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Kognitive RobotikKognitive RobotikEine EinführungEine Einführung
Wolfram SchenckAG Technische Informatik, Technische Fakultät, Universität Bielefeld
Seminar “Kognitive Robotik”, 22. April 2004
Kognitive RobotikKognitive Robotik
Forschungsgebiet an der Schnittstelle zwischen Kognitionswissenschaft und Robotik
Hauptgegenstand: Modellierung sensomotorischer Zusammenhänge
Vorgehen: Implementierung dieser Modelle auf Roboterhardware zum Test in der realen Welt
Ziele: Zu erklären, auf welche Weise höhere kognitive Funktionen
aus dem Erlernen sensomotorischer Koordination hervorgehen können
Konstruktion autonomer „intelligenter“ Roboter/Agenten
EinleitungEinleitung
St: Sensory state in time step t
Mt: Motor command generated in time step t
ControllerSt Mt
Sensomotorischer ZusammenhangSensomotorischer ZusammenhangEinleitungEinleitung
Kognition in der Psychologie: Funktionen
der Wahrnehmung, des Gedächtnisses, des Denkens und Problemlösens, der motorischen Steuerung und des Sprachgebrauchs
Kognition umfasst sowohl bewußte (intentionale) als auch unbewußte Prozesse Unterscheidung von niedrigeren und höheren
kognitiven Funktionen
Begriff “Kognition”Begriff “Kognition”EinleitungEinleitung
Grundlegung der KognitionswissenschaftGrundlegung der Kognitionswissenschaft
Generelle Grundannahmen (nach Strube, 1996): Kognition ist Informationsverarbeitung Kognitive Prozesse stellen Berechnungen über
Strukturen dar, die ihrerseits als Repräsentationen (der Welt oder des eigenen Selbst) aufzufassen sind
EinleitungEinleitung
Repräsentation:Interne Darstellung der in einem kognitiven System gespeicherten/vorhandenen Information
„„Wie entsteht Kognition?“Wie entsteht Kognition?“
Antworten aus... Klassischer KI Konnektionismus „Neuer KI“ (u.a. Kognitive Robotik)
EinleitungEinleitung
Der Weg zur „Kognitiven Robotik“Der Weg zur „Kognitiven Robotik“
Kognitionswissenschaft (ab 1975)
Kognitive Wende, Geburt der klass. KI (50er Jahre)
Wichtige Ereignisse:z.B. Dartmouth-Konferenz (1956), Teilnehmer wie Minsky, McCarthy, Newell, Simon (Begründung der KI-Forschung)
Geburtsjahr 1975:„Physical Symbol Systems Hypothesis“ (Newell & Simon)
GeschichteGeschichte
Klassische KIKlassische KI
Grundannahmen: Kognition ist Informationsverarbeitung im Sinn
von Symbolverarbeitung Interne Repräsentationen sind symbolisch
Klassische KIKlassische KI
SymbolverarbeitungssystemSymbolverarbeitungssystem
Grundlegende Bestandteile (nach Newell, 1980): Menge primitiver Symbole oder Zeichen Menge von Regeln (quasi „Grammatik“) Speicher Menge grundlegender Operationen (etwa:
Erzeugung, Zugriff, Veränderung, Löschung) Prozessor(en)
Klassische KIKlassische KI
„„Physical Symbol Systems Hypothesis“Physical Symbol Systems Hypothesis“
Physical Symbol System: Ein physikalisch implementiertes Symbolverarbeitungssystem Beispiel: Computer (Transistoren)
PSSH: „A physical-symbol system has the necessary and sufficient means for general intelligent action“ (Newell & Simon, 1976)
Folge der PSSH: Der Begriff der Kognition ist nicht mehr an den
Menschen gebunden; Menschen sind eins von vielen möglichen physikalischen Symbolsystemen; auch Computer können Kognitionen haben
Klassische KIKlassische KI
„„Disembodied Robot“Disembodied Robot“
Symbolver-arbeitungs-
system:
Sensoren
SensorischeSymbole
Effektoren
Motor-symbole
Klassische KIKlassische KI
Probleme der klassischen KIProbleme der klassischen KI
Mangelnde Robustheit ggü. Rauschen, neuen Situationen, Fehlerzuständen
Kein kontinuierliches Lernen Die meisten KI-Systeme haben getrennte Lern- und
Performancephasen
Symbol Grounding Wie kommt die Semantik ins System?
Designer Homunkulus Struktur der sensorischen Repräsentation wird vom
Designer bestimmt
Klassische KIKlassische KI
Zum Designer-HomunkulusZum Designer-Homunkulus
Sensorische Repräsentation
Sensoren Effektoren
Klassische KIKlassische KI
Probleme der klassischen KIProbleme der klassischen KI
Mangelnde Robustheit ggü. Rauschen, neuen Situationen, Fehlerzuständen
Kein kontinuierliches Lernen Die meisten KI-Systeme haben getrennte Lern- und
Performancephasen
Symbol Grounding Wie kommt die Semantik ins System?
Designer Homunkulus Struktur der sensorischen Repräsentation wird vom
Designer bestimmt
Frame Problem Was ändert sich durch Aktionen und was nicht?
Klassische KIKlassische KI
Der Weg zur „Kognitiven Robotik“Der Weg zur „Kognitiven Robotik“
Kognitionswissenschaft (ab 1975)
Kognitive Wende, Geburt der klass. KI (50er Jahre)
Konnektionismus (Wiedergeburt in den 80er Jahren)
Wichtige Ereignisse:z.B. Dartmouth-Konferenz (1956), Teilnehmer wie Minsky, McCarthy, Newell, Simon (Begründung der KI-Forschung)
Geburtsjahr 1975:„Physical Symbol Systems Hypothesis“ (Newell & Simon)
GeschichteGeschichte
KonnektionismusKonnektionismus
Verteilte Informationsverarbeitung: Ziel: Umwandlung von Inputdaten zu
Outputdaten Viele simple Einheiten sind zu komplexen
Netzwerken verschaltet Vorbild: Biologische Nervensysteme
KonnektionismusKonnektionismus
Biologisches NeuronBiologisches NeuronKonnektionismusKonnektionismus
Simuliertes NeuronSimuliertes NeuronKonnektionismusKonnektionismus
Mehrschichtiges Feed-Forward-NetzwerkMehrschichtiges Feed-Forward-Netzwerk
Output
Input
KonnektionismusKonnektionismus
TrainingsbeispieleTrainingsbeispiele
Gesamtmenge aller Input-Output-Muster-Paare, die
den sensomotorischen Zusammenhang repräsentieren
TrainingsmengeTestmenge
KonnektionismusKonnektionismus
Konnektionistische ModellierungKonnektionistische Modellierung
„Brain-style modelling“ Parallele Informationsverarbeitung Keine zentrale Kontrollinstanz Subsymbolische Repräsentationen
Symbole werden durch Vektoren von Aktivierungswerten ersetzt
Sehr erfolgreich bei der Modellierung niedrigerer kognitiver Funktionen wie sensorischer Verarbeitung, Gedächtnis, Motorsteuerung
KonnektionismusKonnektionismus
Probleme der klassischen KIProbleme der klassischen KI
Mangelnde Robustheit ggü. Rauschen, neuen Situationen, Fehlerzuständen
Kein kontinuierliches Lernen Die meisten KI-Systeme haben getrennte Lern- und
Performancephasen
Symbol Grounding Wie kommt die Semantik ins System?
Designer Homunkulus Struktur der sensorischen Repräsentation wird vom
Designer bestimmt
Frame Problem Was ändert sich durch Aktionen und was nicht?
Klassische KIKlassische KI
Der Weg zur „Kognitiven Robotik“Der Weg zur „Kognitiven Robotik“
Kognitionswissenschaft (ab 1975)
Kognitive Wende, Geburt der klass. KI (50er Jahre)
Konnektionismus (Wiedergeburt in den 80er Jahren)
Situiertes Handeln, „Embodiment“ (seit den 80er Jahren)
Wichtige Ereignisse:z.B. Dartmouth-Konferenz (1956), Teilnehmer wie Minsky, McCarthy, Newell, Simon (Begründung der KI-Forschung)
„Neue KI“ (u.a. Kognitive Robotik) (seit den 90er Jahren)
Geburtsjahr 1975:„Physical Symbol Systems Hypothesis“ (Newell & Simon)
GeschichteGeschichte
„„Neue KI“Neue KI“
Grundsatzannahmen für das Design von Agenten (nach Pfeifer, 1996): Autonomie Selbständigkeit Körperlichkeit Situiertheit
Neue KINeue KI
Morphologie, Architektur, MechanismenMorphologie, Architektur, Mechanismen
Anti-Homunkulus-Prinzip Parallele, lose gekoppelte Prozesse
„Value“-Prinzip Selbstorganisation, „self-supervised Learning“
Prinzip sensomotorischer Koordination Keine sensorischen Repräsentationen!
Prinzip der ökologischen Balance Komplexität der Sensorik sollte der Komplexität
der Motorik entsprechen Prinzip „billiger“ Designs
Globale Kommunikation über die Umwelt
Neue KINeue KI
„„Embodied Robot“Embodied Robot“
Adaptivesensomotorische
Koordination
Sensoren
Effektoren
Neue KINeue KI
LiteraturLiteratur
Newell, A. (1980). Physical symbol systems. Cognitive Science, 4, 135-183.
Newell, A., & Simon, H. (1976). Computer science as empirical inquiry: symbols and search. Communications of the ACM, 19, 113-126.
Pfeifer, R. (1996). Symbols, pattern, and behaviour: towards a new understanding of intelligence. Proc. of the Japanese Conference on Artificial Intelligence.
Strube, G., Becker, B., Freksa, C., Hahn, U., Opwis, K., & Palm, G. (eds.) (1996). Wörterbuch der Kognitionswissenschaft. Stuttgart: Klett-Cotta.