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Kognitive Robotik Eine Einführung Wolfram Schenck AG Technische Informatik, Technische Fakultät, Universität Bielefeld Seminar Kognitive Robotik, 22. April.

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Präsentation zum Thema: "Kognitive Robotik Eine Einführung Wolfram Schenck AG Technische Informatik, Technische Fakultät, Universität Bielefeld Seminar Kognitive Robotik, 22. April."—  Präsentation transkript:

1 Kognitive Robotik Eine Einführung Wolfram Schenck AG Technische Informatik, Technische Fakultät, Universität Bielefeld Seminar Kognitive Robotik, 22. April 2004

2 Kognitive 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 Einleitung

3 S t : Sensory state in time step t M t : Motor command generated in time step t Controller StSt MtMt Sensomotorischer Zusammenhang Einleitung

4 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 Einleitung

5 Grundlegung 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 Einleitung Repräsentation: Interne Darstellung der in einem kognitiven System gespeicherten/ vorhandenen Information

6 Wie entsteht Kognition? Antworten aus... Klassischer KI Konnektionismus Neuer KI (u.a. Kognitive Robotik) Einleitung

7 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) Geschichte

8 Klassische KI Grundannahmen: Kognition ist Informationsverarbeitung im Sinn von Symbolverarbeitung Interne Repräsentationen sind symbolisch Klassische KI

9 Symbolverarbeitungssystem 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 KI

10 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 KI

11 Disembodied Robot Symbolver- arbeitungs- system : Sensoren Sensorische Symbole Effektoren Motor- symbole Klassische KI

12 Probleme 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 KI

13 Zum Designer-Homunkulus Sensorische Repräsentation SensorenEffektoren Klassische KI

14 Probleme 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 KI

15 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) Geschichte

16 Konnektionismus Verteilte Informationsverarbeitung: Ziel: Umwandlung von Inputdaten zu Outputdaten Viele simple Einheiten sind zu komplexen Netzwerken verschaltet Vorbild: Biologische Nervensysteme Konnektionismus

17 Biologisches Neuron Konnektionismus

18 Simuliertes Neuron Konnektionismus

19 Mehrschichtiges Feed-Forward-Netzwerk Output Input Konnektionismus

20 Trainingsbeispiele Gesamtmenge aller Input- Output-Muster-Paare, die den sensomotorischen Zusammenhang repräsentieren Trainingsmenge Testmenge Konnektionismus

21 Konnektionistische 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 Konnektionismus

22 Probleme 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 KI

23 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) Geschichte

24 Neue KI Grundsatzannahmen für das Design von Agenten (nach Pfeifer, 1996): Autonomie Selbständigkeit Körperlichkeit Situiertheit Neue KI

25 Morphologie, 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 KI

26 Embodied Robot Adaptive sensomotorische Koordination Sensoren Effektoren Neue KI

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