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.