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行動計画arXiv:2607.15674

複雑な行動計画のための生成的部分的に指定された有限状態機械アプローチ

A Generative Partially Specified Finite State Machine Approach to Complex Behaviour Planning

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動的環境で動作するロボットの行動計画のために、有限状態機械の構造を利用した生成的ニューロシンボリックアーキテクチャ(GPSFSM)を提案し、ROS2上で実装・評価した。

詳しい要約

1. どんなもの?

本論文は、ロボットの行動計画(Behaviour Planning)のために、Generative Partially Specified Finite State Machine (GPSFSM) というニューロシンボリックなアーキテクチャを提案している。これは、FSMのシンボリックかつ意味論的な構造(状態とイベント駆動の遷移)を利用して、大規模言語モデル(LLM)による動的な再計画を実現する。具体的には、FSMエンジンであるFabricが、Sequential、Recovery、Parallel-Any、Parallel-Allの制御構造を含む行動計画を解析・検証・実行する。また、ROS2のCapabilities2パッケージを拡張し、非同期イベントシステムとランタイムパラメータ注入を導入し、PromptToolsによりローカルおよびクラウドのLLMへの統一インターフェースを提供する。これにより、ロボット非依存の標準化された意味論的な能力記述が可能になる。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

先行研究では、LLMとBehaviour Trees (BTs) を統合した動的再計画が成功しているが、FSMは広く使われ計算効率が良いにもかかわらず、生成的アプローチは未開拓だった。本提案は、FSMを生成的に利用する初のフレームワークを導入し、BTsが苦手とするゼロショットシナリオで高い計画生成成功率を達成する点が優れている。また、既存の生成的システムを制限するアドホックな関数表現に対処するため、非同期イベントシステムとランタイムパラメータ注入を提供する点も新しい。

3. 技術・手法の肝は?

手法の核は、FSMの構造(状態とイベント駆動遷移)をLLMによる生成に活用する点にある。Fabricエンジンは、部分指定されたFSM(Partially Specified FSM)を解析・検証・実行し、Sequential、Recovery、Parallel-Any、Parallel-Allの制御構造をサポートする。Capabilities2の拡張により、行動チェーン用の非同期イベントシステムと、設定可能な実行のためのランタイムパラメータ注入を実現する。PromptToolsは、ROS2インターフェースを介してローカルおよびクラウドのLLMに統一アクセスを提供し、プロンプトバッファリングによりタスクとコンテキスト情報の動的な非同期合成を可能にする。これらにより、ロボット非依存の標準化された意味論的能力記述が可能になる。

4. どうやって有効だと検証した?

ナビゲーションタスクの実験で、提案するGPSFSMアプローチが、最先端のBTGenBotシステムよりも一貫して高い計画生成成功率を達成することを示した。特に、BTsが通常苦手とするゼロショットシナリオで優れており、計画レイテンシは最先端のLLMと同等かそれ以下である。また、複雑な行動を生成できることも実証した。さらに、オープンソースのROS2スタックを公開し、生成的FSM計画が実用的で再現可能であることを示した。

5. 議論はある?

要旨からは、議論の詳細は不明であるが、提案手法がBTsと比較してゼロショットで優位性を持つ一方、BTsが得意とする特定のシナリオでの性能や、FSMの表現力の限界、LLMの幻覚による誤った計画生成の可能性などが議論される可能性がある。また、実験はナビゲーションタスクに限定されており、他のタスクへの一般性については要旨からは不明である。

6. 次に読むべき論文は?

要旨で参照されているのは、BTGenBotシステム(LLMとBehaviour Treesを統合したシステム)である。また、関連手法として、Behaviour Treesを用いた動的再計画、FSMを用いた行動計画、LLMを用いたロボット計画などが挙げられる。次に読むべき論文としては、BTGenBotの詳細論文や、LLMとシンボリックプランニングを組み合わせた他の研究が考えられる。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Kalana Ratnayake, Michael Pritchard, David Hinwood, Maleen Jayasuriya, Damith Herath

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Autonomous robots operating in dynamic environments require behaviour planning systems that combine reactivity, interpretability, and adaptability. While Large Language Models have been successfully integrated with Behaviour Trees for dynamic replanning, Finite State Machines, despite their widespread adoption and computational efficiency, remain unexplored for generative approaches. We propose a Generative Partially Specified Finite State Machine (GPSFSM) neurosymbolic architecture that utilises the symbolic and semantic structure of FSMs, including states and event-triggered transitions, to implement Behaviour Planning. This paper introduces the first GPSFSM framework for robotics, featuring Fabric, an FSM engine that parses, validates, and executes behaviour plans that contain Sequential, Recovery, Parallel-Any, and Parallel-All control structures. We extend the Capabilities2 package in ROS2 with an asynchronous event system for behaviour chaining and runtime parameter injection for configurable execution, addressing the ad-hoc function representations that limit current generative systems. PromptTools provides a unified ROS 2 interface to local and cloud LLMs, with prompt buffering, enabling dynamic asynchronous composition of task and context information. Together, these components enable standardised semantic capability descriptions for robot-agnostic development. Experimental evaluation on navigation tasks demonstrates that our GPSFSM approach achieves consistently higher plan-generation success rates than the state-of-the-art BTGenBot system, particularly excelling in zero-shot scenarios where BTs typically struggle, while maintaining comparable or lower planning latency to frontier LLMs. We also demonstrate that our system can generate complex behaviours. We release an open-source ROS2 stack that makes generative FSM planning practical and reproducible for robotic systems.

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