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-w6/1
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-w6/2
Rzeczywisty świat robota (1)
" Niedostępny
 Czujniki niedoskonałe
 Robot może zwykle postrzegać bodz
ce 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-w6/3
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-w6/4
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-w6/5
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-w6/6
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-w6/7
Zadania wykonywane przez
roboty (3)
" Zadania wymagające mobilności
 Kurierzy (szpitale, biura, poczta)
 Straż bezpieczeństwa
 AUV=autonomous underwater vehicle
MSI-w6/8
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
opóz
nienia w odpowiedzi operatora - np. Mars)
MSI-w6/9
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-w6/10
Najważniejsze podzespoły
" Robot ma:
 Sztywny korpus (body)
 Więzy (links) [sztywne]
 Połączenia (joints)
 Końcowe elementy wykonawcze (end effectors)
stosowane do oddziaływania na środowisko
MSI-w6/11
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-w6/12
Lokomocja
" Roboty kroczące
" Roboty jeżdżące
MSI-w6/13
Lokomocja - roboty kroczące
" Stateczne statycznie:
" Można zatrzymać w
każdej chwili (nie
upadną)
" Bardzo wolne
przemieszczanie się
" Zużywają
nieefektywnie energię
" Stateczne dynamicznie
" Skaczące
MSI-w6/14
Lokomocja - roboty jeżdżące (1)
" Podwozie kołowe, gąsienicowe, ...
" Proste w budowie
" Bardziej efektywne niż nogi
" Podparcie statyczne
" A
atwiejsze do sterowania
MSI-w6/15
Lokomocja - roboty jeżdżące (2)
Robot na podwoziu 4-
kołowym ma 3 stopnie
swobody (pozycja x-y,
kierunek), lecz w małej
skali tylko 2!!
MSI-w6/16
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-w6/17
Manipulowanie (1)
" Realizowane przez manipulatory
" Większość manipulatorów wykonuje
 albo ruch obrotowy (R)
 albo ruch postępowy (P)
MSI-w6/18
Manipulowanie (2)
MSI-w6/19
Manipulowanie (3)
MSI-w6/20
Manipulowanie:
Końcowy mechanizm wykonawczy
" Oddziałuje
bezpośrednio na
obiekty otoczenia
" Narzędzia:
 Śrubokręt
 Spawarka
 Pistolet malarski
 . . .
" Chwytaki
MSI-w6/21
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-w6/22
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-w6/23
Odczuwanie dotyku
"  Palce z elastycznego materiału
" Dokonywany pomiar ugięcia (za pomocą
macierzy czujników)
" Dotyk określany metodami podobnymi do
rozpoznawania obrazów
MSI-w6/24
Sonar
" SOund Navigation and Ranging = nawigacja
i określanie zasięgu za pomocą dz
więku
" Dostarcza użytecznej informacji o obiektach
bardzo blisko robota
" Umożliwia awaryjne zapobieżenie kolizjom
" Efektywny w przypadku omijania przeszkód
" Mało przydatny do opracowywania mapy
(szeroka wiązka dz
więku)
MSI-w6/25
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-w6/26
Sensory i systemy wizyjne (2)
MSI-w6/27
Sensory i systemy wizyjne (3)
MSI-w6/28
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-w6/29
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-w6/30
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-w6/31
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-w6/32
Automat usytuowany (1)
" Bazuje na koncepcji automatu skończonego:
 Na wejścia podawane sygnały z sensorów,
stosowanych do odbierania bodz
ców z otoczenia
 Wyjścia podłączone są do układów
wykonawczych robota
" Bardzo efektywna implementacja agenta
odruchowego ze stanem wewnętrznym
MSI-w6/33
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-w6/34
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-w6/35
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
MSI-w6/36
" Nie wymaga jawnej reprezentacji wiedzy
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-w6/37
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-w6/38
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
MSI-w6/39