From Cybernetics to RoboticsLecture 2

Lecture 2 2

Cos'è la Robotica

● Disciplina con un carattere fortemente interdisciplinare

Aspetto ingegneristicoAspetto ingegneristico

Aspetto informaticoAspetto informatico

EtologiaEtologia

BiologiaBiologia

Psicologia CognitivaPsicologia Cognitiva

NeuroscienzeNeuroscienze

Lecture 2 3

Elementi Caratterizzanti

● Controllo Reattivo

Corporeità

Essere situato

● Intelligenza non simbolica

● Cibernetica

Teoria del Controllo

Teoria dell'Informazione

Biologia

Lecture 2 4

Robot Manipolatore

● Definizione (RIA 1985)

Un robot è un manipolatore multi-funzionale riprogrammabile progettato per spostare materiali, componenti, utensili o dispositivi specializzati attraverso movimenti variabili programmati per l'esecuzione di una varietà di compiti.

Lecture 2 5

Una Definizione

● … La robotica è la connessione intelligente fra percezione ed azione. (M. Brady, 1984)

Lecture 2 6

Cibernetica

● Norbert Wiener è universalmente accreditato, verso la fine degli anni '40, come il fondatore della cibernetica: un ibrido fra

teoria del controllo,

scienza dell'informazione e

biologia

con l'obiettivo di spiegare i principi comuni del controllo e della comunicazione sia negli animali che nelle macchine

● Retroazione

Lecture 2 7

Tartaruga di Walter

● W. Grey Walter (1953) applicò questi principi nella creazione della Macchina Speculatrice (Machina Speculatrix), precursore delle macchine robotiche e che fu successivamente trasformata in hardware come Tartaruga di Walter (Grey Walter's Tortoise)

Lecture 2 8

L'odierna Cibernetica

● Approccio interdisciplinare all'organizzazione dei sistemi, indipendentemente dalla loro realizzazione fisica.

● Mentre nella teoria generale dei sistemi si guarda agli organismi viventi come un tutto (holismo) focalizzando l'attenzione sugli aspetti strutturali, comportamentali e di sviluppo, la cibernetica predilige la prospettiva epistemologica

il sistema nel suo insieme è analizzabile in termini dei suoi componenti e della loro organizzazione al suo interno, senza perdere informazione su di esso

Lecture 2 9

Schema Generale

Lecture 2 10

Intelligenza e Cibernetica

● L'attività motoria, negli automi come nell'uomo, richiede intelligenza

spaziale e corporeo-cinestetica (Gardner) per il suo controllo diretto,

linguistica e logico-matematica, per comprenderne ed acquisirne scopi e caratteristiche

● Cibernetica: accomuna sistemi viventi e artificiali, spiegandone il funzionamento in termini di feedback e omeostasi

Lecture 2 11

Intelligenza nel Comportamento

● In che modo prende corpo un certo comportamento?

● La Tartaruga di Walter mostra come sia possibile realizzare comportamente intelligenti dovuti ad adeguate risposte ambientali.

● L'intelligenza del comportamento non richiede necessariamente implementazioni complesse.

● Non esiste una definizione univoca di intelligenza.

Lecture 2 12

Definizione di Intelligenza

● Abilità di utilizzare pensiero astratto. [Terman]

● Aver appreso o la capacità di apprendere come adattarsi all'ambiente. [Colvin]

● Abilità di adattarsi adeguatamente a situazioni nella vita relativamente nuove. [Pinter]

● Il meccanismo biologico per il quale gli effetti della complessità degli stimoli sono messi insieme rispondendo con un comportamento avente un effetto in qualche modo unificato. [Peterson]

Lecture 2 13

Definizione di Intelligenza

● La capacità di acquisire abilità. [Woodrow]

● La capacità di apprendere o approfittare dell'esperienza. [Dearborn]

● La capacità di generare previsione, cioè produrre l’anticipazione del cambiamento e quindi l’azione costruttiva per realizzarlo o annullarlo. [Piaget]

● La capacità o disposizione ad utilizzare in modo adeguato allo scopo tutti gli elementi del pensiero necessari per riconoscere, impostare e risolvere nuovi problemi. [Stern]

Lecture 2 14

Tartaruga di Walter

● parsimoniaparsimonia: semplici riflessi sono la base dei comportamenti elementari

● esplorazioneesplorazione e speculazionespeculazione: il sistema non rimane mai fermo tranne che per il caricamento delle batterie;

● attrazioneattrazione: tropismo positivo. Il sistema è motivato a muoversi verso alcuni oggetti dell'ambiente, nel caso specifico è attratto verso una luce di moderata intensità

Lecture 2 15

Tartaruga di Walter

● avversioneavversione: tropismo negativo. Il sistema si allontana da certi stimoli negativi, ad esempio, evitando ostacoli e pendenze

● discernimentodiscernimento: il sistema ha la capacità di distinguere fra comportamenti produttivi e comportamenti improduttivi

Lecture 2 16

Tartaruga di Walter

Lecture 2 17

Turtle Schematic

● A more realistic controller implementation of Walter's Turtle using micro PIC16F84

Lecture 2 18

Comportamenti Esibiti

● ricerca della lucericerca della luce

● avanzamento verso una luce deboleavanzamento verso una luce debole

● allontanamento dalle luci intenseallontanamento dalle luci intense

● ruota e avanzaruota e avanza

● ricarica della batteriaricarica della batteria

Lecture 2 19

Ricerca della Luce

● Il sensore di intensità luminosa determina la rotazione della ruota sterzante

● fino a quando non viene rilevata una luce debole

● mentre il secondo motore, in azione continua, consente al robot l'esplorazione dell'ambiente.

Lecture 2 20

Avanzamento verso una Luce debole

● Non appena la luce rilevata appare di debole intensità, il robot si muove in quella direzione.

Lecture 2 21

Allontanamento da Luci Intense

● La tartaruga mostra un comportamento di avversione dalle luci intense esibendo un immediato allontanamento dalle stesse.

● Comportamento assai utile durante la fase di ricarica della batteria.

Lecture 2 22

Ruota e Avanza

● Utilizzato per evitare gli ostacoli.

● Questo comportamento puo’ sostituire quello della risposta alla luce.

Lecture 2 23

Ricarica della Batteria

● Durante il suo normale funzionamento la batteria di bordo si scarica per cui le luci intense finiscono per essere percepite come deboli.

● Poichè la stazione di caricamento ha una luce di forte intensità su di essa, il robot muove verso di essa attraccando solo quando la batteria è pressochè scarica.

● Dopo il ricaricamento la luce viene percepita molto intensa causando l'allontanamento del robot dalla stazione.

Lecture 2 24

Tartaruga Meccanica

Lecture 2 25

Tartaruga Meccanica

Lecture 2 26

Paradigmi Robotici

● Gerarchico (Deliberativo)

● Reattivo

● Ibrido (Deliberativo/Reattivo)

Lecture 2 27

Paradigma Gerarchico

● Deriva direttamente dall'impostazione classica dell'Intelligenza Artificiale che, a sua volta, dipende dall'ipotesi della macchina di Turing. Si basa sull'assunzione dell'esistenza di un sistema simbolico sul quale si regge e funziona l'intelligenza.

● Dallo schema generale degli elaboratori, dovuto a von Neumann, deriva per adattamento lo schema sense-plan-act di un robot a controllo gerarchico.

Lecture 2 28

Paradigma Reattivo

● Considerazioni generali stabiliscono che il tempo totale di risposta, o throughput, del sistema di controllo del robot non è limitabile superiormentenon è limitabile superiormente perchè gli algoritmi di planning, per loro stessa natura, risultano essere semidecidibili.

● Per contenere l'impatto del tempo di elaborazione del planner si procede con un maggiore accoppiamento sensori-attuatori, utilizzando moduli specifici che, per lo scopo, devono essere necessariamente automa a stati finiti (FSA), cosicchè il tempo di reazione è limitabile superiormente.

Lecture 2 29

Paradigma Reattivo/Deliberativo

● Paradigma che riconcilia l'approccio cognitivista dell'Intelligenza Artificiale con l'approccio comportamentale della Cibernetica.

● Da questo punto di vista un robot autonomo, sebbene dotato di intelligenza simbolica, rimane sempre un agente corporeo situato..

Lecture 2 30

Definizione di Comportamento

● Un insieme di azioni, ciascuna delle quali associata ad uno schema percettivo (riflesso), tali da caratterizzare, nel loro complesso, un metodo per conseguire un obiettivo oppure mantenere attivo uno scopo.

Lecture 2 31

Conclusioni

● La robotica autonoma affonda le sue radici nella moderna cibernetica.

● La tartaruga di Walter è il primo esempio di realizzazione robotica con paradigma di tipo behavior-based.

● Il controllo di un robot può realizzarsi in modo deliberativo, reattivo o misto.