Download de presentatie
GepubliceerdLotte Verlinden Laatst gewijzigd meer dan 10 jaar geleden
1
Motoriek, Robotica en Neurale Netwerken
prof. dr. L. Schomaker KI RuG
2
robotica en neurale netwerken
Overzicht perceptie, cognitie en motoriek motoriek robotica robotica en neurale netwerken
3
Traditioneel model voor (menselijke) informatieverwerking
Cognitie Perceptie Motoriek
4
Specialisatie van wetenschapsgebieden
psychologische funktieleer psychofysica patroonherkenning psychologische funktieleer bewegingswetenschappen AI, robotica Cognitie: beslissen leren taal Visuele Perceptie Voortbeweging Auditieve Perceptie Objectmanipulatie Tactiele Perceptie Spraak Geur-Perceptie Schrijven psychologische funktieleer cognitiewetenschap kunstmatige intelligentie
5
Traditioneel model voor (menselijke) informatieverwerking
Cognitie Perceptie Motoriek Tevredenstellend?
6
Waar komt de informatie vandaan? Waar gaat de informatie naartoe?
Klopt dit model wel? Cognitie Perceptie Motoriek Waar komt de informatie vandaan? Waar gaat de informatie naartoe?
7
de WERELD! Klopt dit model wel? Waar komt de informatie vandaan?
Cognitie Perceptie Motoriek Waar komt de informatie vandaan? Waar gaat de informatie naartoe? de WERELD!
8
Aangepast model voor informatieverwerking
AGENT Cognitie Perceptie Motoriek zintuigen effectoren WERELD
9
Klopt dit aangepaste model wel?
AGENT Cognitie Perceptie Motoriek zintuigen effectoren WERELD 1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden 2. Hypothese: de rol van Motoriek in cognitie wordt onderschat
10
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De sensoren hebben verandering in intensiteit nodig: (dS/dt) om te kunnen reageren Deze veranderingen in S worden grotendeels door motoriek bepaald! De sensoren moeten worden gericht en geregeld: dit wordt gedaan door spieren
11
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het zien Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg
12
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het zien Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg
13
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het zien Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg Visuele waarneming vindt niet plaats door een āGanzfeldā projectie van oog naar hersenenā¦
14
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het zien Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg Visuele waarneming vindt niet plaats door een āGanzfeldā projectie van oog naar hersenenā¦ Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren.
15
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het zien Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg Visuele waarneming vindt niet plaats door een āGanzfeldā projectie van oog naar hersenenā¦ Reeksen van oogfixaties en saccades (oogsprongen) worden verzorgd door de oogspieren. De indruk van het totaalbeeld wordt geconstrueerd in het brein.
16
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het zien Als de oogspieren worden ingespoten met een spierverlammend middel valt het beeld in enkele tientallen ms weg Visuele waarneming vindt niet plaats door een āGanzfeldā projectie van oog naar hersenenā¦ 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
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het horen Bij het horen is dS/dt van luchtdrukvariaties ongelijk aan nul (gratis veranderingen in de tijd). Motoriek is dus niet nodig?
18
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het horen 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
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
Het horen 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
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De tast Als je de textuur van een voorwerp wil voelen moet je een tactiele āflowā veroorzaken door je hand te bewegen. Bij stilstand vervaagt de tactiele indruk
21
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De reuk werkt door een gerichte sturing van de ademhaling (intercostaalspiertjes, tussen de ribben)
22
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De reuk 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
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De reuk 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
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De propriocepsis Het waarnemen van je lichaamshouding gebeurt door sensoren in de spieren (spierspoeltjes) die reageren op spierlengteveranderingen
25
1. Stelling: Perceptie en Motoriek zijn onlosmakelijk verbonden
De propriocepsis Het waarnemen van je lichaamshouding gebeurt door sensoren in de spieren (spierspoeltjes) die reageren op spierlengteveranderingen Het evenwichtsorgaan ā¦werkt voor en door de motoriek
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
AGENT Cognitie Perceptie Motoriek zintuigen effectoren WERELD
29
Ontwikkelingen in AI en robotica
Cognitie zintuigen effectoren Bewegen om waar te nemen Waarnemen om te bewegen
30
2. Hypothese: de rol van Motoriek in cognitie wordt onderschat
Motoriek is het āfinal common pathā: 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
31
Ontwikkelingen in AI en robotica
āembodied intelligenceā: intelligentie is niet te begrijpen zonder ļ lichaam & omgeving (ļ interactie tussen individuen)
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
Demonstratie robotvoetbal voor āBNNā tv
34
Geschatte bandbreedtes, nodig voor motoriek, cognitie en perceptie
Motoriek Perceptie Geschatte bandbreedtes, nodig voor motoriek, cognitie en perceptie
35
Problemen in de robotica
Is motoriek moeilijk? Ruimtes āConstraintsā
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
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
Gegeven doel (x,y,z), gevraagd: vector Ļ
Inverse Kinematica Ļ3 Ļ4 Doel (x,y,z) Ļ5 Ļ2 Ļ6 Ļ1 Ļ7 Gegeven doel (x,y,z), gevraagd: vector Ļ met gewrichtshoeken?
39
Inverse Kinematicaā¦ Van laag-dimensionaal (3 df) naar hoog-dimensionaal (7 degrees of freedom) Is dit mathematisch op te lossen? Nee: het is een āill-posed problemā of slecht gesteld probleem. Definitie: een probleem waarvoor 1) gĆ©Ć©n of 2) meerdere oplossingen mogelijk zijn
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) ļ problemen bij het berekenen van een matrix inverse
41
2-d, twee segmenten
42
Twee oplossingen voor deze arm!
2-d, twee segmenten Twee oplossingen voor deze arm!
43
Gegeven massa m, inertie g, gevraagd: vector Īø met draaimomenten?
Inverse Kinetica (Inverse Dynamica): niet alleen een traject, maar ook krachten! Īø3 Īø4 Doel (m,g) Īø5 Īø2 Īø6 Īø1 Īø7 Gegeven massa m, inertie g, gevraagd: vector Īø met draaimomenten?
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
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 (Ļx, Ļy, Ļz). Totaal: 6 df in taakruimte, 6 df in gewrichtsruimte. Afgezien van singuliere configuraties is het probleem handelbaar geworden!
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-Īt) Uit de taak Een groot aantal neurale systemen, met veel aangeleerde parameters, houdt zich met motoriek bezig.
47
Constraints: natuurlijke bewegers
Hoe komen de natuurlijke motorieksystemen aan de juiste parameterinstelling???? ā¦terwijl het systeem ook nog eens aan allerlei veranderingen onderhevig is zoals Groei Veroudering (krachtsverlies) ???? Antwoord: neurale plasticiteit!
48
Neurale plasticiteit Een analytische (beknopte wiskundige) oplossing voor bewegingsturing van complexe effectorsystemen is beperkt toepasbaar in de echte wereld Het biologische bewegingsapparaat gebruikt āmotor babblingā Dwz: random genereren van veel gewrichtshoek-combinaties en perceptueel vaststellen waar de eindeffector (hand) zich bevindt
49
Neurale plasticiteit: motor babbling
Leren is een āerror feedbackā 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
Neurale plasticiteit: motor babbling
In de jaren tachtig kwamen adaptieve technieken tot ontwikkeling: āneuraleā netwerkmodellen Hiermee werd het voor het eerst mogelijk om complexe robotsystemen āzichzelf te leren kennenā
51
Een neuron in een Neuraal Netwerkmodel
Synapsen ļ dendrieten Axon ļ synapsen Soma
52
Een neuron in een Neuraal Netwerkmodel
Gewogen inputs Output Sigmoide overdrachtsfunctie
53
Een neuron in een Neuraal Netwerkmodel
Gewogen inputs: ai = Ī£ wij xj Output yi Uniti xj wij Sigmoide overdrachtsfunctie 1 / ( 1 + e-a)
54
Leren in een neuraal net
Een leeralgoritme (bv. Error Backpropagation) zorgt voor het vinden van de gewichten Wij op basis van de fout tussen doel en gerealiseerde output Output Target Input yi ti xj Wij Īµ = yi - ti Fout ĪWij
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
Touretzky & Pomerleau: dat moet eenvoudiger
Gebruik de capaciteit van leren in een eenvoudig neuraal netwerkmodel Menselijke chauffeur rijdt over de campus, neuraal netwerk kijkt āover de schouderā 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 āfeature detectorsā
De waarden van de gewichten tussen inputbeeld en een hidden unit kunnen worden afgebeeld als grijstinten. Deze Hidden Unit let op āniet rechtdoorrijdenā
59
āMotor babblingā 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
Schouderhoek over het werkveld
61
Ellebooghoek over het werkveld
62
Accuratesse van posities (Kohonen LVQ oplossing)
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 āmotor babblingā en neurale adaptatie/plasticiteit Neurale Netwerkmodellen geven de mogelijkheid de bewegingsfuncties van een robot aan te leren, gebruikmakend van het principe van āmotor babblingā en een nauwsluitende koppeling tussen sturing en waarneming
Verwante presentaties
© 2024 SlidePlayer.nl Inc.
All rights reserved.