析平滑接触动力学来解决相同的挑战。我们的第一个贡献是建立两种方法的简单系统方法的理论等效性，并在许多复杂示例上提供定性和经验的等效性。为了进一步减轻（II），我们的第二个贡献是凸面的凸面，可区分和准动力的触点动力学表述，这两个方案都可以平滑方案，并且通过实验证明了对接触富含接触的计划非常有效。我们的最终贡献解决了（III），在其中我们表明，当通过平滑度抽取接触模式时，基于经典的运动计划算法在全球计划中可以有效。将我们的方法应用于具有挑战性的接触式操纵任务的集合中，我们证明了基于模型的有效运动计划可以实现与RL相当的结果，而计算却大大较少。视频：https：//youtu.be/12ew4xc-vwa

混乱环境中的机器人操纵通常需要多个对象的复杂和顺序重排，以实现目标对象的所需重新配置。由于在这种情况下涉及复杂的身体互动，基于重新安排的操作仍然仅限于一小部分任务，并且尤其容易受到物理不确定性和感知噪声的影响。本文提出了一个计划框架，该框架利用了基于抽样的计划方法的效率，并通过动态控制计划范围来关闭操作循环。我们的方法交织了计划和执行，以逐步实现操纵目标，同时纠正过程中的任何错误或路径偏差。同时，我们的框架允许在不需要明确的目标配置的情况下定义操纵目标，从而使机器人能够灵活地与所有对象进行交互以促进对目标的操纵。通过在模拟和真实机器人中进行广泛的实验，我们在混乱的环境中评估了三个操纵任务的框架：抓握，重新安置和分类。与两种基线方法相比，我们表明我们的框架可以显着提高计划效率，对身体不确定性的鲁棒性以及在有限时间预算下的任务成功率。