Карпов Валерий Эдуардович НИИ Информационных технологий Москва Павловский

Карпов Валерий Эдуардович, НИИ Информационных технологий, Москва Павловский Владимир Евгеньевич, Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РОБОТЫ 1

Мифы интеллектуальной робототехники Миф 1. По-отдельности создано все необходимое для создания интеллектуального робота (ИИ-механизмы, «железо» ). Осталось собрать все воедино. Миф 2. Интеллектуальные роботы уже существуют (особенно если верить СМИ). Дело лишь за тем, чтоб повысить их интеллектуальность и перейти на их массовый выпуск. Миф 3. Уже более полувека нет качественно новых идей и разработок. Все качественно новое было разработано уже давно. Миф 4. То, что было «создано» - не более чем иллюзия. Прорыв в интеллектуальной робототехнике только грядет. 2

Часть 1. Определения 2. Интеллектуальные СУ 3. Имитация физиологии 4. Имитация эмоций и психических функций 5. Интегральный подход 6. Нерешенные задачи и перспективы ------------------------------------------ Задачи движения Общение Коллективное поведение Спортивная робототехника 3

Кто из них – интеллектуальный робот? Asimo (1) (2) Робот-сумоист Лего-робот (1) (2) Робот пылесос 4

Определения. Робот Р - автомат, у которого связь с внешней средой не жесткая (рецепторы получают возможность переключаться с одного источника информации на другой) и эффекторы которого тоже являются управляемыми и могут воздействовать на различные объекты внешней среды. Р обладает целенаправленным поведением и умеет различать объекты внешней среды. Р – машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром. Р – это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач. 5

Определения. Интеллектуальный робот Замечание 1. Основная цель любого определения, как и любой классификации, - дать возможность различать между собой объекты, соотнося их к тому или иному классу. Замечание 2. ИР следует рассматривать как некий многомерный объект, с разных точек зрения, с позиций разных координатных осей. Многомерная система определений 6

Определения. Интеллектуальный робот А. Функционально-перечислительные определения 1. ИР - робот, у которого имеется: Иерархия уровней управления – стратегического, тактического и исполнительного. Наличие моделей внешнего мира (внутренней среды). Наличие развитой рецепторной системы. Способность к распознаванию образов. . . . 2. ИР – это робот, в состав которого входит интеллектуальная система управления. Б. Бихевиористские определения Упрощенное определение 1. Робот является интеллектуальным, если его поведение выглядит внешне «разумным» , «осмысленным» и т. п. (некий Тезис Тьюринга применительно к робототехнике). Развернутое определение 2. 1. ИР должен обладать способностью решать задачи, сформулированные в общем виде. 2. Поведение ИР выглядит внешне «разумным» , «осмысленным» и т. п. 3. Действия ИР обладают некоторыми признаками человеческого поведения: датчики собирают информацию о предметах окружающего мира, их свойствах и взаимодействии; на основе этих данных СУ формирует модель внешнего окружения и принимает решение о последовательности действий, которые реализуются исполнительными механизмами. 7

Определения. Интеллектуальный робот В. Структурное определение (В. К. Финн) ИР - это когнитивная система, обладающая возможностью действия после принятия решения. КС - это ИС с подсистемой получения информации посредством мониторинга окружающей среды, т. е. устройства восприятия. ИР = ИС + подсистема восприятия + подсистема действия 8

Специфика ИР Будем понимать под ИР техническое устройство, способное самостоятельно и целенаправленно функционировать в условиях реальной физической среды и адекватно реагирующее на происходящие в среде изменения. Очевидная специфика интеллектуальной СУ робота: получение максимально быстрого, пусть и неточного, решения; функционирование в условиях неполноты, неточности и зачастую противоречивости входной (рецепторной) информации; неточность выполнения действий. Особенностью ИР является вторичность высокоуровневой системы управления. Основное свойство ИР, как технического устройства, - способность к самосохранению (инстинкт самосохранения). Речь идет о наличии базовых рефлексов => ИР должен обладать способностью «разумного» поведения прежде всего на базовом, рефлекторном уровне. Это не только реализация базовых рефлексов, но и способность к анализу состояния вторичных рецепторов, позволяющий роботу распознавать опасные ситуации (интеллектуальный анализ данных). ИР должен обладать способностью функционирования и без высокоуровневого контура управления. 9

Из истории "In from three or eight years we will have a machine with the general intelligence of an average human being. A machine will be able to read Shakespeare, grease a car, play office politics, tell a joke. At that point the machine will begin to educate itself with fantastic speed. In a few months it'll be at genius level and a few months after that its powers will be incalculable. " Marvin Minsky, 1970. "Через три - восемь лет мы создадим робота с интеллектом, равным интеллекту обычного человека. Эти роботы смогут читать Шекспира, смазывать машину, работать в офисе и рассказывать анекдоты. Они будут самообучаться с фантастической скоростью и через несколько месяцев они станут гениями. А еще через несколько месяцев их возможности станут безграничными. " Марвин Мински, 1970 10

Взгляд на проблематику ИР Зачем нужно создавать именно антропоморфных (человекоподобных) роботов? 1. Роботы, как устройства, выполняющие некую присущую человеку работу функционируют в человеческой среде обитания. Роботы должны уметь вписываться в габариты человеческого жилища, пользоваться человеческим окружением (двери, лестницы, выключатели и т. п. ). Это подразумевает как минимум необходимость выдерживания массогабаритных характеристик робота. 2. Робот должен общаться с человеком => необходимость наличия «естественного» , «человеческого» , антропоморфоного интерфейса. Факторы, определяющие необходимость антропоморфности робота: человеческая среда обитания; естественность интерфейса. Еще один аспект антропоморфности: решая «человеческие» задачи, обладая естественным, человеческим интерфейсом общения, робот не может не иметь своего рода «человеческих черт» , (внешний вид, эмоциональная подстройка, мышление). Таким образом, исходя из требования антропоморфности робота, мы почти ничего не будем говорить далее о роботах-пылесосах, о роботах-автомобилях и т. п. 11

1. Определения Часть 2. Интеллектуальные СУ 3. Имитация физиологии 4. Имитация эмоций и психических функций 5. Интегральный подход 6. Нерешенные задачи и перспективы 12

Стэнфордские роботы. Шейки 1969 г. Стэнфордский (SRI) интегральный робот Шейки (Shakey). Бортовая ЭВМ SDS-940, телекамера, дальномер и датчики столкновения Радиоканал со стационарными ЭВМ PDP-10 и PDP-15. Скорость перемещения - 2 метра в час. В роли модуля планирования для робота – система STRIPS (STanford Research Institute Problem Solver), 1971, Р. Файкс и Н. Нильсон. 13

Робот STAIR: STanford Artificial Intelligence Robot Artificial Intelligence Laboratory, Computer Science Department, Stanford University STAIR - это робот, способный ориентироваться в домашнем и офисном окружении, взаимодействовать с предметами и инструментами, общаться и помогать людям в этой окружающей среде. Предполагается, что единая платформа объединит методы из всех областей ИИ, включая машинное обучение, зрение, навигацию, манипуляцию, планирование, рассуждение и речевое общение на естественном языке. Проект должен стать основой исследований в области создания интегральных систем ИИ. 14

STAIR. Декларации Должен быть создан робот, способный решать такие задачи, как: Принесение или расстановка предметов внутри дома или офиса. Уборка комнат, включая выбрасывание мусора и использование посудомоечной машины. Приготовление пищи в обычной кухне. Использование инструментов для сборки книжной полке. … «Робот, способный решать эти задачи, произведет революцию в домашней и офисной автоматизации и будет иметь важные применения – от домашнего помощника до работ по уходу за пожилыми людьми. » Проект затрагивает такие области, как: интегральное обучение, манипуляционные функции, восприятие (перцепции), речевое общение, рассуждения. 15

STAIR. Внутреннее устройство Направления исследований (по публикациям) Высокоточное 3 D-восприятие для манипуляционных функций (определение местоположения и обнаружение предметов, открывание дверей) Ориентация трехмерных объектов по изображениям Захват на основе ближних оптических сенсоров Обучение стратегиям захвата на основе частичной информации о форме Сбор данных и процедуры распознавания объектов (по имеющейся БД изображений – реальных и «синтетических» ) Захват предметов на основе зрения Вероятностные манипуляционные методы в динамических средах (применительно к открыванию дверей) Оценка глубины с использованием монокулярного и стерео- зрения • БД изображений • Дальномеры и лазерные сканеры • 3 -D-зрение • Карта помещений 16

STAIR. Демонстрации STAIR-Dishwasher. wmv STAIR-Door. Opening. wmv STAIR-Elevator. wmv STAIR-Grasp. wmv STAIR-Manipul. Grasping. Novel. Objects. mp 4 STAIR-Stapler. wmv STAIR-Line-scanning. mp 4 17

Эволюционные методы Общая схема применения эволюционных методов (в т. ч. – ГА и явное ЭМ) при создании интеллектуальных СУ: 18

Генетические алгоритмы Laboratory of Intelligent Systems (политехническая школа, Лозанна, Швеция). Группа из 10 роботов. Состязания за пищу. s-бот: 12 x 15 см. ; процессор Xscale 400 MHz, 64 MB ОЗУ, 32 MB флеш, 12 PIC микроконтроллеров для низкоуровневой обработки. Искусственная эволюция проходила в симулирующей среде Enki, где и роботы и их сенсоры моделировались. Затем был использован эволюционный фреймворк роботов Teem для эволюции лучших котроллеров, которые затем были перенесены на реальных роботов. 19

Задача - поиск «источника пищи» (светящееся кольцо) На другом конце арены - более темное кольцо ( «отравленное» ) Роботы: ИНС. 11 сенсорных нейронов и 3 мотонейрона (колеса и свет). Нейроны соединены с помощью 33 синапсов, и мощность сигналов каждого синапса контролировалась одним восьмибитным геном. Т. о. , каждый робот имеет 264 -битный геном, который контролирует, как он будет реагировать на информацию, поступающую с сенсоров. Видео 20

Эволюционное моделирование Задача обучения движению робота по полосе 21

Эволюция управляющего автомата Обучение с учителем Обучение без учителя 22

Динамический ДСМ позволяет работать в открытой среде с неизвестным заранее количеством примеров и автоматической классификацией примеров с помощью оценочной функции. Множество обучающих примеров – это множество пар вида E={ei}={(Xi, ui)}, где Xi - вектор сигналов рецепторов, ui – вектор управления (состояние исполнительных механизмов). 23

Динамический ДСМ Гипотезы - множества пар вида: G={gi}= {{xi, yi}}, где xi – часть вектора сигналов рецепторов, yi – требуемый вектор управления. Например, для движения по полосе можно задать следующую оценочную функцию F = (Photo 1=ON) AND ((Motor. Left=ON) OR (Motor. Right=ON)) В результате пересечения обучающих примеров были получены три минимальные гипотезы (работают датчики 2 и 3). 24

Искусственные нейронные сети 1943 г. , У. Мак-Каллок и У. Питсом, формальная модель нейрона ----------------- Индустрия ИНС Спинной мозг и решение интеллектуальных задач Большой пирамидный нейрон (интеллектуальный нейрон), В. Б. Вальцев 25

Интеллектуальный нейрон. Брейнпьютер Задача планирования поведения робота 26

1. Определения 2. Интеллектуальные СУ Часть 3. Имитация физиологии 4. Имитация эмоций и психических функций 5. Интегральный подход 6. Нерешенные задачи и перспективы 27

Имитация Физиология Эмоции Движение Антропоморфность: ИР как физический объект в человеческой среде ИР как участник общения 28

Физиология. Мышцы Festo, Германия Пневмоавтоматика Электропривод Твердотельные мышцы 29

Имитация анатомического строения человека ECCERobot (Embodied Cognition in a Compliantly Engineered Robot). Имитация скелета и мышечных тканей. Европейский проект. 30

Двигательные функции. Шагающие роботы Робот Runbot, Геттингенский университет 31

Runbot В роботе воспроизведен механизм ходьбы человека и животных, как его описал в 1930 -е годы физиолог Николай Бернштейн. Головной мозг включается в процесс регулирования ходьбы, только когда заданные параметры, такие как рельеф или наклон поверхности, меняются. Остальное время движением управляют локальные нервные цепочки. В Runbot базовые шаги контролируются за счет данных, передаваемых сенсорами на суставах и ступнях машины. Локальные контрольные устройства не допускают чрезмерного напряжения суставов и выдают команды на начало каждого следующего шага. 32

Runbot. Естественность движений 1 -3: Робот приподнимается на опорной ноге, и моторчик заносит вторую ногу вперед в согнутом положении. 4: Сенсор растяжения ноги активируется. Коленный сустав распрямляется. 5 -6: Робот естественным образом заваливается вперед (при этом моторные функции не задействуются) и становится на ногу, которая будет опорной при следующем шаге. 6: Когда нога касается земли, сенсор контакта с землей включает коленный сустав второй ноги. Ноги меняются ролями 33

1. Определения 2. Интеллектуальные СУ 3. Имитация физиологии Часть 4. Имитация эмоций и психических функций 5. Интегральный подход 6. Нерешенные задачи и перспективы 34

Имитация эмоций и психических процессов Основная задача исследований в этом направлении - создание эффективного человеко-машинного интерфейса, удобной, комфортной среды общения. Речь пока идет именно о внешней имитации эмоций и некоторых психических процессов. 35

Внешнее «очеловечение» Проект CB 2 (Япония, Osaka University). Вес - 33 кг. , высота - 1, 3 м. 51 пневматическим привод, микрофоны, видеокамеры, 200 тактильных датчиков. ------------------Проект Nexi (Массачусетский технологический институт, США) ------------------Задачи: Комфортный интерфейс Задачи обучения 36

Индустрия «эмоциональных» роботов Персональный робот «Социальная» робототехника Проявление эмоций Распознавание цвета Видео 37

Имитация психических процессов Проект JAST (Joint-Action Science and Technology). Трансъевропейский проект. Цель – создание комфортного психологического интерфейса Отработка путей организации работы тандемов человек-робот Мысленное копирование действий партнера помогает человеку осознать их и выявить возможные ошибки. Это свойство психики сымитировано в нейронных цепях робота (специалисты JAST называют это также «резонансной обработкой» ). 38

Копирование действий партнера Робот фиксирует поведение партнера, сверяет его с картой задач и быстро учится предвидеть действия партнёра и отмечать ошибки, когда человек не следует ожидаемым процедурам. 39

1. Определения 2. Интеллектуальные СУ 3. Имитация физиологии 4. Имитация эмоций и психических функций Часть 5. Интегральный подход 6. Нерешенные задачи и перспективы 40

Интегральный подход. Модель Бернштейна 2 тезиса: Интеллект не существует абстрактно, без «тела» «В процессе эволюции соматической системы определяющим звеном являются всё же эффекторные функции. Судьбу индивидуума решают его действия. Рецепторика здесь представляет собой уже подсобную функцию. <…> Нигде в филогенезе созерцание мира не фигурирует как самоцель. Они <рецепторы> процессуально обеспечивают полноценную координированную работу эффекторов» (Н. А. Бернштейн) 41

Построение движений Для построения движений различной сложности «команды» отдаются на иерархически различных уровнях нервной системы. При автоматизации движений эта функция передается на более низкий уровень. • Уровень А - уровень тонуса (палеокинетических регуляций). Расположен в спинном мозге. Тонус мышц. • Уровень В - уровень мышечно-суставных увязок (синергий и штампов). Обеспечивает способность вести высокослаженные движения всего тела, вовлекающие в согласованную работу многие десятки мышц. • Уровень С - уровень пространства. Обеспечивает целевые перемещения в пространстве, сложные и подражательные движения. • Уровень D - уровень действий. Обеспечивает выполнение действий - целых цепочек последовательных движений, которые все вместе решают ту или другую двигательную задачу. Для уровня D характерно доминирование левого полушария. • Группа Е - уровни, лежащие выше уровня D. Обеспечивает символические действия (речь и письмо); двигательные цепи, объединенные не предметом, а отвлеченным заданием; предметные действия, для которых предмет является не непосредственным объектом, а средством для воспроизведения в нем или с его помощью абстрагированных, непредметных соотношений. 42

Схема познавательных процессов Бернштейна -Величковского А и В. Стабилизация состояния организма субъекта (минимизация дискомфортных состояний) и формирование первичных систем отсчета и семантических контекстов; С. Объединяет познавательные процессы, связанные с регуляцией перемещений организма как целого; D. Ответственен за ориентацию в ближайшем окружении и включает схематическую организацию знаний и семантические контексты действий, часть из которых врожденная, а значительная часть приобретена жизненным опытом и специальным обучением; Е. Обеспечивает сохранение значительной части удерживаемой семантической памятью сведений невербального и вербального характера, включает структуры вербальных семантических описаний и произвольной их актуализации, например, при оценке уровня детализации представления знаний и интеллектуальной компетентности; F. Уровень обеспечения интеллектуальной активности посредством метапроцедур для образных компонентов концептуальных структур (представливание, вращение, трансформация), вербальных (воспроизведение, описание, метафоризация) и универсальных (понимание, рекурсия, аналогия). 43

Некоторые теоретические выводы Мыслительные процессы всегда происходят на фоне более глобальных эмоциональных состояний ( «Любой дискомфорт на уровне А может либо повысить интенсивность мыслительной деятельности человека, либо заставить переключиться на размышления о другой проблеме, например, связанной с собственным здоровьем» ). Обучение начинается на верхнем уровне. Результат обучения переходит на уровень рефлекторных реакций. Генерация новых знаний, различных вербальных пространств всегда ограничена уровнем знаний нижележащего уровня «Разум есть сложный инстинкт, не успевший еще сформироваться» (А. и Б. Стругацкие, Пикник на обочине) 44

Робототехника и ИИ См. таблицу Шиклоши 45

Некоторые практические выводы Схема «Организм-среда» 46

Центральные моторные программы Схема управления пищевым поведением виноградной улитки Генератор локомоторного ритма у таракана U-модуль Схема поведения робота ( «свет-голод» ) 47

Проблема обучения ЦМП Импринтинг условия, определяющие целесообразность механизма импринтинга: Наличие среды с неизвестными характеристиками (параметрами). Наличие у особи встроенной (априорной) программы или модели поведения в критический период функционирования. Эта модель должна быть: параметризированной; адаптивной. - Обучение сверху -вниз - Все узлы (Uмодули) содержат заданные априори модели поведения (ЦМП), Видео 48

1. Определения 2. Интеллектуальные СУ 3. Имитация физиологии 4. Имитация эмоций и психических функций Часть 5. Интегральный подход Часть 6. Нерешенные задачи и перспективы 49

Нерешенные задачи и перспективы Нерешенные задачи Единая (интегральная) теория построения ИР Технические проблемы: Питание Мышцы ОС для роботов Модельные задачи Некоторые перспективные направления интеллектуализации роботов Социальная робототехника. Развитие моделей коллективного поведения, формирование законов социального поведения роботов. Межмашинное общение. Создание условий, при которых может возникнуть коммуникативные функции в коллективе роботов. Реализация механизма эмоций (эмоции, как усилитель мотивации). 50

Далее Задачи движения Общение Коллективное поведение Спортивная робототехника 51

Карпов Валерий Эдуардович, НИИ Информационных технологий, Москва Павловский Владимир Евгеньевич, Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РОБОТЫ 52

ИИ-СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ (ХОДЬБОЙ) ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ ГРУППОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ, СТАЯ СОРЕВНОВАНИЯ РОБОТОВ 53

ИИ-СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ (ХОДЬБОЙ) 54

ИИ-СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ (ХОДЬБОЙ) - прямой кинематиченский и динамический синтез - биологические прототипы - методы поиска решений в многомерных пространствах состояний по целевому критерию, NN-regulation, reinforcement learning 55

УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИНОГИМ ШАГАЮЩИМ РОБОТОМ ИПМ – ЛМИ ИПМ - ВНИИТМ Макеты шестиногого шагающего робота (1975) 56

УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИНОГИМ ШАГАЮЩИМ РОБОТОМ Макеты шестиногого шагающего робота (ИПМ, 2005) 57

УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИНОГИМ ШАГАЮЩИМ РОБОТОМ Режимы системы управления – регулярный, экстремальный Элементарные действия: 1. Выбор пути (планирование маршрута). 2. Управление линией визирования дальнометрического сенсора. 3. Построение модели рельефа. 4. Выбор положения корпуса. 5. Выбор следовых точек. 6. Выбор следового расписания по картине опорного контура с Ц. М. 7. Разгон, торможение, постоянство скорости центра масс. 8. Формирование движения опорных и переносных ног. 9. Управление двигателями. Принципы организации системы управления 58

УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИНОГИМ ШАГАЮЩИМ РОБОТОМ Примеры регулярных волновых походок последовательная походка диагональная походка трешки Biological inspired: биологические схемы организации походок 59

УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИНОГИМ ШАГАЮЩИМ РОБОТОМ Biological inspired: шагающие роботы для экстремальных режимов движения - робот с “ломающимся корпусом” 60

УПРАВЛЕНИЕ ШЕСТИНОГИМ ШАГАЮЩИМ РОБОТОМ Biological inspired: шагающие роботы для экстремальных режимов движения - робот с “мозаичным корпусом” 61

УПРАВЛЕНИЕ АНДРОИДНЫМ РОБОТОМ АР-100, роботы-прототипы 62

УПРАВЛЕНИЕ АНДРОИДНЫМ РОБОТОМ Моделирование. Прямая задача динамики. 63

УПРАВЛЕНИЕ АНДРОИДНЫМ РОБОТОМ Моделирование. Прямая задача динамики. 64

ЭКСПЕРИМЕНТЫ. МОДЕЛИРОВАНИЕ. Моделирование движения под контролем зрения. Справа – поле зрения камеры СТЗ. 65

УПРАВЛЕНИЕ ХОДЬБОЙ МЕТОДЫ ПОИСКА РЕШЕНИЙ В МНОГОМЕРНЫХ ПРОСТРАНСТВАХ СОСТОЯНИЙ - синтез походки андроида как нейросетевого регулятора, идея: тренировка регулятора по заранее подготовленному “рисунку” походки; - синтез походки андроида методом reinforcement learning идея: отбор “правильных” решений (устойчивость, корректная ходьба) из первоначально хаотического рисунка движения. 66

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ 67

Примеры возможных решений: - голосовой интерфейс - жестовый интерфейс - специальные интерфейсные решения (перчатки, контакторы, трехмерные манипуляторы, и т. п. ) 68

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ Робот БЕРТИ (BERTI) в Лондонском музее наук 69

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ Имя Берти - это аббревиатура, образованная сокращением слов Bristol Elumotion Robotic Torso 1. Робот пробудет в музее недолго, но за то время, что он будет пребывать в музее любой посетитель может поиграть с ним, для этого необходимо надеть специальную перчатку с датчиками движения. Робот умеет разговаривать "компьютерным голосом" и владеет несколькими жестами, правда словарный запас андроида невелик и жесты разнообразием не отличаются. Данному роботу около двух лет от роду, его разработчиками является компания Elumotion, построившая робота в сотрудничестве с Бристольской робототехнической лабораторией. Создатели надеются, что Берти поможет им создать искусственный интеллект самого высокого уровня. Компания работает над роботами-андроидами, с которыми можно будет легко общаться. Такие как Берти роботы могут быть полезны при создании протезов для людей, а также при выполнении опасных для жизни работ, например, саперных или работ на большой высоте. Робот БЕРТИ (BERTI) в Лондонском музее наук 70

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ Специалисты государственного университета Чень-Кунь (Тайвань) объявили о создании самого маленького в мире робота, управляемого голосовыми командами. Машина, рост которой составляет всего 15 сантиметров, построена на базе коммерческой гуманоидной платформы Ge. Stream Be. Robot; она имеет 16 степеней свободы, интегрированную камеру, а также программную часть, способную интерпретировать команды на нескольких языках и осуществлять несколько тысяч возможных действий. Кроме того, предусматривается возможность не только управлять роботом в режиме реального времени, но и программировать его на выполнение последовательных действий. Голосовое управление роботом университета Чень-Кунь (Тайвань) 71

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ Компания BMW представила систему голосового управления для навигации в автомобиле. Как говорится в официальном пресс-релизе, с этой системой водитель будет нуждаться только в одной команде. Ожидается, что прокладка маршрута будет осуществляться при произнесении нужного адреса вслух. Параллельно с навигационной представлена также новая мультимедийная система, которая также управляется голосом. На всех новых автомобилях BMW данные системы станут доступны с конца 2009 года. Навигатор BMW с голосовым управлением 72

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ Разработчики университета Брауна продемонстрировали возможность отдавать машине невербальные команды в любой обстановке, что обеспечивается расширением стандартного алгоритма цифровой идентификации объектов. Датчик глубины объекта был изготовлен при помощи инфракрасной камеры; робот, оснащенный таким модулем, постоянно анализирует внешнюю обстановку, вычленяя из всех объектов оператора и следя за его движениями, опознает отдаваемые им жестовые команды. Жестовый интерфейс университета Брауна, Провиденс, США 73

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ P 5 состоит из двух частей - собственно перчатки (это, скорее, даже не перчатка, а накладка на руку) и базовой станции. Базовая станция включается в порт USB и не требует внешнего питания. Перчатка включается проводом в базовую станцию. На тыльной стороне "ладони" расположено 8 инфракрасных светодиодов (что характерно, цифровая камера их не "видит", хотя свет от обычного пульта ДУ она видит великолепно), которые позволяют базовой станции отслеживать перемещения руки в пространстве. HAPTIC интерфейс. Компьютерная перчатка P 5. 74

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ В базовой станции находятся две инфракрасные камеры - это позволяет более надежно следить за перчаткой и точно определять расстояние до нее. Зона видимости базовой станции составляет 45° по вертикали и горизонтали и около полутора метров в "глубину". В этом конусе P 5 может отслеживать координаты руки по всем трем осям с точностью до 0. 6 см (на расстоянии 60 см от базы), а также поворот и наклон ладони с точностью до 2 град. Опрос координат происходит с частотой 40 гц (задержка составляет 12 миллисекунд). HAPTIC интерфейс. Компьютерная перчатка P 5. 75

ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС В РОБОТИКЕ Кроме светодиодов системы слежения в перчатке имеется пять резиновых "пальцев" с датчиками изгиба. К руке они крепятся пластиковыми кольцами и измеряют изгиб с точностью в 1. 5 град. Еще на тыльной стороне перчатки имеется четыре кнопки, одна из которых - программируемая (остальные служат для калибровки, включения/выключения и переключения режимов работы). Таким образом, в терминах джойстика P 5 имеет 11 аналоговых осей и одну кнопку. HAPTIC интерфейс. Компьютерная перчатка P 5. 76

ГРУППОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ, СТАЯ 77

КАК МОЖЕТ ДВИГАТЬСЯ СТАЯ РОБОТОВ Пример стаи - большое количество однотипных “объектов”, варианты – стая "с лидером" (однородная), гомогенная стая без лидера (неоднородная). 78

МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ, БАЗОВЫЕ ПРАВИЛА Объекты должны: - двигаться в направлении цели; - двигаться в направлении центра масс своих соседей; - поддерживать минимально допустимое расстояние друг между другом и препятствиями. Схема определения boid’ом своих соседей. 79

АЛГОРИТМЫ ОБХОДА ПРЕПЯТСТВИЙ И УКЛОНЕНИЯ ОТ СТОЛКНОВЕНИЙ Варианты моделей обхода препятствий. 80

АЛГОРИТМ "ОТТАЛКИВАНИЯ" Сила отталкивания Ситуация "зацепления". 81

Стая роботов В экспериментах возникает интересный эффект: локальное простое поведение каждого отдельного объекта порождает глобальное целенаправленное (псевдоразумное) достаточно сложное поведение всей стаи 82

ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ 83

СОРЕВНОВАНИЯ РОБОТОВ 84

СОРЕВНОВАНИЯ РОБОТОВ Поисковая машина YANDEX на запрос “Соревнования роботов” находит 1 млн. страниц (декабрь 2009 года) 85

Фестиваль «Мобильные роботы» , Россия – Франция 86

УЧАСТНИКИ 87

УПРАЖНЕНИЯ ФЕСТИВАЛЯ - маяки, ворота, восьмерки, статические и подвижные маяки, - куча (набор многих маяков), куча с подвижными маяками, - змейка (слалом), - полоса, полоса с бревнами, полоса с подвижным бревном, - движение по карте и составление карты маяков, - светофор, парковки, - туннель, - бездорожье. 88

Фестиваль мобильных роботов Москва – Париж. 2005 г. Фрагменты. 89

Фестиваль мобильных роботов Москва – Париж. 2005 г. Фрагменты. 90

Фестиваль мобильных роботов Москва – Париж. 2005 г. Фрагменты. 91

EUROBOT 92

An amazing event gathering fun, high technology, friendship, creativity, education and passion ! Евробот - 2005 г. 93

2010 – Роботы накормят мир Задача – за 90 сек собрать наиболее весомый урожай : апельсины, помидоры, кукурузу (фрукты, овощи, злаки). Победит робот, который соберет урожай наибольшего веса и уложит его в свою корзину. 94

НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ ЕВРОБОТ : - управление подвижным объектом-роботом в реальном времени, динамика, движение по "бездорожью и дорогам" - навигация, ориентирование, ИИ-сценарии поведения - обработка сенсорных даных: зрение, дальнометрия, инфракрасное зрение, тактильные сенсоры, работа с цветом - связь и коммуникация, - манипулирование (не)ориентированными объектами: выбор из навала и бункеров, сортировка, "строительство" - техническая реализация: концепция – проект – робот - СОРЕВНОВАНИЯ (активная отработка методов и решений) 95

. . . Гольф, Уборка мусора, Миссия на Марс. . . 96

Соревнования "Северная Звезда"- 2008 в России. Eurobot. Фрагменты. 97

Соревнования "Северная Звезда"- 2008 в России. Eurobot. Фрагменты. 98

Футбол роботов 99

Манифест Ассоциации Robo. Cup (объявлен в 2000 году): … через 50 лет, в 2050 году, команда роботов-футболистов должна выиграть у Чемпиона Мира по футболу (команды футболистов - людей). 100

• Почему футбол сложнее шахмат. 101

Утверждение - футбол сложнее шахмат ! Шахматы : Футбол : • игра в дискретном времени ; • игра непрерывна, идет в реальном времени ; • принятии решения ситуация фиксирована и не меняется ; • принятии решения ситуация динамична и изменяется ; • ходы делаются строго по очере ди, последовательно ; • ситуация в игре может изме ниться в любой момент, нет очередности “ходов” в игре ; • игра “один на один ” - решения принимаются одним лицом ; • игра “команда на команду”, ре шения принимаются многими лицами ; • игра со случайными факторами. • игра строго детерминирована, случайностей в игре нет. 102

Параметры дерева позиций для шахмат и виртуального футбола Шахматы Число позиций для одной «фигуры» Число вариантов ходов одной «фигуры» Число «фигур» , меняющих свою позицию за полуход Длительность игры, ходов Виртуальный футбол 64 180000000 ~10 ~30 1 5 ~50 ~15000 103

Robo. Cup проводит соревнования в 5 основных Лигах (первые соревнования состоялись в 1997 г. ): • Лига Моделирования (Simulation League) • Малая Лига (Small size-robot League) • Средняя Лига (Middle size-robot League) • Лига 4 -ногих роботов SONY • Гуманоидная Лига (Humanoid League, since 2002) и в 3 дополнительных Лигах Лиге моделирования роботов-спасателей Лиге реальных роботов-спасателей Юниорской Лиге 104

Новые роботы ASIMO фирмы Honda демонстрируют упражнение “пенальти” 105

Победитель Лиги Гуманоидных роботов – робот Nagara, разработчики: Ассоциация промышленности префектуры Гифу, Япония 106

Ассоциация Промышленности Префектуры Gifu разработала гуманоидный робот Nagara-1 для решения научных задач, задач бизнеса, задач, определенных правительственными кругами. Робот имеет следующую схему. 1) Его высота и вес равны 0. 83 м и 15 кг, соответственно. 2) Он имеет 28 степеней свободы в шарнирах. 3) При изготовлении алюминиевых деталей применены авиационные технологии. 4) Система управления включает ЦП управления ходьбой, сервисный ЦП и несколько контроллеров двигателей. 5) Интерфейс IEEE 1394 связывает ЦП управления ходьбой и контроллеры двигателей. Это обеспечивает цикл управления в несколько миллисекунд. 107

Играет Средняя Лига Robo. Cup 108

Соревнования киберавтомобилей 109

Колесные роботы. Киберавтомобили. Гонки роботов в пустыне 110

Колесные роботы. Киберавтомобили. Гонки роботов-автомобилей. Участники DARPA URBAN CHALLENGE 111

АНОНСЫ современных соревнований 112

Сингапур, январь 2007 г. http: //www. hizone. info/? di=200701252 Агентство Оборонной Науки и Техники (Defence Science and Technology Agency, DSTA) страны предлагает миллион сингапурских долларов ($652. 000) тому, кто разработает робота, который сможет выполнить оговоренный набор задач в кратчайшие сроки. Робот должен автономно работать в городе на улицах и в зданиях. Агентство DSTA приглашает всех отдельных представителей, компании, университеты и научно-исследовательские институты принять участие в конкурсе под названием Tech. X Challenge. Хотя иностранные участники должны сотрудничать с местными партнерами. "Операция в городской местности представляет собой тяжелое испытание", сказал на запуске конкурса исполнительный директор DSTA Ричард Лим (Richard Lim). "Недавний военный опыт в Ираке. на Ближнем Востоке и в других местах четко обрисовал эти испытания". 113

Сингапур, январь 2007 г. http: //www. hizone. info/? di=200701252 DSTA хочет создать робота, который сможет сам перемещаться в помещениях и вне их, по городскому ландшафту и выполнять набор предварительно оговоренных заданий. Этот робот должен уметь преодолевать лестничные клетки и пользоваться лифтом для перемещения между этажами без помощи спутниковой навигации, которая может быть недоступной в помещениях. Перемещение без спутников потребует от робота хорошо развитой системы машинного зрения для обнаружения визуальных подсказок на своем запланированном маршруте. Роберт Ричардсон (Robert Richardson) из Манчестерского Университета говорит, что соревнования создадут большие трудности даже для самых сложных и усовершенствованных роботов. 114

Китай в 2010 году проведет Олимпиаду среди человекоподобных роботов http: //news. rambler. ru/Russia/head/4250933/ Китай в 2010 году проведет Олимпиаду среди человекоподобных роботов. Как ожидается, участие в ней примут гуманоиды из более чем 100 университетов со всего мира. Как сообщила британская вещательная компания Би-би-си, роботы будут состязаться в 16 -ти видах, как в привычных спортивных, например, легкая атлетика, так и прикладных, в частности, в чистке полов. В соревнованиях, которые пройдут в городе Харбин, смогут принять участие только роботы, схожие внешне с человеком - с двумя руками и ногами. Инициатором соревнования выступил Технологический институт Харбина, который проводит успешные исследования в создании роботов-футболистов и уже обладает впечатляющей командой игроков-гуманоидов. По словам представителя этого института, цель проведения Олимпиады - способствовать созданию более совершенного поколения человекоподобных машин. 115

Китай в 2010 году проведет Олимпиаду среди человекоподобных роботов http: //news. rambler. ru/Russia/head/4250933/ Состязания в Китае, точная дата которых еще не определена, станут еще одним событием в ежегодном календаре выступлений роботов. Так, на апрель намечены Робоигры в Калифорнии. На проводимых также международных состязаниях "Робоэкзотика" проверяется квалификация человекоподобных машин в умении смешивать коктейли, зажигать сигареты и вести разговор с владельцем бара. Существует у гуманоидов и свой Кубок мира. В 2009 году в нем приняли участие 400 команд из 35 стран. Его следующий розыгрыш пройдет в Сингапуре в июне 2010 года. 116