Introdução à Robótica Móvel
Aula 4
Edson Prestes
Departamento de Informática Teórica http://www.inf.ufrgs.br/~prestes
prestes@inf.ufrgs.br
Introdução
¢ Mckerrow, P. J. Introduction to Robotics. Addison Wesley, 1995.
¢ Borenstein, J.; Everett, H. R.; Feng, L. Navigating Mobile Robots:
Sensors and Techniques. http://www-personal.umich.edu/~johannb/
shared/pos96rep.pdf
¢ Siegwart, R. Nourbakhsh, I. R. Introduction to Autonomous Mobile Robots. MIT Press, 2004.
¢ Thrun, S.; Wolfram, B.; Fox, D. Probabilistic Robotics (Intelligent Robotics and Autonomous Agents, MIT Press, 2005.
¢ R. Murphy. Introduction to AI Robotics, MIT Press, 2000.
¢ Silva Jr. E. P. Navegação Exploratória baseada em Problemas de Valores de Contorno, Tese de Doutorado, UFRGS, 2003.
Introdução
¢ Artigos das seguintes revistas
IEEE Transactions on Robotics
Robotics and Autonomous Systems
Journal of Intelligent and Robotic Systems
Autonomous Robots
¢ Artigos das conferências
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE/RSJ IROS)
IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE ICRA)
RUR
Paradigmas
¢
Existem três paradigmas usados organizar a inteligência em robôs [1]:
Hierárquico ou Deliberativo;
Reativo;
Híbrido.
¢
Em todos os casos, eles referem-se ao relacionamento entre as primitivas básicas:
Observar (SENSE);
Planejar (PLAN);
Atuar (ACT).
Paradigmas
¢
Arquiteturas
Fornecem templates para a implementação dos paradigmas.
De acordo com Shaw e Galan[16], “uma arquitetura de software define um sistema em termos de
componentes computacionais e a interação entre eles”.
De acordo com Russel [13], “Uma arquitetura de um robô define como o trabalho de gerar ações a partir da percepção é organizado”
De acordo com Pettersson[14], “Uma arquitetura é um desenho ou uma abstração de um sistema de
controle.”
Paradigma Hierárquico
¢
Foi dominante de 1967 a 1980.
¢
A estrutura de operação do robô é top-down, com ênfase no planejamento.
¢
Em geral, o modelo do mundo possui informações definidas a priori.
¢
É baseado em uma visão introspectiva de como a pessoa pensa.
¢
Basicamente o robô observa o mundo, planeja a próxima
ação, e então a executa.
Paradigma Hierárquico
Figura Extraída de [1]
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Sharkey foi o primeiro robô a usar o paradigma hierárquico.
Ele usou uma variante do GPS (General Problem Solver) chamada STRIPS (STanford Research Institute Problem Solver).
STRIPS usa uma abordagem chamada means-ends analysis, que permite com que o robô diminua continuamente a
diferença entre o estado corrente e o desejado.
STRIPS não é uma arquitetura. É uma técnica que surgiu a partir da tentativa inicial de se construir uma arquitetura.
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
R1 e R2 -salas D1 -porta IT -robô B1 -objeto
Exemplo extraído de [1]
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Estado Inicial
R1 e R2 -salas D1 -porta IT -robô B1 -objeto
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Estado Final
R1 e R2 -salas D1 -porta IT -robô B1 -objeto
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Tabela de Diferenças
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Estado Final Estado Inicial
Avaliação começa com OP2
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Estado Final Estado Inicial
OP2 falha e OP1 é avaliado.
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Estado Final Estado após OP1
OP2 falha e OP1 é avaliado.
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
Estado Final Estado após OP2
Controle volta para OP2
Paradigma Hierárquico
¢ STRIPS
STRIP assume que o modelo do mundo é conhecido e contém tudo o que o robô precisa saber (Closed World Assumption).
O sucesso do robô em sua tarefa é fortemente dependente do programador humano.
Um robô não conhece previamente todas as possíveis
situações que pode se deparar. Não existem surpresas(Open World Assumption)
Paradigma Hierárquico
¢ Arquitetura NHC (Nested Hierarchical Controller)
É uma arquitetura baseada no paradigma deliberativo.
Ela possui os componentes SENSE, PLAN e ACT.
O robô adquire informações sobre o ambiente e as armazena em uma representação do mundo.
Esta representação pode conter conhecimento prévio, por exemplo, o mapa de uma região do ambiente.
Após a atualização do modelo do mundo, o robô planeja as ações a executar.
Paradigma Hierárquico
¢ Arquitetura NHC (Nested Hierarchical Controller)
NHC. Figura extraída de [1]
Paradigma Hierárquico
¢ Arquitetura NHC (Nested Hierarchical Controller)
Componentes do módulo de planejamento do NHC.
Figura extraída de [1]
Comportamento animal
¢
Comportamento é o elemento fundamental da inteligência natural.
¢
É um mapeamento das entradas sensoriais para um padrão de ação motor que é usado para executar uma tarefa.
¢
Os etologistas dividem comportamentos em [1] :
Reflexivos : comportamentos puros de estimulo-resposta.
Reativos : são aprendidos, consolidados e usados de forma
inconsciente : andar de bicicleta. Comportamentos associadas à memória muscular são reativos.
Conscientes: são deliberativos ou seja envolvem planejamento.
Comportamento animal
A palavra reativo em etologia tem conotação diferente em robótica. Na etologia,
comportamento reativo é comportamento aprendido, enquanto que na robótica denota
reflexo.
Comportamento animal
¢
Os comportamentos reflexivos são particularmente
interessantes pois não necessitam de qualquer tipo de cognição.
¢
Eles podem ser divididos em:
reflexos : a resposta dura de acordo com o estimulo e é proporcional a intensidade do estímulo.
taxia : a resposta está associada a um movimento em uma direção em particular. Exemplo : quimiotaxia, fototaxia, etc.
padrões de ação fixa: a resposta tem duração maior que o estímulo. Exemplo: comportamento de defesa de cavalos.
Comportamento animal
¢
Existem quatro maneiras de adquirir comportamentos:
Inatos: nascer com o comportamento. Exemplo: reflexo de regurgitar das andorinhas do artico;
Seqüências de comportamentos inatos: nascer com uma
seqüência de comportamentos. Exemplo: ciclo de acasalamento das vespas ;
Inatos com memória: nascer com comportamentos que necessitam de inicialização. Exemplo: aprendizado da localização da colméia;
Aprendidos : aprender a partir da interação com o mundo.
Exemplo: comportamento de caça dos leões.
