Robotiikan historiaa

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-gt Wal63
• 1955 kinemaattiset yhtälöt, robotiikan murros
  Cri85 -gt 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
• NASAn 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, monikerrosarkkitehtuur
  it, 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. 292296
• 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/cla
  sses/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
  107 Times Natures Speed, Cerebrum, v3n2, Spring
  2001, pp. 34-39, http//cart.frc.ri.cmu.edu/users/
  hpm/project.archive/robot.papers/2000/Cerebrum.htm
  l (1.4.2004)
• Pbs04 Tesla Resources, http//www.pbs.org/tesla
  (1.4.2004)
• Rei87 Reif, J., Complexity of the Generalized
  Movers 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/documento
  s_i.htm (1.4.2004)
• Wal63 Walter, G., The Living Brain, Duckworth
  1963 (viitattu Mor01Sab99)

37
Kuvalähteet

• Rene Descartes http//www-gap.dcs.st-and.ac.uk/h
  istory/PictDisplay/Descartes.html (1.4.2004)
• Asimov Engelberger
• Trilobitehttp//www.avantel.se/Trilobitee_f.htm
  (1.4.2004)
• Asimo Honda
• Aibo Sony
• Genghis http//www.ai.mit.edu/projects/genghis/ge
  nghis.html (1.4.2004)
• Genghis kytkentäkaavio Bro89