Code Generation from Unified Robot Description Format for Accelerated Robotics

• 语言: 英语
• 格式: .pdf
• 来源: github.com/CppCon

摘要

本文档介绍了一种从统一机器人描述格式(URDF)生成代码以加速机器人学的方法。通过编译时优化和代码生成，可以显著提高机器人学 subroutine的性能，包括前馈动力学(FFK)和运动规划。编译代码的优势在于可以测试内存分配和实时兼容性，特别适用于安全关键型应用如外科机器人。代码生成的好处包括减少错误、不需要为每个机器人维护代码，以及可以针对特定硬件进行优化。通过优化内存布局、算法改进和SIMD执行，可以实现性能提升超过500倍。

AI总结

《Code Generation from Unified Robot Description Format for Accelerated Robotics》摘要：

本文提出了一种基于统一机器人描述格式（URDF）的代码生成方法，旨在通过编译时优化和代码生成技术加速机器人学的开发和性能优化。以下是核心内容和关键点总结：

### 1. **动机与优势**
- **编译代码的优势**：编译代码可以测试内存分配和实时兼容性，特别是在安全关键型应用（如外科机器人）中，需要满足这些要求。
- **代码生成的优势**：
- 减少手动构建机器人描述时的错误。
- 不需要为每个机器人维护单独的代码。
- 支持硬件特定的CPU优化，并生成针对特定硬件的高效代码。

### 2. **性能优化**
- 通过编译时优化和代码生成技术，结合硬件特性和运动学描述，最大化性能。
- 优化内存布局和算法改进，减少不必要的计算（如固定关节的组合、循环展开等）。
- 硬件升级相对较少，通常仅涉及外部附件（如摄像头和末端执行器）。

### 3. **实现与案例**
- **实现步骤**：
- 编译工具从标准URDF文件生成优化代码。
- 配置数据结构以优化SIMD（单指令多数据）执行。
- 跳过不必要的计算，例如结合固定关节、循环展开等。
- **案例**：通过代码生成和优化，机器人路径规划（如基于RRT的最邻近查找和前向运动学）的性能提升了超过500倍。

### 4. **结论与展望**
- 代码生成是加速机器人开发的有效方法，能够充分利用硬件特性和优化潜力。
- 未来工作可能包括更多硬件特性的优化和算法改进。

本研究为机器人领域提供了一种高效且可扩展的解决方案，特别适用于需要高性能和实时性 的应用场景。