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 Reattivo Il 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 discreta Codifica 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 AFSM 2.Si tratta di un'architettura a livelli che impiega strategie di arbitraggio su una base AFSM. –Coordinazion: inibizione e soppressione 1.Pro 1.Adattabilita' all'hardware 2.Supporto per il parallelismo 3.Adattabilità alla nicchia 2.Contro 1.Flessibilità runtime 2.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 vettoriale Pro Supporto per il parallelismo Flessibilità runtime Rapidità di sviluppo Supporto della modularità Contro Adattabilità alla nicchia Adattabilità all'hardware

Khepera Simulatori 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 Allen Livello 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 Payton Schoppers 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 AuRA navigazione 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