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From Cybernetics to RoboticsLecture 2
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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
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Lecture 2 3
Elementi Caratterizzanti
● Controllo Reattivo
Corporeità
Essere situato
● Intelligenza non simbolica
● Cibernetica
Teoria del Controllo
Teoria dell'Informazione
Biologia
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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.
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Lecture 2 5
Una Definizione
● … La robotica è la connessione intelligente fra percezione ed azione. (M. Brady, 1984)
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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
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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)
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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
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Lecture 2 9
Schema Generale
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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
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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.
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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]
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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]
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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
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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
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Lecture 2 16
Tartaruga di Walter
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Lecture 2 17
Turtle Schematic
● A more realistic controller implementation of Walter's Turtle using micro PIC16F84
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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
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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.
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Lecture 2 20
Avanzamento verso una Luce debole
● Non appena la luce rilevata appare di debole intensità, il robot si muove in quella direzione.
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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.
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Lecture 2 22
Ruota e Avanza
● Utilizzato per evitare gli ostacoli.
● Questo comportamento puo’ sostituire quello della risposta alla luce.
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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.
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Lecture 2 24
Tartaruga Meccanica
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Lecture 2 25
Tartaruga Meccanica
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Lecture 2 26
Paradigmi Robotici
● Gerarchico (Deliberativo)
● Reattivo
● Ibrido (Deliberativo/Reattivo)
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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.
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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.
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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..
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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.
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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.