A great number of robotics applications demand the rearrangement of many mobile objects, e.g., organizing products on shelves, shuffling containers at shipping ports, reconfiguring fleets of mobile robots, and so on. To boost the throughput in systems designed for solving these rearrangement problems, it is essential to minimize the number of atomic operations, e.g., the pick-n-places of individual objects. However, this optimization task poses a rather difficult challenge due to complex inter-dependency between objects, especially in high-density settings. In tackling the aforementioned challenges, we develop a novel algorithmic tool, Rubik Tables, that provides a clean abstraction of object rearrangement problems as the proxy problem of shuffling items stored in a table or lattice. In its basic form, a Rubik Table is an $n\times n$ table containing $n^2$ items. We show that the reconfiguration of items in such a Rubik Table can be achieved using at most $2n$ column/row shuffles in the partially labeled setting, where each column (resp., row) shuffle may arbitrarily permute the items stored in a column (resp., row) of the table. When items are fully distinguishable, additional $n$ shuffles are needed. Rubik Tables allow many generalizations, e.g., to higher dimensions. Using Rubik Table, we have designed a first constant-factor optimal algorithm for stack rearrangement problems. We show that, for $nd$ items stored in $n$ stacks of depth $d$ each, using one empty stack as the swap space, $O(nd)$ stack pop-push operations are sufficient for an arbitrary reconfiguration of the stacks where $d \le n^{\frac{m}{2}}$ for arbitrary fixed $m >0$. Rubik Table results also allow the development of constant-factor optimal solutions for solving multi-robot motion planning problems under extreme robot density. These algorithms based on Rubik Table results run in low-polynomial time.


翻译:大量机器人应用要求重新排列许多移动物体, 例如, 将产品放在书架上, 将容器放在船运港口上, 重新配置移动机器人的车队等等。 要在为解决这些重新排列问题而设计的系统中提升任务量, 至关重要的是要最小化原子操作的数量, 例如, 单个天体的摘取点。 然而, 优化任务是一个相当困难的挑战, 因为天体之间的相互依存性非常复杂, 特别是在高密度的设置中。 在应对上述挑战时, 我们开发了一个新型的算法工具, Rubikstal 深度表, 它将物体的重新配置问题作为一个干净的抽象化, 用于解决存储在表格中存储的项目的代理问题。 在基本形式上, Rubik table table table table table table a divertimedal- dridiversal discriditions, 用于存储普通天体中的每个列( repubremidition), 将自动存储项目作为固定的 。

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