MSI w6 2006 cz1

background image

MSI-w6/1

Metody sztucznej inteligencji

Politechnika Śląska

Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn

Rok akademicki 2005/2006

Wykład 6

Elementy robotyki

Prof. dr hab. Wojciech Moczulski

Materiały dydaktyczne (na prawach rękopisu)

dla studentów Wydziału Mechanicznego Technologicznego

Wszystkie ilustracje pochodzą z S. Russel, P. Norvig, Artificial

Intelligence - A modern approach, Prentice Hall, 1995

background image

MSI-w6/2

Pojęcie robota

• Robot to aktywny i sztuczny agent, którego

środowiskiem jest realnie istniejący świat

• Jeśli przyjąć taką definicję, nie jest robotem:

– Kawał skały
– Zwierzę
– Program komputerowy (

softbot

)

• Szczególnym przedmiotem zainteresowania będą

roboty autonomiczne

, podejmujące

samodzielnie

decyzje

, bazując na

sprzężeniu z otoczeniem

poprzez

posiadane sensory

background image

MSI-w6/3

Rzeczywisty świat robota (1)

• Niedostępny

– Czujniki niedoskonałe
– Robot może zwykle postrzegać bodźce ze swojego

bliskiego sąsiedztwa

• Niedeterministyczny

– Koła mogą się ślizgać po podłożu
– Akumulatory mogą się rozładować
– Elementy mogą się uszkodzić
– Nie wiadomo, czy dana akcja zakończy się sukcesem

background image

MSI-w6/4

Rzeczywisty świat robota (2)

• Nieepizodyczny

– Wyniki akcji zmieniają się w czasie
– Robot musi rozwiązywać sekwencyjne problemy

decyzyjne i uczyć się

• Dynamiczny

– Co jest lepsze: długo się zastanawiać, czy działać

natychmiast

• Ciągły

– Nieskończenie wiele stanów
– Wymaga modyfikacji algorytmów przeszukiwania i/lub

planowania

background image

MSI-w6/5

Zakres wykładu

• Zadania

, do których realizacji roboty się

nadają

• Niektóre specjalne

układy wykonawcze

(efektory) i

sensory

• Architektura robota

jako autonomicznego

agenta

• Wybór akcji

w ciągłej przestrzeni stanów

background image

MSI-w6/6

Zadania wykonywane przez

roboty (1)

• Procesy wytwórcze

– Tradycyjna dziedzina zastosowania
– W 1985 r 180 000 robotów (150 000 w J, USA, F)
– Przemysł samochodowy, mikroelektronika, ...
– Przemieszczają obiekty o masie do 1 [t] z dokładnością do

2.5 [mm] w przestrzeni roboczej o R=10 [m] (1995 r.)

– Bardzo ograniczone możliwości odczuwania i adaptacji

(proste maszyny najlepiej realizują proste zadania)

– Roboty autonomiczne wciąż walczą o akceptację

background image

MSI-w6/7

Zadania wykonywane przez

roboty (2)

• Gospodarka materiałowa

– Magazynowanie, transport i dostarczanie
– Różne wielkości i masy
– AGV=autonomous guided vehicle
– Wyzwanie przyszłości: obchodzenie się z

żywnością (różne wielkości, kształty, tekstury, )

• Inne

- np. strzyżenie owiec w Australii (140

mln owiec!!)

background image

MSI-w6/8

Zadania wykonywane przez

roboty (3)

• Zadania wymagające mobilności

– Kurierzy (szpitale, biura, poczta)
– Straż bezpieczeństwa
– AUV=autonomous underwater vehicle

background image

MSI-w6/9

Zadania wykonywane przez

roboty (4)

• Niebezpieczne środowisko

– Księżyc, planety i przestrzeń międzyplanetarna
– Środowisko radioaktywne, naprawy w reaktorach
– Naprawy instalacji chemicznych, kotłów

parowych itp.

– Zwykle operowane przez człowieka
– Często posiadają pewną autonomię (zbyt długie

opóźnienia w odpowiedzi operatora - np. Mars)

background image

MSI-w6/10

Zadania wykonywane przez

roboty (5)

• Zdalna obecność

– Robot przedłużeniem organów i zmysłów

człowieka (prace na dnie oceanu, rozbrajanie
bomb)

– Roboty militarne (samoloty, szpiedzy, ...)

• Zwiększenie możliwości człowieka

– Zastąpienie amputowanych organów
– Siatkówka, zmysł dotyku

background image

MSI-w6/11

Najważniejsze podzespoły

• Robot ma:

– Sztywny

korpus

(body)

– Więzy

(links) [sztywne]

– Połączenia

(joints)

– Końcowe elementy wykonawcze

(end effectors)

stosowane do oddziaływania na środowisko

background image

MSI-w6/12

Elementy wykonawcze

• Oddziałują na środowisko

pod kontrolą układu

sterowania robota

• Wyposażone w

siłowniki/serwomechanizmy

(jeden

dla każdego stopnia swobody) zamieniające
komendy programowe w fizyczny ruch

• Stosowane do:

– Zmiany pozycji robota (

lokomocja

)

– Przemieszczania innych obiektów w środowisku

(

manipulacja

)

background image

MSI-w6/13

Lokomocja

• Roboty kroczące
• Roboty jeżdżące

background image

MSI-w6/14

Lokomocja - roboty kroczące

• Stateczne statycznie:

• Można zatrzymać w

każdej chwili (nie
upadną)

• Bardzo wolne

przemieszczanie się

• Zużywają

nieefektywnie energię

• Stateczne dynamicznie

• Skaczące

background image

MSI-w6/15

Lokomocja - roboty jeżdżące (1)

• Podwozie kołowe, gąsienicowe, ...

• Proste w budowie
• Bardziej efektywne niż nogi
• Podparcie statyczne
• Łatwiejsze do sterowania

background image

MSI-w6/16

Lokomocja - roboty jeżdżące (2)

Robot na podwoziu 4-
kołowym ma 3 stopnie
swobody (pozycja x-y,
kierunek), lecz w małej
skali tylko 2!!

background image

MSI-w6/17

Lokomocja - roboty jeżdżące (3)

• Roboty

holonomiczne (układ bez poślizgu)

– Liczba stopni swobody równa sterowalnej liczbie stopni

swobody

– Budowa możliwa, lecz nieopłacalna

• Roboty

nieholonomiczne (auto z przyczepą: 4 d.o.f.; 2

c.d.o.f. – bardzo trudno jest cofać takim zestawem)

– Mniej sterowalnych stopni swobody niż wszystkich stopni

swobody

– Im większa różnica w stopniach swobody, tym trudniej

sterować

– Dużo prostsze z punktu widzenia układu mechanicznego

background image

MSI-w6/18

Manipulowanie (1)

• Realizowane przez

manipulatory

• Większość manipulatorów wykonuje

– albo

ruch obrotowy

(R)

– albo

ruch postępowy

(P)

background image

MSI-w6/19

Manipulowanie (2)

background image

MSI-w6/20

Manipulowanie (3)

background image

MSI-w6/21

Manipulowanie:

Końcowy mechanizm wykonawczy

• Oddziałuje

bezpośrednio na

obiekty otoczenia

• Narzędzia

:

– Śrubokręt
– Spawarka
– Pistolet malarski
– . . .

• Chwytaki

background image

MSI-w6/22

Sensory: Identyfikacja stanu robota

• Do określania położenia więzów:

– Stosowane kodery (encoder)
– Dużo większa dokładność określania położenia

organów roboczych niż w przypadku człowieka

• Do określania zmiany położenia robota

mobilnego:

– Odometria (pomiar kąta obrotu koła;

poślizgi

!!)

– GPS

background image

MSI-w6/23

Pomiar siły

• Stosuje się czujniki siły
• Pomiar dla 6 stopni swobody, pomiędzy

manipulatorem a końcowym układem
wykonawczym

• Umożliwia ruch wzdłuż powierzchni przy

utrzymaniu kontaktu ze stałym naciskiem
(compliant motion = ruch „podatny”)

background image

MSI-w6/24

Odczuwanie dotyku

• „Palce” z elastycznego materiału
• Dokonywany pomiar ugięcia (za pomocą

macierzy czujników)

• Dotyk określany metodami podobnymi do

rozpoznawania obrazów

background image

MSI-w6/25

Sonar

• SOund Navigation and Ranging = nawigacja

i określanie zasięgu za pomocą dźwięku

• Dostarcza użytecznej informacji o obiektach

bardzo blisko robota

• Umożliwia awaryjne zapobieżenie kolizjom
• Efektywny w przypadku omijania przeszkód
• Mało przydatny do opracowywania mapy

(szeroka wiązka dźwięku)

background image

MSI-w6/26

Sensory i systemy wizyjne (1)

• Systemy wizyjne ogólnego przeznaczenia mają

nadal

bardzo ograniczone możliwości

• Skuteczne systemy wizyjne budowane są

gdy jest

ograniczona lista zadań

, które ma wykonywać robot

(np. zakłada się, że przeszkody są płaskie),

• Robot może oświetlać otoczenie światłem o

określonej długości fali (podczerwień, ...)

• Specjalne systemy czujników

mogą być stosowane

do dokładnych pomiarów geometrii obiektów

background image

MSI-w6/27

Sensory i systemy wizyjne (2)

background image

MSI-w6/28

Sensory i systemy wizyjne (3)

background image

MSI-w6/29

Architektury robotów

• Określają sposób organizacji działań,

mających na celu

określanie akcji na

podstawie percepcji

• Podobne do problemu projektowania agenta

w najtrudniejszym wariancie (ze względu
na własności środowiska):

– Duża ilość danych wejściowych
– Potrzeba szybkiej reakcji w niektórych

sytuacjach

background image

MSI-w6/30

Architektura klasyczna

• Poszukiwanie ścieżek i przemieszczanie robota

realizowano przez podprogramy

działań

pośredniego poziomu

(Intermediate-Level

Action=

ILA

)

• ILA składa się ze złożonych procedur

działań

niskiego poziomu

(Low-Level Action=

LLA

)

do sterowania układem robota

• Do planowania zastosowano algorytm

STRIPS

background image

MSI-w6/31

Architektura klasyczna: Przykład

• (ILA): przemieść robota z miejsca X do miejsca Y

– (LLA): zaplanuj ścieżkę stosując algorytm A*
– (LLA): przemieść robota wzdłuż zaplanowanej ścieżki,

korygując tę ścieżkę podczas ruchu

– (LLA): zaktualizuj wewnętrzny model świata
– (LLA): gdy rośnie niepewność położenia, wyślij rozkaz

do systemu wizyjnego w celu określenia nowej pozycji

robota

• System ILA/LLA zapewniał systemowi

planowania stosunkowo jasny i niezawodny ciąg

akcji

background image

MSI-w6/32

System planowania

• Działa wg algorytmu STRIPS

• Układ dowodzenia twierdzeń

efektywnie

generujący

sekwencje akcji

• Wyniki planowania kompilowane do postaci

ogólnych makro-operatorów

(CBR - ułatwia

rozwiązanie podobnych problemów w przyszłości)

• Realizuje

najkrótszą podsekwencję planu

prowadzącą do celu

taką, której warunki wstępne

są spełnione

background image

MSI-w6/33

Automat usytuowany (1)

• Bazuje na koncepcji automatu skończonego:

– Na wejścia podawane sygnały z sensorów,

stosowanych do odbierania bodźców z otoczenia

– Wyjścia podłączone są do układów

wykonawczych robota

• Bardzo efektywna implementacja agenta

odruchowego ze stanem wewnętrznym

background image

MSI-w6/34

Automat usytuowany (2):

Opracowywanie

• Generowanie poprzez

autonomiczny proces

kompilacji

• Manualny proces projektowania oparty na

dekompozycji

zgodnej z różnymi

zachowaniami, którymi robot powinien się
wykazywać

background image

MSI-w6/35

Automat usytuowany (3)

• Sposoby reprezentacji wiedzy:

– Formalna reprezentacja wiedzy przez

projektantów robota

– Wiedza zawarta w architekturze agenta

• Kompilator generuje automat skończony,

którego stany wewnętrzne odpowiadają
zdaniom logicznym dotyczącym środowiska

background image

MSI-w6/36

Automat usytuowany (4)

• Każdy automat skończony można zrealizować jako rejestr stanu

aktualizowany przez układ ze sprzężeniem dodatnim, oraz drugi układ

ze sprzężeniem dodatnim aktualizujący wyjście automatu

• Czas obliczeń bardzo krótki
• Nie wymaga jawnej reprezentacji wiedzy

background image

MSI-w6/37

Bazowanie na zachowaniach (1)

• Dekompozycja na moduły realizujące

odpowiednie zachowania (omijanie
przeszkody, podążanie wzdłuż ściany, ...)

• Każdy moduł ma dostęp do sygnałów z

sensorów i może wysyłać sygnały do
układów wykonawczych

• Zachowania są zorganizowane w hierarchie

background image

MSI-w6/38

Bazowanie na zachowaniach (2)

• Każdy moduł ma

niezależny dostęp do
sensorów i do efektorów

• Moduły zachowań są

zorganizowane
hierarchicznie: moduły
wyższego poziomu mają
dostęp do zasobów
modułów niższego
poziomu i mogą
modyfikować lub
nadpisywać ich wartości
wyjścia

background image

MSI-w6/39

Bazowanie na zachowaniach (3)

• Wyeliminowanie jako podstawy scentralizowanej,

kompletnej reprezentacji stanów otoczenia (co jest
bardzo kosztowne)

• Stan wewnętrzny potrzebny jedynie do śledzenia

tych stanów otoczenia, które są niedostępne dla
czujników, ale są potrzebne do wyboru akcji w
każdym zachowaniu

• Do reprezentowania stanu wewnętrznego czasem

wystarczy mało pamięci, nawet dla złożonych zadań


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
PiUS w6 Spawwosloniegazow cz1
MSI 2006 w3
transport i handel morski w6 (29 03 2006) MNO5ZYCMRQINADQB2SZQHFUDZCSYDHJO7C2ZOLA
finanse międzynarodowe w6 (28 03 2006) WLCFVQW4Q2NNJK7ZAVRRTQHZFTKWTGI4UPCE57Y
MSI 2006 w2
MSI 2006 w1
MSI 2006 w4
MSI AiR w6 2004
MSI 2006 w7
MSI 2006 w3
MSI 2006 w4
MSI 2006 w3
MSI 2006 w2
W6 Technika harmonogramów i CPM
w6 Czołowe przekładanie walcowe o zebach srubowych
puchar swiata 2006 www prezentacje org
Gospodarka płynami kwiecień 2006

więcej podobnych podstron