Robotica

Lezione 8

Robot Autonomo

Un robot autonomo è una macchina capace di estrarre informazione dall'ambiente ed usare la conoscenza del mondo per muoversi sicura in modo significativo e propositivo.

Aree di Riferimento

Cibernetica

Etologia

Psicologia Cognitiva

Intelligenza Artificiale

Robotica

Controllo ReattivoIl controllo reattivo è una tecnica di controllo basata sul forte accoppiamento percezione azione, tipicamente in ambito di comportamento motorio, per produrre risposte temporizzate in ambienti dinamici non strutturati

I comportamenti sono i mattoni elementari per costruire le azioni dei robot.La generazione della risposta non utilizza in nessun modo rappresentazione esplicita della conoscenza.Le basi del comportamenti sono spesso di origine animale.Dal punto di vista della realizzazione software i sistemi reattivi sono intrinsecamente modulari.

Paradigma Implementativo

• Implementazione vincolata/guidata dall'Etologia• Implementazione basata sull'attività situata• Implementazione guidata dai risultati sperimentali

Expressione dei Comportamenti

Comportamento Risposta

• Notazione Funzionale

Stimolo

(s) = r

• Diagrammi Stimolo-Risposta (SR)

• Automi a Stati Finiti (FSA)

Codifica dei Comportamenti

Costruzione della mappa dall'insieme degli stimoli all'insieme delle risposte motorie.

• Un comportamento è esprimibile con una tripla (S, R, ) dove con S si denota l'insieme di tutti gli stimoli interpretabili, R denota lo spazio delle possibili risposte mentre denota la mappa : S->R.Codifica discretaCodifica funzionale continua

Composizione dei Comportamenti

• Coordinazione fra Comportamenti– Metodi Competitivi– Metodi Cooperativi

Architetture Behavior-Based

L'architettura di un robot è una metodologia per il progetto e la realizzazione altamente specifica di singoli robot, a partire da una collezione di singole parti di software, che fungono da blocchi costituenti .

Criteri di Valutazione I

• secondo Arkin– Supporto al parallelismo– Adattabilità all'hardware– Adattabilità alla nicchia– Supporto della modularità– Robustezza– Rapidità di sviluppo– Flessibilità runtime– Efficienza delle prestazioni

Criteri di Valutazione II

• secondo Laird– Generalità– Versatilità– Razionalità– Programmabilità– Capacità di apprendere– Scalabilità– Flessibilità– Efficienza– Aderenza biologica

Esempio di Architetture Behavior-Based

• Esplorazione (foraging)L'obiettivo è quello di far muovere il robot lontano dalla posizione di riposo alla ricerca di oggetti attrattori.– Wander– Acquire– Retrieve

Architetture Reattive

Architettura di Sussunzione (Brooks)1. Modello AFSM2. Si tratta di un'architettura a livelli che impiega

strategie di arbitraggio su una base AFSM.– Coordinazion: inibizione e soppressione1. Pro

1. Adattabilita' all'hardware2. Supporto per il parallelismo3. Adattabilità alla nicchia

2. Contro1. Flessibilità runtime2. Supporto della modularità

Architetture Schema-based

• Lo schema (Arkin) è l'unità base del comportamento a partire dalla quale vengono costruite le azioni complesse; consiste della conoscenza di come agire e percepire assieme al processo computazionale che li determina.

Gli schemi motori sono architetture software dinamiche e reattive, cooperative e non gerarchiche.

Schemi Motori

Coordinazione: somma vettorialePro

• Supporto per il parallelismo• Flessibilità runtime• Rapidità di sviluppo• Supporto della modularità

Contro• Adattabilità alla nicchia• Adattabilità all'hardware

Khepera

• Simulatoriwww.cyberbotics.com

diwww.epfl.ch/lami/team /michel/khep-sim

Pioneer

Robot mobile con due ruote motrici, pilotate in DC con scheda motore e micro 68HC11

Ghenghis

Robot mobile su 8 gambe controllate con una rete neurale

Architettura di Sussunzione

Caratteristiche Generali– Impiego diretto dell'hardware (microcontroller)– Il controllo è implementato con reti di moduli

sensoriali ed attuativi capaci di eseguire un compito ben specificato (comportamenti)

– Realizzato con automi AFSM

Struttura del Robot Allen

Livello 0– Controlla l'avanzamento del robot evitando

le collisioni

Struttura del Robot Allen

Livello 1– Capacità di muoversi attorno senza una

meta precisa

Struttura del Robot AllenLivello 2– Capacità di muoversi attorno senza una

meta precisa

Classificazione delle Architetture

Si basa sulle caratteristiche di pianificazione e di rappresentazione

Rappresentazione

Piano

Brooks

Anderson

Agre

Connell

Kaelbling & Rosenschein

Kaelbling I

Kaelbling II 3S

Arkin

AuRA

PaytonSchoppers

RAP

Georgeff & Lansky

Maes

Brooks

Architettura di sussunzione

Connell

Generalizzazione dell'architettura di Brooks

Anderson & Donath

I compartamenti sono librerie di comportamenti primitivi attivabili su suggerimento di stimoli ambientali

Kaelbling & Rosenschein

Decomposizione Percezione-Azione

Kaelbling I

Introduzione dei comportamenti mediatore

Kaelbling II

Esegue un passo di pianificazione per volta

Architettura 3S

Dovuta a Connell: evolve dalla reattiva pura

Arkin

Introduzione del ciclo percezione-azione e degli schemi motori

Architettura AuRAnavigazione in un'ampia gamma di domini

aggiunta di nuove strategie motorie e percettive

uso di conoscenza di alto livello

Sopravvivenza in ambienti ostili

Payton

I comportamenti sono unità di decisione

Schoppers

Piani Universali

Architettura RAP

Pianificatore reattivo dovuto a Firby

Georgeff & Lansky

Ragionamento Procedurale

Maes

I moduli di competenza sono collegati in una rete attraverso tre tipi di legami: successor link, predecessor link e conflicter link