ROBOTIKA. Kürti. Levente

Átírás

1 ROBOTIKA Kürti Levente

2 Megnevezés Robot: a cseh robota szóból származik = munka teljes egész szében ember által készk szített szerkezetek mozogni tudnak, a mozgásban több t szabadságfokkal rendelkeznek tevékenys kenységüket ket részben, r vagy teljesen önállóan irány nyítják 2

3 Robotika részfeladatai Robot-szerkezet építése Cél-meghatározás Érzékelés, alakfelismerés (látás, hallás, stb.) Tervgenerálás (elemi műveletsorozat előáll llítása) Végrehajtás és korrigálás 3

4 Robottípusok Iparban használt robotok (technológiai feladatot ellátó robotok, anyagmozgató robotok, szerelőrobotok robotok) Kutatásban használt robotok (telerobotok, animatok, androidok) Speciális feladatok megoldására alkalmazott robotok (nanorobotok, gyógy gyászatban alkalmazott robotok) 4

5 Szüks kséges hardver elemek Robot Technológiai berendezés Társberendezés Szenzorok Robotvezérl rlő Szenzor processzor Segédberendez dberendezés vezérl rlő Stb. 5

6 Robotgeneráci ciók a.) ElsE lső generáci ciós robotok: - kizárólag vezérl rléssel működtethetm dtethetők - a számítógép p programja kap főszerepet (meghatározza a mozgás útvonalát, valamint az elvégzend gzendő tevékenys kenységeket) - nem érzékelik a környezet változv ltozásait 6

7 1. generáci ciós s robotok modellje 7

8 Robotgeneráci ciók b.) Második generáci ciós robotok: - környezetüket szenzorokkal vizsgálj lják - a számítógép p bármikor b képes k módosm dosítani a robot mozgását (képes kikerüli a váratlanul útjába került akadályokat lyokat) - feladataikat magas szintű programnyelven határozz rozzák k meg 8

10 Robotgeneráci ciók c.) Harmadik generáci ciós robotok: - jól l alkalmazkodnak a környezet k változv ltozásaihoz - alakokat és s helyzeteket ismernek fel - hanggal is vezérelhet relhetők (amire képesek k hanggal válaszolniv laszolni) - önálló döntéseket hoznak - bonyolult feladatokat oldanak meg - alkalom adtán n maguktól l módosm dosítják k a betápl plált lt programot - tanuló algoritmusokat okat használnak 10

12 Mobilitás A robotok mozgásának módjm dját meghat határozza: - az elvégzend gzendő munka - a munkavégz gzés s környezetek Környezettípusok: - levegő/vil /világűr (légi robotok) - víz (alámerülő robotok, automatizált vízalatti járművek) - szárazf razföld (síneken/kerekeken mozgó robotok, járó robotok) 12

13 Autonómia Az autonóm m robotok külsk lső irány nyítótól l függetlenf ggetlenül is képesek k cselekedni Programozásukat az a cél c l vezérli, hogy a külsk lső hatásokra valamilyen módon m reagáljanak Használhatnak sztereo látórendszertl (a a térbeli t érzékelést két k t kamera, a tárgyak t lokalizálását és osztályoz lyozását t képfelismerk pfelismerő szoftverek biztosítj tják) A környezet k elemzésére használhatnak mikrofonokat és s szagérz rzékelőket ket is 13

14 A való világban gban teljesen autonóm robotnak a következk vetkező adottságokkal kell rendelkeznie: - környezetről l való informáci ciószerzés - emberi beavatkozás s nélkn lküli li folyamatos munkavégz gzés - emberi segíts tség g nélkn lküli li helyváltoztat ltoztatás s A pontról l B pontra - emberekre, tárgyakra, t saját t magára veszélyes szituáci ciók k elkerülése - saját t maga megjavítása külsk lső beavatkozás s nélkn lkül 14

15 Az z autonóm m tanulás Az z autonóm m tanulás s képessk pessége az alábbiakb bbiakból l tevődik össze: - külső segíts tség/beavatkozás s nélkn lkül l tesz szert vagy tanul meg újabb adottságokat - a környezet( k rnyezet(ek)enen alapuló stratégi giákat dolgoz ki, a már m r meglévőket újabbakkal gazdagítja - külső segíts tség/beavatkozás s nélkn lkül alkalmazkodik a környezet( k rnyezet(ek)hez 15

16 Vezeték k nélkn lküli li kommunikáci ció A vezeték k nélkn lküli li technológi giák k növelin velik a robotok mobilitását A fúzif zióval megvalósíthat tható távjelenlét eredmények nyeként nt a robot kettős üzemmódban (feladattól és s a körülményektől l függf ggően) autonóm m módonm és távvezérelve is működhetm 16

17 Kihívások: - látást, hallást, kommunikáci ciót valóságh ghűen kivitelező interfész - az interfészt a robottal integráló szoftver fejlesztése se - a robot és s az interfész szinkronban történő frissítése se - probléma esetén n a robotnak pontos visszacsatolásokat sokat kell szolgáltatnia ltatnia - hibatűrő vezeték k nélkn lküli li kapcsolat kidolgozása 17

18 Kooperativitás Mobil robotok csoportosan, multi-ágens rendszerekként, nt, rajintelligenciaszerűen en is képesek feladatokat megoldani Együttm ttműködésüket ket még m általában szigorú előprogramoz programozással oldják k meg Cél: a robotoknak maguknak kell megtervezniük és s eldönteni nteniük, miként hasznosítj tják k saját és s társaik t adottságait 18

19 Szenzorok és aktuátorok torok A robotikában ban fontos szerep jut az autonómi miát t fokozó,, a környezetbe k való beágyazódás -t biztosító részeknek: - a környezet k állapotát t detektáló szenzoroknak - az állapoton módosm dosító,, a robot mozgásában közremk zreműködő aktuátoroknak toroknak 19

20 Szenzorok (érz( rzékelők) k) Három kategóri riába sorolhatók : - környezeti: : jelzik a robotnak, mi törtt rténik körülöttek tte: a.) tárgyérzékelők: k: a környezet k tárgyainak t elhelyezését és s formáját t határozz rozzák k meg: - digitális kamerák: k: speciális tárgyakat t lokalizálnak lnak - érintőérzékelők: k: megállap llapítják, hogy a robotnak milyen erőt t kell kifejtenie egy-egy speciális ponton - távolságérzékelők: k: különbk nböző módszerekkel meghatározz rozzák k a legközelebbi tárgy t távolst volságát t egy adott irányban 20

21 b.) közegérzékelők: k: a környezet k tulajdonságait (hőmérs rséklet, légnyoml gnyomás, stb.) detektálj lják - visszacsatoló: : az aktuátor tor kimenetét megfigyelve, jelzik a robotnak, mit cselekszik - kommunikáci ciós: : lehetővé teszik, hogy ember vagy számítógép új j informáci ciókkal lássa l el a robotot, és s viszont: a.) infravörös s adattovább bbítási csatornák b.) rádiófrekvenciás s adattovább bbítási csatornák 21

22 Aktuátorok torok (beavatkozók) k) A robotokba épített aktuátorok torok a következk vetkező típusúak lehetnek: - elektromos és s belsőégésű motorok - alakemlékez kező ötvözetek (SMA, Shape Memory Alloys) - lineáris mozgású elektromágnesesek - piezoelektromosak - pneumatikosak/hidraulikusak 22

23 Alkalmazások Alkalmazási csoportok: ok: - szolgáltat ltatásban dolgozó - otthoni egészs szségügyi gyi asszisztens és szórakoztat rakoztató/társpótló - ember számára nehéz z terepen tevékenyked kenykedő robotok 23

24 Szüks kséges technológiai előfelt feltételektelek mikroprocesszor technológia gia: : a feladat megoldásához szüks kséges teljesítm tmény vezeték k nélkn lküli li technológia gia: : a hálózatban törtt rténő működés s jobb feltételeinek teleinek megteremtése képfeldolgozás: : a környezet k érintés nélküli li érzékelésének, valamint megismerésének képessk pessége 24

25 szöveg veg- és s beszédfelismer dfelismerés: : természetes nyelvek feldolgozása és s az ehhez szüks kséges fogalmi rendszerek hatékony reprezentáci ciója szenzor- és s aktuátortechnol tortechnológia: : megfelelő mozgás- és s egyéb érzékelés, tovább bbá az emberi mozgás s aprólékoss kosságát t megközel zelítő mozgás kidolgozása tanuló algoritmusok, következtetk vetkeztetőgépek: elfogadhatóan an gyors tanulás és s következtetk vetkeztetés megvalósítása sa energiaellátás: : hatékonys konyság g biztosítása sa 25

26 Tervgenerálás Állapottér reprezentáci ció Probléma redukció Probléma dekompozició Logikai reprezentáci ció 26

27 Megoldás állapottér reprezentáci cióval Állapotok, műveletek meghatároznak egy állapotgráfot,, benne egy kezdő és egy célállapotllapot Megoldási út előáll llítása előre vagy visszafelé haladó kereséssel ssel - visszalépéses ses - gráfkeres fkeresés Heurisztika 27

28 Műveletek leírása Minden F(x) művelethez megadunk egy - előfelt feltételtel listát (P) - törlési listát (D) - bővítési listát (A) Egy M művelet az F(x) művelet leírásának egy F(x) alappéld ldánya ( egy helyettesítés) 28

29 Redukció a tervgenerálásban Állapot redukálása sa: - Kiválasztunk egy megvalósítand tandó L literált lt - Keresünk olyan M=F(x F(x) műveletet, amely bővítési listáján ez a literál szerepel - Kiszámoljuk a megelőző állapotot: - vesszük a müvelet előfelt feltételét (P) - megvizsgáljuk ljuk, hogy a célállapotllapot literálj ljának milyen formában kell jelen lenni a megelőző állapotban 29

30 Tervgenerálás dekompozicióval Egy összetett L1 Ln célt tényezőnkéntnt (célliterálonként) valósítunk meg Egy L literál megvalósítása sa olyan művelettelvelettel történik, amely bővítési listájában (megfelelő változó behelyettesítés mellett) szerepel az L. Így az L literál megvalósítását visszavezetjük a művelet előfelt feltételének (részcél) megvalósítására A részcélokat újra és újra dekomponáljuk ljuk, amíg olyan literálokhoz lokhoz nem jutunk, amelyek teljesülnek lnek a start-ban. 30

31 Dekompoziciós reprezentáci ció Probléma leírás: : start -> állapot Kiinduló probléma ma: : start -> cél Egyszerű probléma ma: : start -> > L, ha L eleme strat-nak Operátorok torok: A start -> > L1 Ln visszavezethető a start -> > L1,,, start -> Ln problémákra A start -> > L visszavezethető a start -> > P problémára ra, ahol M olyan művelet, hogy L eleme A-nak 31

32 ALGORITMUSOK - STRIPS - RSTRIPS - DCOMP - NONLIN 32

33 STRIPS A következők határozz rozzák meg: - Egy kezdeti állapot - Cél állapotok specifikáci ciója - Action-ok ok halmaza, amelyek mindegyikét meghatározz rozzák az előfelt feltételektelek (melyeknek teljesülni lniük kell a végrehajtas előtt tt) és az utófelt feltételektelek (amelyek bekövetkeznek a végrehajtás után) 33

34 Matematikailag: : (P,O,I,G) négyes, ahol: - P a feltételek telek halmaza - O az operátorok halmaza; minden operátor egy (a,b,c,d) négyesből áll; a,b,c,d: feltételek telek halmaza - I a kezdeti állapot; ; I=felt feltételektelek halmaza amelyek amelyek igaznak vannak elfogadva (az összes többi hamis) - G a cél állapot specifikáci ciója; ; (N,M) párosokból épül fel 34

35 Egy terv = operátoroknak a szekvenciája amelyek végrehajthatók úgy, hogy a kezdeti állapotból a cél állapotba jussunk Terv = action-ok ok sorozata, amelyek sorrendbeli végrehajtása a kezdeti állapotból olyan állapotba visz, amely kielégiti a cél feltételeket teleket 35

36 Példa STRIP feladatra Feladat: - Egy lakásban szobák: : A, B, C, - A szobában ban: egy majom - B szobában ban: egy banán (a plafonon) - C szobában ban: egy doboz - A majomnak szüks ksége van a dobozra, hogy elérje a banánt nt 36

37 Kezdeti állapotok: At(A), Level(low), BoxAt(C), BananasAt(B) Cél állapot: Have(Bananas) Action-ok: ok: Move(X,, Y) //move from X to Y Preconditions: At(X), Level(low) Postconditions: : not At(X), At(Y) 37

38 MoveBox(X,, Y) //move the box from X to Y Preconditions: At(X), BoxAt(X), Level(low) Postconditions: BoxAt(Y), not BoxAt(X), At(Y), not At(X) ClimbUp(Location) //climb up on the box Preconditions: At(Location), BoxAt(Location), Level(low), BananasAt(Location) Postconditions: Level(high), not Level(low) 38

39 ClimbDown(Location) //climb down from the box Preconditions: At(Location), BoxAt(Location), Level(high) Postconditions: Level(low), not Level(high) TakeBananas(Location) //take the bananas Preconditions: At(Location), BananasAt(Location), BoxAt(Location), Level(high) Postcondition: Have(bananas) 39

40 Forrás otika3.2.doc