De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Motoriek, Robotica en Neurale Netwerken prof. dr. L. Schomaker KI RuG.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Motoriek, Robotica en Neurale Netwerken prof. dr. L. Schomaker KI RuG."— Transcript van de presentatie:

1 Motoriek, Robotica en Neurale Netwerken prof. dr. L. Schomaker KI RuG

2 KI RuG 2 Overzicht  perceptie, cognitie en motoriek motoriek robotica robotica en neurale netwerken

3 Traditioneel model voor (menselijke) informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek

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

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

6 KI RuG 6 Klopt dit model wel?  Waar komt de informatie vandaan?  Waar gaat de informatie naartoe? Cognitie Perceptie Motoriek

7 KI RuG 7 Klopt dit model wel?  Waar komt de informatie vandaan?  Waar gaat de informatie naartoe? Cognitie Perceptie Motoriek de WERELD!

8 Aangepast model voor informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek WERELD AGENT zintuigeneffectoren

9 KI RuG 9 Klopt dit aangepaste model wel? Cognitie Perceptie Motoriek WERELD AGENT zintuigen effectoren 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden 2. Hypothese: de rol van Motoriek in cognitie wordt onderschat

10 KI RuG 10  Deze veranderingen in S worden grotendeels door motoriek bepaald! 1. 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

11 KI RuG 11  Het zien 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg

12 KI RuG 12  Het zien 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg

13 KI RuG 13  Het zien 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Visuele waarneming vindt niet plaats door een ‘Ganzfeld’ projectie van oog naar hersenen…

14 KI RuG 14  Het zien 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Visuele waarneming vindt niet plaats door een ‘Ganzfeld’ projectie van oog naar hersenen…  Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren.

15 KI RuG 15  Het zien 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Visuele waarneming vindt niet plaats door een ‘Ganzfeld’ projectie van oog naar hersenen…  Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren.  De indruk van het totaalbeeld wordt geconstrueerd in het brein.

16 KI RuG 16  Het zien 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg  Visuele waarneming vindt niet plaats door een ‘Ganzfeld’ projectie van oog naar hersenen…  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

17 KI RuG 17  Het horen 1. 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?

18 KI RuG 18  Het horen 1. 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

19 KI RuG 19  Het horen 1. 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)

20 KI RuG 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

21 KI RuG 21  De reuk 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  werkt door een gerichte sturing van de ademhaling (intercostaalspiertjes, tussen de ribben)

22 KI RuG 22  De reuk 1. 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

23 KI RuG 23  De reuk 1. 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

24 KI RuG 24  De propriocepsis 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  Het waarnemen van je lichaamshouding gebeurt door sensoren in de spieren (spierspoeltjes) die reageren op spierlengteveranderingen

25 KI RuG 25  De propriocepsis 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden  …werkt voor en door de motoriek  Het evenwichtsorgaan  Het waarnemen van je lichaamshouding gebeurt door sensoren in de spieren (spierspoeltjes) die reageren op spierlengteveranderingen

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

27 Penfield Relatieve bijdrage van corticale gebieden aan motoriek (Penfield & Rasmussen, 1950). De hand en de mond kunnen met de beste signaal- ruisverhouding worden aangestuurd.

28 Aangepast model voor informatieverwerking Cognitie PerceptieMotoriek WERELD AGENT zintuigeneffectoren

29 KI RuG 29 Ontwikkelingen in AI en robotica  Bewegen om waar te nemen  Waarnemen om te bewegen Cognitie zintuigeneffectoren

30 KI RuG 30  Motoriek is het ‘final common path’: het beslissen (cognitie) wordt afgedwongen doordat de wereld om een handeling of uitspraak vraagt (motoriek)  Motorische handelingen leiden tot persistente effecten in de wereld: de omgeving als extensie van het geheugen 2. Hypothese: de rol van Motoriek in cognitie wordt onderschat

31 KI RuG 31 Ontwikkelingen in AI en robotica  “embodied intelligence”: intelligentie is niet te begrijpen zonder  lichaam & omgeving (  interactie tussen individuen)

32 KI RuG 32 Ontwikkelingen in AI en robotica  Daarom: een grotere rol voor perceptie en beweging (robotica, RoboCup), in plaats van computerschaak als uitdaging om intelligentie te modelleren

33 KI RuG 33 Demonstratie robotvoetbal voor ‘BNN’ tv

34 Motoriek Perceptie Geschatte bandbreedtes, nodig voor motoriek, cognitie en perceptie

35 KI RuG 35 Problemen in de robotica  Is motoriek moeilijk?  Ruimtes  ‘Constraints’

36 KI RuG 36 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?

37 KI RuG 37 Inverse Kinematica: hoe moeilijk is het? Doel (x,y,z) Opdracht: bedien de schuifregelaars en zorg dat de grijper vloeiend naar het doel beweegt

38 KI RuG 38 Inverse Kinematica φ1φ1 φ2φ2 φ3φ3 φ4φ4 φ5φ5 φ6φ6 φ7φ7 Doel (x,y,z) Gegeven doel (x,y,z), gevraagd: vector φ met gewrichtshoeken?

39 KI RuG 39 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

40 KI RuG 40 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)  problemen bij het berekenen van een matrix inverse

41 KI RuG 41 2-d, twee segmenten

42 KI RuG 42 2-d, twee segmenten Twee oplossingen voor deze arm!

43 KI RuG 43 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?

44 KI RuG 44 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)

45 KI RuG 45 Constraints: industriele robots  In de industriele robotica maakt men gewoon de robots eenvoudig: basis (1df), schouder (1df), elleboog (1df) en kogelpolsgewricht (3df). Verder wordt van de eindeffector niet alleen de positie (x,y,z) gevraagd, maar ook de orientatie (ω x, ω y, ω z ). Totaal: 6 df in taakruimte, 6 df in gewrichtsruimte. Afgezien van singuliere configuraties is het probleem handelbaar geworden!

46 KI RuG 46 Constraints: natuurlijke bewegers  Bij mens en dier is er sprake van een groot aantal parameters waardoor het aantal mogelijke oplossingen van trajecten wordt ingeperkt: –Uit de perceptie (visueel, propriocepsis) –Uit het systeem zelf: M(t-Δt) –Uit de taak  Een groot aantal neurale systemen, met veel aangeleerde parameters, houdt zich met motoriek bezig.

47 KI RuG 47 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!

48 KI RuG 48 Neurale plasticiteit  Een analytische (beknopte wiskundige) oplossing voor bewegingsturing van complexe effectorsystemen is beperkt toepasbaar in de echte wereld  Het biologische bewegingsapparaat gebruikt “motor babbling”  Dwz: random genereren van veel gewrichtshoek- combinaties en perceptueel vaststellen waar de eindeffector (hand) zich bevindt

49 KI RuG 49 Neurale plasticiteit: motor babbling  Leren is een ‘error feedback’ proces  De natuur geeft het foutsignaal vanzelf  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 –pasgeboren veulen leert snel staan op basis van evenwichtsorgaan

50 KI RuG 50 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’

51 KI RuG 51 Een neuron in een Neuraal Netwerkmodel Synapsen  dendrieten Soma Axon  synapsen

52 KI RuG 52 Een neuron in een Neuraal Netwerkmodel Gewogen inputs Sigmoide overdrachtsfunctie Output

53 KI RuG 53 Een neuron in een Neuraal Netwerkmodel Gewogen inputs: a i = Σ w ij x j Sigmoide overdrachtsfunctie Output y i Unit i xjxj w ij 1 / ( 1 + e -a )

54 KI RuG 54 Leren in een neuraal net Een leeralgoritme (bv. Error Backpropagation) zorgt voor het vinden van de gewichten W ij op basis van de fout tussen doel en gerealiseerde output W ij Input xjxj Output Target yiyi titi ΔW ij Fout ε = y i - t i

55 KI RuG 55 Een succesvol voorbeeld van NN  NAVLAB: een autonoom navigerende bestelbus, Carnegie Mellon, Uitgerust met een Sun werkstation en een draadloze verbinding met mainframe computer om, op basis van traditionele technieken uit AI en computer vision, zelfstandig rond te rijden

56 KI RuG 56 Touretzky & Pomerleau: dat moet eenvoudiger  Gebruik de capaciteit van leren in een eenvoudig neuraal netwerkmodel  Menselijke chauffeur rijdt over de campus, neuraal netwerk kijkt ‘over de schouder’ naar: Input: 1) camerabeeld, 2) radarbeeld, Output: 3) de stand van het stuur als doel

57 De ALVINN netwerkarchitectuur (Touretzky & Pomerleau, 1989)

58 Hidden units als zelflerende ‘feature detectors’ De waarden van de gewichten tussen inputbeeld en een hidden unit kunnen worden afgebeeld als grijstinten. Deze Hidden Unit let op “niet rechtdoorrijden”

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

60 KI RuG 60 Schouderhoek over het werkveld

61 KI RuG 61 Ellebooghoek over het werkveld

62 KI RuG 62 Accuratesse van posities (Kohonen LVQ oplossing)

63 KI RuG 63 Conclusies  Perceptie en motoriek kunnen niet los van elkaar onderzocht en begrepen worden  De problemen van inverse kinematica en inverse kinetica uit de robotica worden in de natuur opgelost met ‘motor babbling’ en neurale adaptatie/plasticiteit  Neurale Netwerkmodellen geven de mogelijkheid de bewegingsfuncties van een robot aan te leren, gebruikmakend van het principe van ‘motor babbling’ en een nauwsluitende koppeling tussen sturing en waarneming


Download ppt "Motoriek, Robotica en Neurale Netwerken prof. dr. L. Schomaker KI RuG."

Verwante presentaties


Ads door Google