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ロボットによる一般問題解決

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ロボットによる一般問題解決

  1. 1. 実世界における一般問題解決システムの提案 とそのヒューマノイドロボットへの実装 巻渕有哉,申富饒,長谷川修 電子情報通信学会論文誌D, Vol.J93-D, No.6, pp960-977, (2010) 1
  2. 2. 目次1. 研究背景2. 本研究の目的3. 提案手法4. 実験1、25. まとめ 2
  3. 3. 1.1 研究背景近年、人間と共存可能な知能ロボットへのニーズが高まっている 知能ロボットに関するアカデミック・ロードマップ – 経済産業省策定(2007~) – 2050年までの知能情報処理の展開 – 「次世代ロボット知能化技術開発プロジェクト」 東京大学IRT研究機構 – 東京大学総長直轄研究組織(2008~) – トヨタ自動車やパナソニックなど民間7社が参加 早稲田大学ヒューマノイド研究所 – 1970 学科横断プロジェクトとして開始、2003 発足 3
  4. 4. 1.2 知能情報処理の展開(1) 従来の知能ロボット(1950’s ~)1956 組み込み式 実世界のような常に 複雑に変化する環境 知 If Q then A には対処できない 能 設計者が状況Qや行動A 情 をプログラムする タスク依存 報 処 理 ロボットによる学習(2000’s ~) の 直接的に経験した 展 認知発達ロボティクス タスクしか実行で 開 きない ロボットによる 自律的な学習・発達 タスク依存からの脱却 4
  5. 5. 1.3 知能情報処理の展開(2) ロボットの知能発達 認知発達システムの持つべき性質 [Wengら, 2001] 知 能 知識の学習 1. タスクに特有なシステムではない 情 2. タスクがシステムの設計者にとって未知である 報 3. 未知のタスクに対するアプローチを生成できる 処 4. オンライン学習が可能である 知識の生成 理 5. オープンエンド学習が可能である の 展 開 現在、上記の3.以外の性質を満たす 知能ロボットは実現できている2010  全身動作のオンライン教示システム [小倉ら, 2005]  語順と挙動のオンライン学習 [佐藤ら, 2008] etc 5
  6. 6. 1.4 ロボットの知能発達(1)知識の生成とは? 木箱をバナ 木箱の上に バナナに届 ナの下に置 登れば取れ かない! いて、 る! 6
  7. 7. 1.5 ロボットの知能発達(2)認知発達ロボティクス Wengらの示す知能発達 知識1 知識1 知識2 知識2 知識3 知識3 知識4外部から与えられることでしか、知識を増やせない 外部から与えられた知識を運 半タスク依存 用することで、“自力で”新 たな知識を生成できる 汎用のタスク 7
  8. 8. 2. 本研究の目的汎用のタスクが実行可能な知能ロボットの実現に向けて 3.を含めWengらの示す性質を全て満たす、 実世界における一般問題解決システム 特長 ロボットは視覚や聴覚から得られるパターンから概念 (シンボル)を形成する ロボットは環境や人間との相互作用を通じて行動の因 果関係を知識としてオンラインかつ追加的に獲得する ロボットは既存の知識を組み合わせることで未知のタ スクに対するアプローチを生成できる 8
  9. 9. 3.1 提案手法 3. シンボル記憶層 シンボルの保持 2. パターン記憶層 パターンの保持 1. 入力層 パターンを受け取る1. 記号接地フェーズ 2. 知識獲得フェーズ 3. 問題解決フェーズSOINN [Shenら, 2006] に 行動の因果関係を知識化 実環境における問題解決よる概念形成 (既存のプランナを使用) 9
  10. 10. 3.2 提案手法の構成要素1. 知覚情報のシンボル化2. 因果関係の知識化3. プランニング(と実践) 10
  11. 11. 3.3 知覚情報のシンボル化自己増殖型ニューラルネットワーク(SOINN) [Shenら, 2006] “0”という概 特長 念(シンボル) オンライン追加学習が可能 高いノイズ耐性 教師ID 自己組織的に成長 0 2 2 0 2 0 0 2 オープンエンド学習 0 2 に不可欠な性質 1 3 3 1 3 3知覚情報のシンボル化に利用 1 パターン記憶層にセンサ毎に設置 教師IDの付加により概念を形成 Image, Sound SOINN 11
  12. 12. 3.4 因果関係の知識化(1)実環境のモデル化 実環境 ロボットの周囲環境 3つの位置と周囲音の状態 ♪ World Model(WM)の作成  1-NN法による記号接地 C B A  述語(At、Ring)による状態記述 WM ={At(“ベル”, A),At(-1, B), 12 At(-1, C), Ring(“ベル”)}
  13. 13. 3.5 因果関係の知識化(2)提案手法では知識をオペレータで表現する オペレータの構成 前提条件:適用するのに必要な述語の集合 削除リスト:適用すると成立しなくなる述語の集合 追加リスト:適用すると新たに成立する述語の集合 注意のモデル  既知の物体の状態変化に注意  オペレータの構成オペレータの作成  前提条件 = preWM オペレータ実行前  削除リスト= preWM - postWM 後のWMを比較  追加リスト= postWM - preWM 13
  14. 14. 3.5 プランニング(と実践) General Problem Solver(GPS) [Ernstら, 1969]: 最も古典的で簡素なプランナ 現在状態と目標状態の差異を減少させるオペレータを選 択し、現在状態にそのオペレータを適用していくという プロセスを繰り返すことで目標状態を達成する start goal A, B A, X operator 1 subgoal preCond delList addList Y Y X 14
  15. 15. (参考)GPSGPS(S, G):状態Sに適切なopの系列を適用して状態Gに変換する1. S と G の差異を求める。差異がない場合は return S2. 差異を重要な順に列挙する。3. 差異を縮めるのに有効なオペレータを列挙する。4. 3. からオペレータを1つ選ぶ。これを op とし、その前提条件を pc とする。選ぶオペレータがなくなった場合は return false5. S1 = GPS(S, pc) S1 = false になった場合は4. に戻る。6. S1 に op を適用して、その結果の状態を S2 とする。7. return GPS(S2, G) S pc S1 S2 G S1 = GPS(S, pc) op GPS(S2, G) 15
  16. 16. 4.1 各実験の概要 実験1:基本動作の確認 ロボットは直接的に経験したことのないタスク に対しても適切に行動できる ロボットは自らの問題解決能力では実行できな いタスクに対して、実行できないことを示すこ とができる実験2:知識のオンラインかつ追加的な獲得による問題解決能力の向上 ロボットは以前より複雑なタスクを実行でき るようになる ロボットは以前に実行できなかったタスクを 実行できるようになる 16
  17. 17. 4.2 実験1:知識獲得フェーズ op1:ベルを押 すと音が鳴る op2:ドラムを 押すと音が鳴る op3:ベルの音が鳴ってい るときに“ちょうだい”を するとりんごが移動する op4:ドラムの音が鳴って いるときに“ちょうだい” をするとみかんが移動する 17
  18. 18. 4.3 実験1:問題解決フェーズ(1) 直接的に経験した ことのないタスク タスク1 初期状態 目標状態 op1を op3を 目標状態に到実践ステップ 使って、 使えば、 達できる! 18
  19. 19. 4.4 実験1:問題解決フェーズ(2) 解決不可能なタスク 解決不可能! タスク3 初期状態 目標状態 19
  20. 20. 4.5 実験2:知識獲得フェーズ op5:右手を挙 げるとりんごが 対称 op6 手元に置かれる op7:“だだを こねる”とりん 対称 op8 ごが目の前に移 動する op9:左手を挙 対称 op10 げるとベルが手 元に置かれる  op2とop1、op4とop3と同様の関係  ベルをドラムに、りんごをみかんに 置き換えたもの 20
  21. 21. 4.6 実験2:問題解決フェーズ(1)実験1より複雑なタスク(複数のプラン、プランの長さ)タスク4 プランニング結果 3つのプラン 1. op5→op7 2. op5→op9→op1→op3初期状態 目標状態 3. op9→op1→op5→op3 21
  22. 22. 4.7 実験2:問題解決フェーズ(2)プラン1 op5を op7を 目標状態に到実践ステップ 使って、 使えば、 達できる! 22
  23. 23. 4.8 実験2:問題解決フェーズ(3)プラン2 op5を op9を op1を実践ステップ 使って、 使って、 使って、 op3を 目標状態に到 使えば、 達できる! 23
  24. 24. 4.9 実験2:問題解決フェーズ(4)実験1で解決不可能だったタスク op8を 今回は目標状態 使えば、 に到達できる!タスク3’初期状態 目標状態 24
  25. 25. 5. まとめ既存のプランナを利用した3層構造のアーキテクチャ Wengらの示す性質を全て満たす 各実験により実世界の汎用のタスクに対して有効であ ることを確認(1. 基本動作、2. 知識のオンラインかつ 追加的な獲得による問題解決能力の向上) 提案手法の優位性 SOINNの性質により、実世界における頑健な振る舞いが 可能、物体の概念のオンラインかつ追加的な形成が可能 視覚や聴覚といった複数の感覚を用いたマルチモーダル な情報処理が可能 オペレータの記憶容量を大幅に節約 25

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  • HirokazuKoi

    Aug. 23, 2016
  • tacarz

    Apr. 14, 2018

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