De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

I.M otoriek & Robotica prof. dr. L. Schomaker (2004) KI RuG.

Verwante presentaties


Presentatie over: "I.M otoriek & Robotica prof. dr. L. Schomaker (2004) KI RuG."— Transcript van de presentatie:

1 I.M otoriek & Robotica prof. dr. L. Schomaker (2004) KI RuG

2 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 2 I. Overzicht  perceptie, cognitie en motoriek  motoriek  bewegingssturing via neurale netwerken in de robotica (  II. Neurale Netwerken )  waarom Motoriek&Robotica?

3 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 3 Waarom?  Computers worden steeds sneller: 2x in 18 mnd.  Het menselijk brein ‘rekent’, vergelijkbaar met een centrale processor van GHz  Dus over vier jaar is de computer even intelligent als de mens?  Vandaag al? Verbind 15 gewone PC’s met elkaar en we zijn klaar?

4 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 4 Waarom?  Computers worden steeds sneller: 2x in 18 mnd.  Het menselijk brein ‘rekent’, vergelijkbaar met een centrale processor van GHz  Dus over vier jaar is de computer even intelligent als de mens?  Vandaag al? Verbind 15 gewone PC’s met elkaar en we zijn klaar?

5 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 5 Hoe…?  “We weten nog te weinig over de architectuur van intelligente systemen”  Vergeet computerschaak en kijk naar ‘embodied systems’ in een fysische omgeving.

6 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 6 Hoe…?  “We weten nog te weinig over de architectuur van intelligente systemen”  Vergeet computerschaak en kijk naar ‘embodied systems’ in een fysische omgeving. Voorbeeld: kijk naar biologie, de springspin

7 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 7 Springspin: een “embodied system”  Active vision  Optic flow  Predictive planning  Timed jump

8 v(t) (Hill, 2001) phidipus princeps

9 (Forster & Forster, 1999)

10 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 10 Kenmerken van de sprong van een springspin  Bepaling van prooisnelheid op basis van optic flow en een volgende oogbeweging (tracking)  Preparatie van de amplitude, richting en timing van de spiercontractie (van tevoren!)  Sprong…  Vlucht… (nauwelijks trajectaanpassing mogelijk)  Vangen of missen van de prooi

11 flight Spider jump t1 t2

12 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 12 De springspin …  is in staat tot een aantal complexe gedragingen  die waarneming en bewegingscontrole vergen  traditionele symbolische AI levert hier weinig begrip: andere concepten zijn nodig  cybernetica (bijv. “terugkoppeling”, “Kalman filtering”)  leren en adaptatie (neurale netwerken)

13 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 13 Embodied & Situated Cognition  Intelligentie kan alleen begrepen worden als functie van een belichaamd organisme dat zich moet handhaven in een fysische context  … een functie die het organisme in staat stelt het gedrag aan te passen aan een grote verscheidenheid van variabele (beperkt voorspelbare) omstandigheden

14 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 14 Embodied & Situated Cognition  Intelligentie kan alleen begrepen worden als functie van een belichaamd organisme dat zich moet handhaven in een fysische context  … een functie die het organisme in staat stelt het gedrag aan te passen aan een grote verscheidenheid van variabele (beperkt voorspelbare) omstandigheden  Dit vergt nieuwe theorievorming !!!

15 Traditioneel model voor (menselijke) informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek

16 Specialisatie van wetenschapsgebieden Cognitie: beslissen leren taal Visuele Perceptie Auditieve Perceptie Tactiele Perceptie Geur-Perceptie psychonomie psychofysica patroonherkenning psychonomie cognitiewetenschap taalkunde kunstmatige intelligentie psychonomie bewegingswetenschappen AI, robotica Voortbeweging Objectmanipulatie Spraak Schrijven

17 Traditioneel model voor (menselijke) informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek Tevredenstellend?

18 Traditioneel perceptie-onderzoek en computer vision

19

20 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 20 Klopt dit model wel?  Waar komt de informatie vandaan?  Waar gaat de informatie naartoe? Cognitie Perceptie Motoriek

21 Aangepast model voor informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek WERELD AGENT zintuigeneffectoren

22 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 22 Klopt dit aangepaste model wel? Cognitie Perceptie Motoriek WERELD AGENT zintuigen effectoren Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden

23 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 23 Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  De sensoren hebben verandering in intensiteit nodig: (dS/dt) om te kunnen reageren

24 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 24  Deze veranderingen in S worden grotendeels door motoriek bepaald! Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  De sensoren hebben verandering in intensiteit nodig: (dS/dt) om te kunnen reageren

25 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 25  Deze veranderingen in S worden grotendeels door motoriek bepaald! Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  De sensoren hebben verandering in intensiteit nodig: (dS/dt) om te kunnen reageren  De sensoren moeten worden gericht en geregeld: dit wordt gedaan door spieren

26 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 26  Het zien Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg

27 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 27  Het zien Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg

28 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 28  Het zien Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg

29 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 29  Het zien Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren.

30 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 30  Het zien Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren.  De indruk van het totaalbeeld wordt geconstrueerd in het brein.

31 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 31  Het zien Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren.  De indruk van het totaalbeeld wordt geconstrueerd in het brein.  Scherpstellen (accomodatie en vergentie) worden gerealiseerd door de oogspieren

32 Oogbewegingen: saccades en fixaties bij het kijken naar een gezicht Van de saccade- trajecten is slechts een deel afgebeeld. De fixaties zijn de verdichtingen Joyce (2000).

33  Resolutie van een biologisch oog: alleen centraal (fovea) is het beeld scherp. Perifeer is het beeld wazig maar de gevoeligheid voor beweging is daar groter.  Gevolg: je mòèt wel actief rondkijken!

34 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 34  Het horen Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Bij het horen is dS/dt van luchtdruk ongelijk aan nul: gratis veranderingen in de tijd! Motoriek is dus niet nodig?

35 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 35  Het horen Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Bij het horen is dS/dt van luchtdruk ongelijk aan nul (gratis veranderingen in de tijd!) Motoriek is dus niet nodig?  Om richting te bepalen moet je hoofd of oren richten

36 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 36  Het horen Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Bij het horen is dS/dt van luchtdrukvariaties ongelijk aan nul (gratis veranderingen in de tijd). Motoriek is dus niet nodig?  Om richting te bepalen moet je hoofd of oren richten  Verder wordt de gevoeligheid wordt door spiertjes bepaald, ook om het oor te beschermen (tensor stapedius)

37 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 37 Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als je de textuur van een voorwerp wil voelen moet je een tactiele ‘flow’ veroorzaken door je hand te bewegen.  Bij stilstand vervaagt de tactiele indruk  De tast

38 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 38  De reuk Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  werkt door een gerichte sturing van de ademhaling (intercostaalspiertjes, tussen de ribben)

39 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 39  De reuk Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  werkt door een gerichte sturing van de ademhaling (intercostaalspiertjes, tussen de ribben)  de neusgaten kunnen door spieren worden opengezet en bij sommige diersoorten ook worden gesloten

40 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 40  De reuk Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  werkt door een gerichte sturing van de ademhaling (intercostaalspiertjes, tussen de ribben)  de neusgaten kunnen door spieren worden opengezet en bij sommige diersoorten ook worden gesloten  snuffelen: complexe motorische activiteit bestaande uit ego-motion en richten van de sensor

41 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 41  De propriocepsis Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Het waarnemen van je lichaamshouding gebeurt door sensoren in de spieren (spierspoeltjes) die reageren op spierlengteveranderingen

42 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 42  De propriocepsis Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Het waarnemen van je lichaamshouding gebeurt door sensoren in de spieren (spierspoeltjes) die reageren op spierlengteveranderingen  De gevoeligheid van de spierspoeltjes wordt door het brein geregeld (de gamma-efferenten) gamma alpha dL/dt naar CZS spiervezels (motor unit) spierspoeltje

43 Motor cortex (precentraal) en somatosensorische cortex (postcentraal)

44 Penfield Penfield & Rasmussen (1950). Twee plakjes brein. Rechts=Voor (pre-centraal): spieraansturing Links=Achter (post-centraal): waarneming van de de (toe)stand van de ledematen.

45 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 45 Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  semi-circulaire kanalen  otholithische sensor  …werken voor en door de motoriek  Het evenwichtsorgaan

46 Aangepast model voor informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek WERELD AGENT zintuigeneffectoren

47 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 47 Ontwikkelingen in AI en robotica  Bewegen om waar te nemen  Waarnemen om te bewegen Cognitie zintuigeneffectoren

48 Foto’s van Robot Hond, AI-lab Zurich Motoriek zorgt ook voor problemen: bewegend beeld bij lopen vergt “gaze stabilisation”: met oogbewegingen ervoor zorgen dat het beeld niet al te veel schudt gedurende lopen.

49 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 49 Ontwikkelingen in AI en robotica  Bewegen om waar te nemen  Waarnemen om te bewegen  + afregeling van sensoren door motorische mechanismen Cognitie zintuigeneffectoren

50 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 50 Een architectuur voor cognitie cognitie zintuigeneffectoren aandacht&coordinatie reflexen

51 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 51 Een architectuur voor cognitie cognitie zintuigeneffectoren aandacht coordinatie reflexen (frontale) neocortex hypothalamus, basale ganglia, cerebellum ruggemerg

52 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 52 Tussentijdse conclusie  Perceptie en motoriek zijn sterk onderling afhankelijk  Wat is het voordeel van deze architectuur?

53

54 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 54 Ontwikkelingen in AI en robotica  “embodied intelligence”: intelligentie is niet te begrijpen zonder inachtname van  lichaam & omgeving  closed-loop system

55 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 55 Voordelen van een closed-loop system  Closed-loop + non-lineariteit  zelforganisatie  Neurale adaptiviteit is de truc!

56 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 56 Voordelen van een closed-loop system  Closed-loop + non-lineariteit  zelforganisatie  Neurale adaptiviteit is de truc!  Voorbeeld: het leren van motorische controle

57 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 57 Inverse Kinematica  Gegeven een kinematische keten (gewrichten en ledemaatsegmenten), en een gewenste doelpositie in de taakruimte, wat is de vector van gewrichtshoeken als functie van de tijd?

58 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 58 Inverse Kinematica: hoe moeilijk is het? Doel (x,y,z) Opdracht: bedien de schuifregelaars en zorg dat de grijper vloeiend naar het doel beweegt

59 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 59 Inverse Kinematica φ1φ1 φ2φ2 φ3φ3 φ4φ4 φ5φ5 φ6φ6 φ7φ7 Doel (x,y,z) Gegeven doel (x,y,z), gevraagd: vector φ met gewrichtshoeken?

60 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 60 Inverse Kinematica…  Van laag-dimensionaal (3 df) naar hoog- dimensionaal (7 degrees of freedom)  Is dit mathematisch op te lossen?  Nee: het is een “ill-posed problem” of slecht gesteld probleem. Definitie: een probleem waarvoor 1) géén of 2) meerdere oplossingen mogelijk zijn

61 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 61 Inverse Kinematica, vervolg  Er zijn meestal zeer veel oplossingen (gewrichtshoeken als functie van de tijd) voor een traject van een eindeffector van positie A naar B in de Cartesiaanse taakruimte  Sommige configuraties hebben geen oplossing (singulariteit)

62 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 62 2-d, twee segmenten

63 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 63 2-d, twee segmenten Twee oplossingen voor deze arm!

64 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 64 Inverse Kinetica (Inverse Dynamica): niet alleen een traject, maar ook krachten! θ1θ1 θ2θ2 θ3θ3 θ4θ4 θ5θ5 θ6θ6 θ7θ7 Doel (m,g) Gegeven massa m, inertie g, gevraagd: vector θ met draaimomenten?

65 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 65 Het probleem is dus onoplosbaar?  Nee: wij bewegen nogal veel, bijvoorbeeld  Oplossingen: inperkingen (constraints) maken berekening mogelijk  De inperkingen kunnen structureel zijn (aantal vrijheidsgraden) of contextueel (taak- en systeemparameters)

66 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 66 Constraints: natuurlijke bewegers  Hoe komen de natuurlijke motorieksystemen aan de juiste parameterinstelling????  …terwijl het systeem ook nog eens aan allerlei veranderingen onderhevig is zoals –Groei –Veroudering (krachtsverlies) ????  Antwoord: neurale plasticiteit!

67 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 67 Neurale plasticiteit  Een analytische, beknopt wiskundige oplossing voor bewegingsturing van complexe effectorsystemen is beperkt toepasbaar in de echte wereld  Het biologische bewegingsapparaat gebruikt “motor babbling”  Dwz: willekeurig genereren van veel gewrichtshoek- combinaties en perceptueel vaststellen waar de eindeffector (hand) zich bevindt

68 Motor babbling

69 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 69 Neurale plasticiteit: motor babbling  Leren is een ‘error feedback’ proces  Veel ‘trial & error’  De natuur geeft het foutsignaal vanzelf

70 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 70 Neurale plasticiteit: motor babbling Voorbeelden: –willekeurig trappelende baby in de buik leert eigen spiersysteem kennen door propriocepsis –na de geboorte: willekeurige armbewegingen brengen de eigen hand binnen het visuele veld –het pasgeboren veulen leert snel te staan op basis van signalen uit het evenwichtsorgaan

71 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 71 Neurale plasticiteit: motor babbling  In de jaren tachtig kwamen adaptieve technieken tot ontwikkeling: ‘neurale’ netwerkmodellen  Hiermee werd het voor het eerst mogelijk om complexe robotsystemen ‘zichzelf te leren kennen’

72 ‘Motor babbling’ als basis voor het aanleren van inverse kinematica voor een 2D arm. Willekeurig gegenereerde gewrichthoeken leiden tot gerealiseerde handposities in het werkveld. Zo kan een NN de inverse leren: van vereiste handpositie naar gewrichtshoeken.

73 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 73 Oud robot-onderzoek Koppeling tussen sensor (lichtcel) en stuuras, en niet-lineaire regeling (radiobuis) leidden tot natuurlijke gedragingen: nadering en afstoting Pionierswerk in de 50-er jaren: Grey Walter: simpele middelen, complex effect.

74 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 74 Nieuw robot onderzoek BabyBot: G. Sandini, LIRA Genua. ogen oren arm hand continu leren

75 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 75 Onderzoek bij KI/RuG op basis van deze visie  Continu lerende systemen, in plaats van een robotontwerp voor een specifieke oplossing  Active Vision: ‘oogsprongen’ met de robot- camera(‘s), om de essentiele informatie op te sporen  Navigatie in robocup: leer het veld kennen door rondrijden, botsen en kijken

76 KI RuG ©2003 LRB Schomaker 76 Conclusies  Perceptie en motoriek kunnen niet los van elkaar onderzocht en begrepen worden  De bewegingsproblemen uit de robotica worden in de natuur opgelost met ‘motor babbling’ en neurale adaptatie/plasticiteit  Uitgaande van deze visie op perceptie, cognitie en motoriek worden verschillende nieuwe onderzoeken gestart bij KI/RuG: lezende robots en robotvoetbal.


Download ppt "I.M otoriek & Robotica prof. dr. L. Schomaker (2004) KI RuG."

Verwante presentaties


Ads door Google