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

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

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

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

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

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

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!!)

MSI-w6/8

Zadania wykonywane przez

roboty (3)

• Zadania wymagające mobilności

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

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)

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

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

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

)

MSI-w6/13

Lokomocja

• Roboty kroczące
• Roboty jeżdżące

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

MSI-w6/15

Lokomocja - roboty jeżdżące (1)

• Podwozie kołowe, gąsienicowe, ...

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

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!!

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

MSI-w6/18

Manipulowanie (1)

• Realizowane przez

manipulatory

• Większość manipulatorów wykonuje

– albo

ruch obrotowy

(R)

– albo

ruch postępowy

(P)

MSI-w6/19

Manipulowanie (2)

MSI-w6/20

Manipulowanie (3)

MSI-w6/21

Manipulowanie:

Końcowy mechanizm wykonawczy

• Oddziałuje

bezpośrednio na

obiekty otoczenia

• Narzędzia

:

– Śrubokręt
– Spawarka
– Pistolet malarski
– . . .

• Chwytaki

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

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”)

MSI-w6/24

Odczuwanie dotyku

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

macierzy czujników)

• Dotyk określany metodami podobnymi do

rozpoznawania obrazów

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)

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

MSI-w6/27

Sensory i systemy wizyjne (2)

MSI-w6/28

Sensory i systemy wizyjne (3)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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