1 / 37

Robotiikan historiaa

Robotiikan historiaa. Jyri Huttunen. Johdanto. Autonomisen mobiilin robotin kehitys Keskeisten kysymysten luonne Käsittelemättä jäävät esim. erikoistuneet järjestelmät (kirurgi-, teollisuusrobotit ymv)

vahe
Download Presentation

Robotiikan historiaa

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Robotiikan historiaa Jyri Huttunen

  2. Johdanto • Autonomisen mobiilin robotin kehitys • Keskeisten kysymysten luonne • Käsittelemättä jäävät esim. erikoistuneet järjestelmät (kirurgi-, teollisuusrobotit ymv) • Rakenne: Esihistoria, mekaaninen kausi (1950-60), tekoälyn aika (70-80), nykyrobotiikan synty (80-), yhteenveto

  3. Esihistoria (400 e.a.a. – 1950)

  4. Esihistoriaa • Helleeninen luonnontiede; Heron (esim [Mat]) • Keskiajalla luonnontieteiden lama • Descartes (1596-1650): mekanistisuus • Teollistumisen aikakausi • Nikolai Teslan kauko-ohjattava vene [Pbs04]

  5. (*) Teslan patenttihakemus: radio-ohjattava vene (1898) [Pbs04] • Veneen ohjausmotoriikkaan lisätty loogisia portteja ja radiovastaanotin • Ohjaajalla radiolähetin, jolla käskyt välitettiin

  6. 1950-1965: Robotiikan synty

  7. 1950-60 -luku: Ensimmäiset robotit • Aluksi kauko-ohjattavia sähkömekaanisia koneita • Walterin kilpikonnat 1951 [Sab99, Mor01-> Wal63] • 1955: kinemaattiset yhtälöt, robotiikan murros [Cri85 -> Den55]

  8. (*) Walterin kilpikonnat (1951) • Yksinkertainen rakenne, monimutkaiselta vaikuttava käyttäytyminen (emergenssi) (kuvat [Sab99])

  9. Kinematiikka & homogeeniset matriisit (1955) 1/2 • Välitön ja merkittävä vaikutus robotiikkaan • Suora kinematiikka: Määritä ketjun jäsenten karteesiset koordinaatit • Käänteiskinematiikka: Etsi ketjun linkkien paikalliset konfiguraatiot halutun lopputilan saavuttamiseksi • yleistapaus NP-kova, lisärajoituksilla laskettavissa [Rei87]

  10. (*) Kinematiikka ja homogeeniset matriisit (1955) 2/2 • Kinemaattisen ketjun käytännön sovellus: Stanford Arm, V. Sheinman 1969 ([Cri85])

  11. Tietojenkäsittelytieteen ja robotiikan yhteistyö alkaa • Yleistyvät teollisuusrobotit; erit. Unimate (kuva [Rho]) • Magneettiset rumpumuistit, yksinkertaiset tietokoneet (sekvensserit) • Pystyivät suorittamaan hyvin määriteltyjä tehtäviä kohtuullisen varmasti

  12. 60-80-luku: Symbolinen tekoäly

  13. Symbolisen tekoälyn aikakausi • Tekoälyn – ja älykkäiden toimijoiden – ongelmaa lähestyttiin ylhäältä käsin, symboliselle logiikalle perustuvasta suunnittelusta • Ongelmat oli abstrahoitu äärimmäisen pelkistetyiksi • Toimintaympäristö abstrakti, usein simuloitu • Robotiikka eriytyi tekoälyn käytännön sovelluksiksi • Sensoritieto, päättely, ymv. käsiteltiin aluksi keskuskoneissa • Stanfordin Shakey 1969

  14. Shakey 1/2 • 1960-luvun loppu • Konkretisoi Sense-Plan-Act –arkkitehtuurin (kuva mukailtu [Bro91]) • STRIPS (Stanford Research Institute Problem Solver)

  15. (*) Shakey 2/2 ([Gri97])

  16. (*) Robottien havaintomaailma 1970-luvulla • Robotit olivat yhteydessä ulkomaailmaan monin tavoin • sensorit • etäisyysmittarit, kosketussensorit • odometria (matkamittari) • kamerat • televisiokamerat • datayhteys • varhaisissa roboteissa ”logiikka” oli sijoitettu erillisiin keskusyksikköihin, joille havainnot välitettiin

  17. Pettymys suuriin lupauksiin • 80-lukua lähestyttäessä ymmärrys alan perusongelmista syveni • Monien keskeisten ongelmien laskennallinen vaatimus määriteltiin tarkasti • 80-luvun alussa havaittiin, ettei symbolinen tekoäly sittenkään ollut robotiikan ”taikaluoti” • reaalimaailma sangen monimutkainen systeemi • Tilanne ei vaikuttanut rohkaisevalta • NASA:n rahoitus loppui 1979

  18. 1985-2004: Murros ja uusi aika

  19. Subsumptioarkkitehtuuri [Bro86] • R. Brooks esitteli 1986 täysin uudenlaisen robottiarkkitehtuurin • Itsenäiset, rinnakkain toimivat moduulit (kuva muk. [Bro91]) • Ei eksplisiittisiä malleja maailmasta • Subsumptio: korkean tason moduuli pystyy tarvittaessa interferoimaan alemman tason toiminnan kanssa

  20. (*) Genghis • Neljä 8-bittistä prosessoria; 3 jalkaparia; lämpösensoreita; aktuaattorit ja moottorit • Käveli epätasaisessa maastossa, seurasi lämpökohteita • Toiminta oli reaaliaikaista ja vikasietoista

  21. Reaktiivinen malli 1/2 • Subsumptiolle perustuva Genghis suoritti monimutkaisia perustason toimintoja tuntemattomassa ympäristössä reaaliajassa • Tekoälylle perustuva vanha robotiikka ei ollut onnistunut tuottamaan mitään vastaavaa • Reaktiivinen lähestymistapa vaikutti lupaavalta

  22. Reaktiivinen malli 2/2 • Ongelmia: • Sisäinen maailmanmalli puuttui: tehtävien suunnittelu mahdotonta • Käyttäytymismalli ei ollut hyvin formalisoitu (tarvitseeko olla?) • Tuotti kuitenkin uuden, hedelmällisen näkökulman myöhempää tutkimusta varten

  23. Kohti 2000-lukua • Sisäisten mallien (karttojen) tutkimus laajeni • Monikerrosarkkitehtuurit, jotka lainasivat reaktiiviselta ja symboliselta robotiikalta [Fir98] • Sensoritekniikka parani ja muuttui halvemmaksi • Konetehon kasvu mahdollisti robottiin istutettavat tietokoneet • monimutkaisiakin laskennallisia ongelmia voitiin käsitellä reaaliajassa ja paikallisesti

  24. (*) Robottien havaintomaailma 2000-luvulle saavuttaessa • Teknologia arkipäiväistyi, hinnat laskivat • sensorit • lämpösensorit, etäisyysmittarit (laser ja sonar), kosketussensorit • kamerat • digitaaliset kamerat ja stereokamerat • datayhteys • paikallinen tietojenkäsittely; tietoliikenneyhteys muihin robotteihin; kommunikointia myös ihmisten kanssa

  25. (**) Käytettävissä olevan laskentatehon kehitys ([Mor01])

  26. (*) Ympäristön esitystavan kehitys 1/3 • Elfesin [Elf89] varausruudukko oli ensimmäinen yritys kuvata toimintaympäristö tarkasti • Pohjana NxN-ruudukko, jonka solut sisälsivät varaustodennäköisyy-den

  27. (*) Ympäristön esitystavan kehitys 2/3 • Thrun [Thr96] kehitti karttamallin, jossa yhdistyivät topologinen ja metrinen esitystapa • Pohjana metrinen kartta; Voronoi-kaavion avulla muodostettiin vastaava topologinen verkko

  28. (*)Ympäristön esitystavan kehitys 3/3 • Tomatis [Tom02] ehdotti kevyempää hybridimallia • Kaksitasoinen toteutus: globaali topologinen kartta, lokaali metrinen kartta

  29. Nykytutkimus • Rakentuu suppean huipun sijaan laajalle pohjalle (symbolinen tekoäly vs. reaktiivisuus, dynaamiset mallit, oppiminen) • Käytännön sovellukset vielä harvassa • Robottien ryhmätyöskentely • Viihdekäyttö ja sosiaaliseen vuorovaikutukseen kykenevät (humanoidi-)robotit

  30. Kaupallisia sovelluksia • Tieteellinen työ • Mars-mönkijät • Arkikäyttö • Imurirobotti Trilobite (2003) • Viihdekäyttö ja näytössovellukset • Aibo-robottikoira (1999) • Humanoidirobotti ASIMO (2002)

  31. (*)Trilobite (2003) • Reaktiivinen arkkitehtuuri, jossa hybridipiirteitä • Toimii arkisessa, muuttuvassa ympäristössä luotettavasti • Navigoi kaikuluotaimien avulla, apuna puskurisensori • Osaa hakeutua lataamoon tarvittaessa

  32. (*) Aibo (1999) • Havainnoi maailmaa kameran avulla • Oppiva järjestelmä • Keinoelämän sovellus, alkeellinen sosiaalinen interaktio • Avoin rajapinta: ohjelmointi mahdollista

  33. (*) ASIMO (2002) • Humanoidirobotti • Kävely (1.6 km/h), portaiden käyttö • Reagoi ympäristön dynaamisiin muutoksiin • Kasvojentunnistus, äänentunnistus, Internet-yhteys • Kuriositeetti, paljon vielä tutkittavaa • Hondan kehitystyö alkoi 1986 • mutta ihmiskävelyn onnistunut jäljitteleminen on suuri saavutus

  34. Yhteenveto 1/2 • Ajatus ihmistyöhön kykenevästä koneesta vanha • Perusongelmia • Toimintaympäristön luontainen epävarmuus • Käsiteltävän informaation määrä • Reaaliaikaisuusvaatimus • Neljä aikakautta • Esihistoria: Robotiikan mekaaniset perusteet • 1950-luku: Ensimmäiset toimivat teollisuusrobotit • 1960-80: Symbolisen tekoälyn aikakausi • 80-luvulta nykypäivään: Reaktiivisten järjestelmien vallankumous, monikerrosarkkitehtuurit, arkisovellukset

  35. Yhteenveto 2/2 • Matkan varrella opittua • Konetehon kasvulla suora vaikutus alaan • Oleellisen tiedon erottaminen epäoleellisesta on oleellista, mutta vaikeaa • Muiden tieteiden tutkimustulokset usein hyvin käyttökelpoisia • Tutkimukseen syytä suhtautua kriittisesti • Tulevaisuus: korkean tason autonomia, sosiaalinen vuorovaikutus, ryhmätyöskentely

  36. Viiteet [Bro86] Brooks, R., A Robust Layered Control System for a Mobile Robot, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. 2, No. 1, March 1986 [Bro89] Brooks, R.A., A Robot that Walks: Emergent Behaviors from a Carefully Evolved Network, IEEE International Conference on Robotics and Automation, Scottsdale, AZ, May 1989, pp. 292–296 [Bro91] Brooks, R., New Approaches to Robotics, Science, No. 253, September 1991, pp. 1227-1232 [Bro99] Brooks, R. et al., The Cog Project: Building a Humanoid Robot, Computation for Metaphors, Analogy, and Agents, C. Nehaniv, Ed. Lecture Notes in Artificial Intelligence 1562. Springer Verlag, New York, 1999, 52-87 [Cri85-1] Critchlow, A.J., Introduction to Robotics, Macmillan, New York 1985 [Den55] Denavit, J., Hartenberg, R.S., A Kinematic Notation for Lower Pair Mechanisms Based on Matrices, Journal of Applied Mechanics, Vol. 22, pp. 215-221, 1955 (viitattu [Cri85]) [Elf89] Elfes, A., Using Occupancy Grids for Mobile Robot Perception and Navigation, IEEE Computer, Vol. 22, No. 6, June 1989 [Fir89] Firby, R.J., Adaptive Execution in Complex Dynamic Worlds, Ph.D. Thesis, Yale University Technical Report, YALEU/CSD/RR #672, January 1989 (viitattu [Fir98]) [Fir98] Firby, R.J., Prokopowicz, P.N., Swain, M.J., The Animate Agent Architecture, Artificial Intelligence and Mobile Robots: Case studies of successful robot systems, Kortenkamp, D., Bonasso, R.P., Murphy, R. (ed.), Artificial Intelligence and Mobile Robots, pp 243-275. AAAI Press, Menlo Park, CA, 1998. [Gri97] Griffith, T., http://www.cc.gatech.edu/classes/cs3361_97_winter/strips.txt (1.4.2004) [Mat] The MacTutor History of Mathematics archive, http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/ (1.4.2004) [Rho] Robot Hall of Fame, Carnegie Mellon University, http://www.robothalloffame.org (1.4.2004) [Mor01] Moravec, H., Robots, Re-Evolving Minds at 10^7 Times Nature’s Speed, Cerebrum, v3n2, Spring 2001, pp. 34-39, http://cart.frc.ri.cmu.edu/users/hpm/project.archive/robot.papers/2000/Cerebrum.html (1.4.2004) [Pbs04] Tesla Resources, http://www.pbs.org/tesla(1.4.2004) [Rei87] Reif, J., Complexity of the Generalized Mover’s Problem, Planning, Geometry and Complexity of Robot Motion (toim. Schwartz, J.T., Sharir, M., Hopcroft, J.), Ablex Publishing Corporation, New Jersey, 1987 (alkup. artikkeli 20th Annual IEE Symposium on Foundations of Computer Science, Puerto Rico, October 1979) [Sab99] Sabbatini, R., W. Grey Walter: The Machina speculatrix, 1999 http://www.epub.org.br/cm/n09/historia/documentos_i.htm (1.4.2004) [Wal63] Walter, G., The Living Brain, Duckworth 1963 (viitattu [Mor01][Sab99])

  37. Kuvalähteet • Rene Descartes: http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/PictDisplay/Descartes.html (1.4.2004) • Asimov & Engelberger: • Trilobite:http://www.avantel.se/Trilobitee_f.htm (1.4.2004) • Asimo: Honda • Aibo: Sony • Genghis: http://www.ai.mit.edu/projects/genghis/genghis.html (1.4.2004) • Genghis kytkentäkaavio: [Bro89]

More Related