Arquitecturas Basadas en el Comportamiento

Transcripción

1 Arquitecturas Basadas en el Comportamiento Introducción a la Robótica Inteligente Álvaro Gutiérrez 4 de marzo de 2016 aguti@etsit.upm.es

2 Índice 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

3 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

4 Un poco de historia 40 s: Turing y von Newman 50 s: Walter y Minsky Walter -> Tortugas, Reactivos Minsky -> Cognitivista, los programas 60 s: Problemas del Cognitivismo Problema del marco Anclaje del símbolo Homúnculo 70 s: Conexionistas 80 s: Basados en el comportamiento Brooks

5 Arq. Basadas en el Comportamiento Descomposicón modular en comportamientos Inspiración de animales e insectos Sistemas distribuidos de módulos autónomos o semi-autónomos Tradicionalmente asociado a sistemas reactivos (Subsunción) También se diseñan sistemas no puramente reactivos

6 Arq. Basadas en Comportamientos IDENTIFICAR OBJETOS SENSORES EXPLORAR ACTUADORES NAVEGAR EVITA OBSTACULOS

7 Arq. Basadas en Comportamientos Dibujo de Fitz Patrick (1996)

8 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

9 Rodney. A. Brooks Profesor e investigador en Standford y en el MIT Director del laboratorio de IA del MIT En los 80 s Brooks se hizo preguntas con respecto a la IA clásica y la inteligencia en general. Como tantos otros ingenieros y filósofos anteriormente. Su paternidad: Arquitectura Subsunción Su meta: Desarrollar criaturas artificiales capaces de habitar en el mundo real y no en un mundo simplificado/simulado Actualmente es empresario (IRobot )

10 Algunas Preguntas Qué es la inteligencia?

11 Algunas Preguntas Qué es la inteligencia? Es una mosca inteligente?

12 Algunas Preguntas Qué es la inteligencia? Es una mosca inteligente? Es esta mosca más inteligente que algunas de nuestras máquinas inteligentes?

13 Algunas Preguntas Qué es la inteligencia? Es una mosca inteligente? Es esta mosca más inteligente que algunas de nuestras máquinas inteligentes? Por ejemplo...

14 Más preguntas No es muy probable que esta mosca: Cree descripciones 3D de los objetos que sobrevuela Razone con respecto a los humanos que la rodean intentando matarla. Sobre todo sobre sus deseos, objetivos,... Realice un estudio sobre cual es el mejor sitio para depositar los huevos Construya una teoría física sobre como aterrizar en una mesa

15 Algunas Respuestas Es más probable que esta mosca: Tenga conexiones directas entre sensores y actuadores Tenga comportamientos pre-establecidos/ aprendidos Tenga herramientas simples de navegación Funcione prácticamente como una máquina determinista Aún así, esta mosca es más eficiente en su movimiento en el mundo real que cualquiera de los intentos en Inteligencia Artificial

16 Visón de Brooks sobre la Inteligencia La Inteligencia Humana es muy difícil de implementar actualmente No es el único tipo de inteligencia El divide y conquistarás ha hecho que la IA se dedique a problemas irrelevantes Hay que seguir el camino lógico, de la evolución Empezar con inteligencias (comportamientos) más sencillas Después de un éxito, ir hacia inteligencias (comportamientos) más complejas

17 Requisitos de un robot Varios objetivos: Normalmente compitiendo entre ellos. Ej. Evitar obstáculos vs. ir hacia la luz Varios sensores: Solapados Ruidosos Robustez: Si algún sensor falla, el robot debe seguir realizando su tarea Si el mundo cambia, el robot debe seguir realizando su tarea Escalabilidad: Cuanto más sensores y capacidades, comportamientos más complejos.

18 Subsunción - Niveles de competencia Niveles de competencia: Define los comportamientos deseados: Evitar Obstáculos, Explorar, traer comida,... Cada nivel se puede implementar independientemente Permite una gran escalabilidad Compuestos de varios módulos NIVEL 3 NIVEL 2 NIVEL 1 SENSORES NIVEL 0 ACTUADORES

19 Subsunción - Módulos Módulos: Son Máquinas de Estados Finitos Aumentadas RESET INHIBIDOR R ENTRADAS S MODULO DE COMPORTAMIENTO I SALIDAS SUPRESOR

20 Arquitectura Subsunción - Módulos MODULO MEF AUMENTADA R R MAQUINA DE ESTADOS FINITOS R

21 Subsunción - Módulos Los aspectos más importantes son: Las salidas son funciones sencillas de las entradas y variables locales Las entradas/salidas se pueden inhibir/suprimir Los módulos de los niveles de competencia superiores pueden inhibir a los inferiores Los niveles de competencia inferiores siguen funcionando como si no existieran los niveles superiores

22 Subsunción - Inhibición ENTRADA EVITAR OBSTACULOS ir hacia adelante INHIBIDOR (tiempo) ir hacia adelante MOTORES ENTRADA BUSCAR COMIDA SIN INHIBICION ENTRADA EVITAR OBSTACULOS ir hacia adelante INHIBIDOR (tiempo) MOTORES ENTRADA BUSCAR COMIDA VERDADERO CON INHIBICION

23 Subsunción - Supresión ENTRADA EVITAR OBSTACULOS ir hacia adelante SUPRESOR (tiempo) ir hacia adelante MOTORES ENTRADA BUSCAR COMIDA SIN SUPRESION ENTRADA EVITAR OBSTACULOS ir hacia adelante SUPRESOR (tiempo) parar motores MOTORES ENTRADA BUSCAR COMIDA parar motores CON SUPRESION

24 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

25 Ejemplo 1 - Nivel 0 A Robust Layered Control System For a Mobile Robot (R. A. Brooks 1986)

26 Ejemplo 1 - Nivel 0 y 1

27 Ejemplo 1 - Nivel 0, 1 y 2

28 Ejemplo 2 - Genghis Robot de 6 patas Caminar 57 AFSMs A Robot that Walks; Emergent Behaviors from a Carefully Evolved Network (R. A. Brooks 1989)

29 Ejemplo 2 - Genghis Mantenerse de pie

30 Ejemplo 2 - Genghis Caminar en terreno plano

31 Ejemplo 2 - Genghis Caminar en terreno accidentado (Detección de choque)

32 Ejemplo 2 - Genghis Caminar en terreno accidentado (Detección de obstáculos)

33 Ejemplo 2 - Genghis Búsqueda de objetivos

34 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

35 Ejemplos IRSIM Lo vemos en el código!!

36 Ejemplo 1 - IRSIM NAVIGATE PROX AVOID S MOTORS subsumptionlightcontroller, paramfilesubsumptionlight

37 Ejemplo 2 - IRSIM NAVIGATE BATT LIGHT LOAD BATT S PROX AVOID S MOTORS subsumptionlightcontroller, paramfilesubsumptionlight

38 Ejemplo 3 - IRSIM LIGHT NAVIGATE LIGHT GRIPPER I FORAGE S BATT LIGHT LOAD BATT S PROX AVOID S MOTORS subsumptiongarbagecontroller, paramfilesubsumptiongarbage

39 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

40 Ronald C. Arkin Profesor e investigador en Georgia Institute of Technology Director del Mobile Robot Laboratory (Georgia Tech) Su paternidad: Esquemas Motores Su meta: Permitir coordinación de comportamientos inspirados en la biología

41 Esquemas Motores

42 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

43 Ejemplo 1 - Navegar Motor Schema Based Navigation For a Mobile Robot (R. C. Arkin 1987)

44 Ejemplo 1 - Evitar Obstáculo

45 Ejemplo 1 - Objetivo

46 Ejemplo 1 - Ruido

47 Ejemplo 1 - Motor Schema

48 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

49 Ejemplos IRSIM Lo vemos en el código!!

50 Ejemplo 1 - IRSIM NAVIGATE PROX AVOID Σ MOTORS motorschemas1controller, motorschemas1param

51 Ejemplo 2 - IRSIM NAVIGATE BATT LIGHT LOAD BATT Σ MOTORS PROX AVOID motorschemas1controller, motorschemas1param

52 Ejemplo 3 - IRSIM LIGHT NAVIGATE LIGHT GRIPPER BATT LIGHT I FORAGE LOAD BATT Σ MOTORS PROX AVOID motorschemas2controller, motorschemas2param

53 1 Introducción 2 Arquitectura Subsunción Ejemplos Brooks Ejemplos IRSIM 3 Esquemas Motores Ejemplo Arkin Ejemplos IRSIM 4 Conclusiones

54 Conclusiones Técnicas de diseño ingenieriles sobre principios cognitivos División en niveles de competencias Cada nivel recibe información sensorial del mundo y actúa sobre el mismo Cada capa es completamente autónoma Criticada por su poca relación con el diseño de sistemas inteligentes Sin embargo: Realiza una descomposición funcional: No pregunta como procesar información sensorial sino como acoplarla a los actuadores Está ligada al concepto de corporeizado Es distribuida Combina el diseño de robots con principios evolutivos

55 Problemas Las prioridades deben ser evaluadas en el momento de diseño Necesita que los comportamientos estén bien definidos Subsunción: Los comportamientos no se pueden combinar, sólo inhibir/suprimir Esquemas Motores: Los comportamientos si se pueden combinar. Se maximiza el número de niveles de competencia Rígida en tiempo de ejecución

56 Críticas Es posible implementar comportamientos complejos? Es una evolución? Capacidad de aprendizaje? Serán necesarias representaciones?

57 Referencias R. Pfeifer and C. Scheier. Understanding Intelligence. The MIT Press, Cambridge, MA. (2001) R. A. Brooks. A Robust Layer Control System For A Mobile Robot. IEEE Journal of Robotics and Automation, RA-2(1), pp (1986) R. A. Brooks. A Robot that Walks; Emergent Behaviors from a Carefully Evolved Network. Neural Computation, 1(2), pp , (1989) R. C. Arkin. Behavior-Based Robotics. The MIT Press, Cambridge, MA (1998)

58 Gracias GRACIAS!!

59 Gracias GRACIAS!!