For rearranging objects on tabletops with overhand grasps, temporarily relocating objects to some buffer space may be necessary. This raises the natural question of how many simultaneous storage spaces, or "running buffers", are required so that certain classes of tabletop rearrangement problems are feasible. In this work, we examine the problem for both labeled and unlabeled settings. On the structural side, we observe that finding the minimum number of running buffers (MRB) can be carried out on a dependency graph abstracted from a problem instance, and show that computing MRB is NP-hard. We then prove that under both labeled and unlabeled settings, even for uniform cylindrical objects, the number of required running buffers may grow unbounded as the number of objects to be rearranged increases. We further show that the bound for the unlabeled case is tight. On the algorithmic side, we develop effective exact algorithms for finding MRB for both labeled and unlabeled tabletop rearrangement problems, scalable to over a hundred objects under very high object density. More importantly, our algorithms also compute a sequence witnessing the computed MRB that can be used for solving object rearrangement tasks. Employing these algorithms, empirical evaluations reveal that random labeled and unlabeled instances, which more closely mimics real-world setups, generally have fairly small MRBs. Using real robot experiments, we demonstrate that the running buffer abstraction leads to state-of-the-art solutions for in-place rearrangement of many objects in tight, bounded workspace.


翻译:在采用倒置抓取的桌面对象重新排列时,可能需要将对象暂时移动到某些缓冲空间。这就引出了关于某些桌面重新排列问题可行性所需的同时存储空间或“运行缓冲区”数量的自然问题。在这项工作中,我们研究了标记和未标记设置的问题。在结构方面,我们观察到,寻找最少运行缓冲区(MRB)可以在从问题实例抽象出的依赖图上进行,并证明计算MRB是NP难问题。然后,我们证明了在标记和未标记设置下,甚至对于均匀圆柱形物体,所需的运行缓冲区数量可能会随着要重新排列的物体数量的增加而无限增长。我们进一步展示了未标记情况下的相应界是紧的。在算法方面,我们开发了有效的精确算法,用于为标记和未标记的桌面重新排列问题找到MRB,并可扩展至超过一百个物体,在非常高的对象密度下找到解决方案。更重要的是,我们的算法还计算了一个序列,证明了计算的MRB可用于解决对象重新排列任务。通过这些算法,实证评估显示出随机标记和未标记的实例(更接近于真实世界的设置)通常具有相当小的MRB。通过真实机器人实验,我们证明了运行缓冲区抽象引导了在有限的、狭窄的工作空间内解决许多物体原地重新排列的最先进解决方案。

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