그래프 기반 상태 표현을 활용한 작업 계획 알고리즘 개발

2.1 상태 그래프 정의

상태 그래프는 주어진 상태에 존재하는 물체에 대한 정보와 물체 사이의 관계에 대한 정보를 포함한 유향 그래프(Directed Graph)로 정의된다. 그래프 G = (V,E)에서 정점 v∈V는 물체의 이미지에 대한 임베딩 벡터(embedding vector)로 표현한다. 본 논문의 실험에서 사용된 물체의 종류는 {‘Table’, ‘Box’, ‘Gripper’} 3가지로 정한다. 각 물체의 이미지 임베딩은 전체 관측 이미지에서 해당 물체의 바운딩 박스(‘Bounding Box’) 영역 이미지를 ResNet101^[8] 인코더에 통과시켜서 구한다. 관측 이미지는 로봇의 hand-eye 시점으로 촬영하기 때문에, 그리퍼(gripper) 또는 그리퍼에 잡힌 물체의 이미지는 관측되지 않는다. 이러한 경우에는 이미지 임베딩을 영벡터(zero vector)로 대신 입력한다. 간선 e∈E는 두 물체 사이의 의미적(semantic)인 관계 정보에 대한 원-핫 임베딩(one-hot embedding)으로 표현하며, 사용되는 관계의 종류는 {‘On’, ‘Under’, ‘Grasp’, ‘In Grasp’}로 구성된다.

모델이 세부 목표를 예측하기 위해서는 현재 상태와 목표 상태에 대한 정보가 모두 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 두 상태를 표현한 각각의 그래프를 하나의 결합된 그래프로 표현하였다. 결합은 두 그래프에서 동일한 물체 쌍을 잇는 간선 벡터를 concatenation하는 방식으로 수행된다. 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 e_current,e_goal은 각각 현재 및 목표 상태에서 동일한 물체쌍을 연결하는 간선 벡터이며, ⊕는 concatenation 연산을 의미한다. 어떤 두 물체를 잇는 간선이 한 시점에만 존재하는 경우에는 동일한 크기의 영벡터를 대신 concatenation 한다. 두 그래프에 존재하는 모든 간선에 대해 위 연산을 수행하여 그래프를 결합한다. 정점 벡터의 경우에는 해당 물체의 고유한 정보를 의미하기 때문에 현재와 목표 상태 사이에 변화가 유의미하지 않다. 따라서 물체 벡터는 결합하지 않고 현재 상태의 값으로 고정하여 사용한다. 이 과정을 통해 모델이 현재와 목표 상태 그래프 사이에 존재하는 연결성의 차이를 이해하여 로봇이 수행해야 할 세부 목표를 예측하도록 학습할 수 있다.

2.2 모델 구조

[Fig. 1]은 세부 목표 예측 모델의 구조를 표현한 그림이다. 먼저 입력된 상태 그래프를 GNN layer에 입력하여 그래프에 존재하는 모든 물체에 대한 정점의 임베딩 벡터를 업데이트한다. 해당 연산은 다음과 같이 식 (2)로 표현된다.

[Fig. 1]

Architecture of GNN-based subgoal prediction model. Current and goal state graphs are concatenated and then passed into the GNN layer to extract node (object) features. Finally, model predict the target action and object as subgoal

여기서 MP는 메세지 패싱 연산을 의미하며, N(v)는 한 정점 v에 이웃한 정점의 집합이다. MLP함수 내부의 $$ v_i^N$$은 N(v)에 포함된 한 정점을, $$ e_{\overrightarrow{v_i^{N}v}}$$는 $$ v_i^N$$과 v를 잇는 지향성 간선을 의미한다. 그래프의 한 정점 v에 대해서 이웃한 정점의 정보와 그 때의 연결 정보를 모두 합쳐서 정점 v와 concatenate하고, 이를 MLP함수에 통과시켜서 최종적으로 주변 정보를 포함하도록 업데이트된 정점 벡터 v'을 구할 수 있다. 이러한 연산을 통해 그래프에 존재하는 물체에 대해서 연결된 이웃 물체와 그때의 연결 정보를 모두 고려하여 유의미한 정보를 추출할 수 있다.

모델에 입력되는 상태에는 다수의 물체가 존재한다. 이 중에는 작업 계획 과정에서 주로 다루어지는 중요한 물체도 있지만, 목표에 따라서 어떠한 작업도 이뤄지지 않는 물체도 있다. 효율적인 작업 계획을 위해서는 목표 달성에 중요한 물체에 대해서만 세부 목표를 예측하여 탐색 공간을 줄이는 과정이 필수적이다. 이를 고려하기 위해서 본 연구에서는 업데이트된 그래프에 대해서 물체의 중요도를 예측하기 위해서 Node scoring layer를 추가하였다. 해당 레이어는 GNN layer와 구조와 연산은 동일하지만, 출력되는 물체 벡터의 차원을 1로 변경하고 softmax연산을 추가하여 모든 물체의 중요도에 대한 확률 분포를 예측한다. 이러한 과정을 통해 주어진 현재 및 목표 상태에서 세부 목표를 수행할 때 중요한 물체가 무엇인지 식별할 수 있다.

세부 목표 중 수행해야 할 행동(Action)의 종류를 예측하기 위해선 주어진 상태를 표현하는 하나의 통합된 벡터가 필요하다. 이를 위해 GNN layer를 거쳐서 업데이트된 물체 벡터들에 대해서 node scoring layer에서 예측된 중요도를 가중치로 한 가중합(Weighted sum)을 구한다. 이러한 과정을 통해 존재하는 모든 물체의 정보를 포함하면서, 세부 목표 예측에 중요한 물체를 더 많이 고려하는 유의미한 벡터를 구할 수 있다. 이후 MLP layer와 softmax를 추가하여 행동 공간(Action space)상에서의 확률 분포를 예측한다. 예를 들어 Box 1, 2, 3이 테이블 위에 놓인 입력 상태와 Box 1이 2 위에 쌓인 목표 상태가 주어졌을 때, 목표 상태에 도달하려면 먼저 Box 1과 Table사이에 연결된 ‘On’–‘Under’ 관계가 제거되고, Box 1과 Box 2 사이에 ‘On’–‘Under’ 관계가 추가되어야 한다. 주어진 목표를 만족하기 위해 로봇이 현재 상태에서 수행해야 할 행동은 Box 1을 집는 것이며, 따라서 이때 모델의 출력은 ‘Pick’과 ‘Box 1’이 된다. 이처럼 제안된 모델이 주어진 상황에서 중요 물체와 수행할 행동을 잘 예측하도록 학습하기 위해 랜덤하게 생성된 5000개의 작업 데이터셋을 수집하였다. 데이터 수집에 대한 자세한 내용은 4.1에서 설명한다. 본 논문에서는 로봇이 수행할 수 있는 행동의 종류를 {‘Pick’, ‘Place’}의 두 가지로 정의하고 실험을 진행하였다.

모델의 학습을 위한 loss는 식 (3)과 같이 정의한다.

이때 L_Action과 L_Object는 정답 레이블(Ground truth label)에 대한 cross-entropy loss로 계산하였다. 각각의 loss에 대한 가중치는 ω_Action = 0.1, ω_Object = 1로 설정하였다.

3.1 상태 변화 모듈

연속된 작업 계획을 위해서는 주어진 상태에서 특정 세부 목표를 수행했을 때 변화되는 다음 상태를 예측해야 한다. 상태 정보를 이미지 임베딩과 같은 암시적(Implicit)인 형태로 처리하면 상태 변화 예측을 위한 추가적인 모델 학습이 필요하다. 반면, 물체 사이의 관계를 그래프로 표현하는 경우에는 명시적(Explicit)인 관계성의 변화를 규칙적으로 정의할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 과정의 간소화를 위해 입력된 현재 상태의 그래프에서 특정 행동에 따라 대상 물체의 연결성 변화를 계산하는 규칙을 정의하였다.

예를 들어 Box1, 2, 3이 테이블 위에 놓인 현재 상태에서 세부 목표로 (‘Pick’, ‘Box 1’)이 주어진 경우, 그래프에서 Box 1과 연결된 모든 간선을 지우고 그리퍼와 ‘Grasp’-‘In Grasp’ 간선을 추가한다. 또한 Box 1이 잡힌 상태에서 (‘Place’, ‘Box 2’)라는 세부 목표가 주어지면 그리퍼와 연결된 간선을 지우고 ‘Box 1’과 ‘Box 2’ 사이에 ‘On’-‘Under’ 간선을 추가한다. 이러한 규칙으로 현재 상태 그래프에 대해 임의의 세부 목표가 주어진 경우, 그 때 변화할 다음 상태 그래프를 실제 로봇 수행 없이도 예측할 수 있다.

3.2 최상 우선 탐색 알고리즘

작업 계획 성능의 향상을 위해서는 여러 경우를 고려하여 세부 목표를 탐색해야 한다. 이때 임의의 행동을 선택하면서 탐색하는 것은 탐색 공간이 너무 커지기 때문에 비효율적이다. 따라서 본 연구에서는 [Fig. 2]와 같이 학습된 모델과 탐색 알고리즘을 결합한 작업 계획 방법을 제안한다. 먼저 앞서 사전 학습된 세부 목표 예측 모델을 통해 특정 시점에서 수행해야 하는 상위 k개의 세부 목표에 대해서 탐색을 진행한다.

[Fig. 2]

Search algorithm with pretrained subgoal prediction model

상태 변화 모듈을 거쳐서 각각의 세부 목표에 대해 변화된 다음 상태를 예측하고, 그중 다음 탐색을 진행할 상태를 선정하여 위 과정을 반복한다. 다음 탐색 상태의 선정 기준인 d_graph(graph distance)는 다음과 같은 식 (4)으로 구해진다.

여기서 E_Goal, E_Current는 각각 목표 그래프와 현재 그래프에 포함된 간선의 집합이다. 두 집합의 차집합에 포함된 요소 개수를 통해 현재 상태의 그래프와 목표 그래프 사이의 차이를 산술적으로 표현할 수 있다. 이를 바탕으로 탐색 트리의 모든 단말 노드(Leaf node) 중에서 d_graph가 최소인 노드를 다음 탐색 노드로 선정한다. 위 과정을 반복하면서 d_graph가 0인 노드가 나타난 경우, 해당 노드를 목표 상태에 도달한 노드로 처리하고, 초기 상태 노드로 탐색 경로를 역추적해서 수행된 세부 목표의 목록을 구한다. 이러한 탐색을 통해 작업 계획의 성능을 향상시킬 수 있음을 4장에서 설명한다.

4.1 실험 환경

세부 목표 예측 모델의 학습을 위한 데이터셋을 수집하기 위해 Isaac sim 시뮬레이터로 [Fig. 3]과 같이 환경을 구축하였다. 이렇게 구축된 환경에서 작업 데이터를 생성하기 위해 [Fig. 4]와 같은 작업 데이터 수집 시스템을 구성하였다. 먼저 5개의 box들을 랜덤하게 배치하여 초기 상태를 지정하고, 랜덤하게 선택된 물체 o_i에 대해 동작 a_i을 n번 수행하여 최종적으로 물체가 배치된 상태를 목표 상태 S_G로 수집하였다. 이때 각 시점에서의 물체 배치에 따른 상태 그래프 S_i를 구하기 위해서 물체들의 3차원 위치 좌표(x,y,z)를 바탕으로 그래프를 구성하는 알고리즘을 구현하였다. 어떤 두 물체의 2차원 좌표(x,y)가 오차범위 내에 겹치는 경우, z좌표에 따라 ‘On’, ‘Under’ 간선을 추가하였다. 또한 그리퍼가 어떤 물체를 집어서 관측 데이터에 보이지 않는 경우에는 ‘Grasp’, ‘In Grasp’ 간선을 추가하고, 해당 물체의 정점 벡터는 영벡터로 대체하였다. 이때 각 물체들의 위치 좌표는 시뮬레이터로부터 직접 수집하였다. 생성된 작업 데이터에서 특정 시점의 상태 S_i와 그때 수행된 세부 목표(a_i,o_i), 그리고 최종 상태 S_G를 하나의 단위로 묶어서 세부 목표 예측 모델을 학습하였다. 작업의 길이 n은 2~8 범위에서 랜덤하게 지정하여 다양한 길이의 작업 데이터를 수집하였다. 최종적으로 5,000개의 작업 데이터에 대해서 22,392개의 학습 데이터를 수집하였다. 학습 및 검증을 위해 train, test (validation)의 비율을 7:3으로 분할하여 사용하였다. 평가를 위한 세부 지표는 다음과 같이 정의하였다.

[Fig. 3]

Simulation environment setting

[Fig. 4]

Random stacking task data collection in simulation

• • Plan Success Rate (PSR): 작업 계획 모델의 예측 계획 대한 성공률(로봇 실행은 미포함).
• • Execution Success Rate (ESR): 모델에서 예측한 계획을 로봇이 수행한 결과에 대한 성공률.
• • Additional Search Ratio (ASR): 모델에서 예측된 계획의 길이와 정답 계획의 길이의 비율로, 모델이 예측한 계획에 불필요한 과정이 얼마나 포함되었는가를 의미함.

4.2 작업 계획 성능 실험

앞서 설명한 세부 목표 예측 모델과 상태 변화 모듈을 활용한 탐색방법의 성능을 검증하기 위해 2가지 비교 모델과 비교실험을 진행하였다. 비교 모델에 대한 설명은 다음과 같다.

• • GNN: 세부 목표 예측 모델 출력 중 가장 확률이 높은 결과에 대해서만 상태를 업데이트하면서 목표에 도달할 때까지 반복.
• • LLM^[5]: 작업 도메인 정보와 초기 및 목표 상태 정보를 입력 받아서 수행해야 할 세부 목표의 목록을 출력하도록 LLM모델을 프롬프팅하여 작업을 계획함.
• • Random Search: 랜덤하게 선택한 k개의 세부 목표에 대해 탐색.
• • GNN Search (Ours): 세부 목표 예측 모델 출력 중 확률이 높은 상위 k개의 세부 목표에 대해 탐색.

2장에서 제안한 세부 목표 예측 모델의 유무에 따른 성능 차이를 확인하기 위해 Random Search 모델을 선정하였다. [Fig. 2]에서 가능성이 높은 상위 k개의 세부 목표를 예측하는 모델 부분을 대신하여 수행 가능한 행동과 물체를 랜덤하게 k개 선정하는 방식으로 작업을 계획하였다. 또한 3장에서 제안한 탐색 알고리즘 유무에 따른 성능을 평가하기 위해 GNN 모델과의 비교를 진행하였다. 이를 위해 세부 목표 예측 모델과 상태 변화 모듈을 가지고 탐색 없이 가장 높은 확률의 세부 목표에 대해서 그래프를 업데이트 하는 방식으로 작업을 계획하였다. 그리고 본 논문에서 제안한 방법이 물체 사이의 물리적인 관계 정보를 잘 이해할 수 있음을 보이기 위해 최근 작업 계획 분야에서 많이 연구되는 LLM 기반 방법^[5]과 성능을 비교하였다. 실험을 위해 작업 환경에 있는 물체 및 동작의 종류와 같은 도메인 정보와 논리 술어의 집합으로 표현된 초기 및 목표 상태 정보를 LLM모델에 입력해서 필요한 세부 목표의 목록을 출력하도록 프롬프트를 작성하였다. 이때 논문에서 제시한대로 2개의 예시를 제공하는 few-shot 프롬프팅 기법을 적용하였고, LLM모델은 GPT-4를 사용하였다. 본 논문에서 제안하는 방법과 비교 모델 3가지를 포함한 총 4가지 모델에 대해 작업 계획 성공률(Plan Success rate)을 측정하였다. Random Search와 GNN Search에 대해서는 탐색할 세부 목표의 수 k를 3으로, 탐색 깊이(Search depth)제한을 10으로, 총 탐색 횟수를 20회로 제한하였다.

[Table 1]은 비교 모델에 대한 작업 계획 성공률 비교표이다. 실험 결과, 본 논문에서 제시한 GNN Search가 가장 높은 성공률을 기록하였다. 특히 GNN 모델과 비교했을 때 큰 폭으로 성능 차이가 존재함을 확인할 수 있다. 이는 여러 세부 목표를 고려하지 않으면 틀렸을 경우 다른 경로로 재계획할 수 없기 때문이다. LLM기반 방법에 대해서도 약 41% 높은 성공률을 보였는데, 주어진 환경 정보를 모두 텍스트로 표현해야 하는 LLM과 다르게 본 논문의 방법은 그래프 구조로부터 물체 사이의 관계 정보를 잘 이해할 수 있기 때문으로 추측된다. Random Search와 비교했을 때도 약 7% 정도 높은 성능을 기록하였다. 이는 사전 학습된 세부 목표 예측 모델이 목표에 도달할 가능성이 높은 방향으로 탐색을 유도하기 때문이다. 따라서 본 논문에서 제시한 방법이 재계획이 가능하면서 탐색의 효율도 높았음을 알 수 있다.

[Table 1]

Model prediction results on test dataset

4.3 시뮬레이션 실험

제안된 방법의 실제 로봇 적용 가능성을 검증하기 위해 시뮬레이션 환경에서의 실험을 진행하였다. 시뮬레이션 환경은 NVIDIA GeForce RTX 3060 GPU가 탑재된 워크스테이션에 구축하였다. 시뮬레이터는 Isaac Sim 2023.1.1 버전을 사용하였고, 로봇은 Universal Robots의 UR5e를 사용하였다. 또한 그리퍼는 Robotiq사의 2F-140을 사용하였고, 환경 관측을 위한 Intel Realsense D-435 카메라 센서를 그리퍼 위에 부착하였다. 실험 환경은 데이터 수집 과정과 동일하게 서로 다른 색상의 박스 5개와 작업 테이블로 구성하였고, 실험마다 박스의 배치와 목표를 랜덤하게 설정하였다. 작업 계획 성능에 대해서만 평가하기 위해 물체의 위치 정보는 알고 있다고 가정하였다. 또한 로봇의 모션 제어는 오픈소스 라이브러리인 Moveit!에서 제공하는 RRT기반^[9]의 모션 계획기를 활용하였다.

[Table 2]는 비교모델별 시뮬레이션 실험 성공률 비교 결과이다. 여기서 실험 결과 앞서 4.2장과 마찬가지로 본 논문에서 제시한 방법이 모든 지표에서 가장 좋은 성능을 기록하였다. 전반적으로 ESR이 PSR에 비해 낮은 수치를 보였는데, 이는 모델에서 예측된 계획을 로봇이 수행하는 과정에서 모션 생성의 부정확함 때문으로 추정된다. 그러나 PSR에 대한 ESR의 성능 하락 폭은 Random Search가 Ours보다 더 크게 나타났다. 이는 모델에서 불필요한 세부 목표를 계획에 더 많이 포함할수록 모션 생성 실패 가능성이 함께 올라가기 때문이다. ASR만 비교했을 때는 GNN이 1.0으로 가장 높은 결과를 보였지만, PSR과 ESR은 각각 0.29와 0.25로 매우 낮은 수치를 기록하였다. 이는 탐색 알고리즘 없이는 작업 목표까지의 길이가 짧거나, 세부 목표 예측 모델이 학습했던 작업과 유사한 경우에만 문제를 풀 수 있었기 때문으로 추정된다. LLM의 경우에는 Ours와 비슷한 ASR을 기록했지만 PSR과 ESR에 대해서는 대략 40%정도 낮은 수치를 보였다. 이는 LLM모델이 few-shot 프롬프팅으로 제공되는 예시 작업을 바탕으로 작업을 계획하기 때문에 예시에 비해 너무 긴 계획은 생성되지 않기 때문으로 보인다. 그러나 물체 사이 물리적 관계 정보를 정확히 이해하지 못하는 결과가 생성되는 경우가 있었다. 예를 들어 Box 1이 Box 2위에 놓인 경우에는 Box 2를 집을 수 없다는 조건이 주어졌음에도 불구하고 Box 2를 Pick하거나, 어떤 Box를 집고 있는 상태에서 다른 Box를 집는 계획이 만들어졌다. 반면 제안된 방법은 그래프 구조의 상태로부터 관계 정보를 잘 이해할 수 있고, 작업 계획 알고리즘에서 목표 상태로 도달하는 방향으로 세부 목표를 선택하기 때문에 매 순간 적절한 동작을 계획할 수 있다. 따라서 본 논문의 방법이 탐색을 통해 작업 계획 성공률을 높이면서, 사전 학습된 세부 목표 예측 모델을 통해 탐색을 효율적으로 수행하여 불필요한 계획을 줄일 수 있음을 확인하였다.

[Table 2]

Simulation experiment results

다음으로 [Fig. 5]에서 GT Plan Length에 따른 결과를 에서 비교하였다. 여기서 GT Plan Length는 정답 계획의 길이를 의미한다. 전반적으로 정답 계획의 길이가 증가할수록 PSR과 ESR이 감소하는 모습을 보였다. GNN모델의 경우에는 대부분 길이가 2 또는 4로 짧은 작업에 대해서만 성공하였음을 확인할 수 있다. 이는 모델이 학습한 데이터와 유사한 작업에 대해서만 잘 계획할 수 있기 때문으로 추정된다. 학습 모델 단독으로는 세부 목표 예측의 최적성이 보장되지 않기 때문에 탐색 알고리즘을 통한 보완이 필요하다. 정답 계획 길이의 증가에 따른 PSR 감소 정도를 비교한 결과, 다른 비교모델들에 비해 Ours가 가장 적게 감소하였다. 따라서 본 논문의 방법이 긴 과정이 필요한 작업에 대해서도 성능을 잘 유지할 수 있음을 보였다.

[Fig. 5]

Simulation experiment results for task step length