Universal Memory Architectures for Autonomous Machines

We propose a self-organizing memory architecture (UMA) for perceptual experience provably capable of supporting autonomous learning and goal-directed problem solving in the absence of any prior information about the agent’s environment. The architecture is simple enough to ensure (1) a quadratic bound (in the number of available sensors) on space requirements, and (2) a quadratic bound on the time-complexity of the update-execute cycle. At the same time, it is sufficiently complex to provide the agent with an internal representation which is (3) minimal among all representations which account for every sensory equivalence class consistent with the agent’s belief state; (4) capable, in principle, of recovering a topological model of the problem space; and (5) learnable with arbitrary precision through a random application of the available actions. These provable properties — both the trainability and the operational efficacy of an effectively trained memory structure — exploit a duality between weak poc sets — a symbolic (discrete) representation of subset nesting relations — and non-positively curved cubical complexes, whose rich convexity theory underlies the planning cycle of the proposed architecture

Reconnaissance et stabilité d'une mémoire épisodique influencée par les émotions artificielles pour un robot autonome

Les robots de service devront répondre aux besoins d'humains au quotidien. Nos milieux de vie diffèrent par leur configuration, les conditions environnementales, les objets qui s'y trouvent, les personnes présentes et les événements pouvant y survenir. Un grand défi de la robotique autonome est de permettre aux robots de s'adapter à n'importe quelle situation tout en étant efficace et sécuritaire dans l'exécution de tâches. À cette fin, une mémoire épisodique a le rôle d'emmagasiner et de classer les expériences d'un agent intelligent en lien avec les éléments du contexte spatio-temporel d'apprentissage. Ainsi, une mémoire épisodique s'avère un élément essentiel pour permettre au robot de mémoriser ses expériences dans le but de les réutiliser lors de situations similaires. Toutefois, pour qu'une mémoire épisodique puisse être utilisée par un robot autonome, elle doit pouvoir exploiter l'information provenant de capteurs asynchrones et bruités. De plus, elle doit pouvoir être influencée différemment selon l'importance des expériences vécues. Le but de ce projet de recherche est de concevoir et d'intégrer à un robot mobile une mémoire épisodique construite à partir d'un apprentissage non supervisé et qui favorise la mémorisation des expériences les plus pertinentes afin d'améliorer l'efficacité du robot dans l'exécution de sa tâche. À la base, l'approche repose sur des réseaux de neurones utilisant la Théorie de résonance adaptative (ART, pour Adaptive Resonance Theory). Deux réseaux ART sont placés en cascade afin de catégoriser, respectivement, les contextes spatiaux, appelés événements, et les séquences d'événements, appelées épisodes. Le modèle résultant, EM-ART (Episodic Memory-ART), utilise un module d'émotions artificielles afin d'influencer la dynamique d'apprentissage et d'utilisation des réseaux ART en favorisant la mémorisation et le rappel des expériences associées à de fortes intensités émotionnelles. Le rappel d'épisodes permet de prédire et d'anticiper les événements futurs, contribuant à améliorer l'adaptabilité du robot pour effectuer sa tâche. EM-ART est validé sur le robot IRL-1/TR dans un scénario de livraison d'objets. Les expérimentations réalisées en milieu réel permettent d'isoler les caractéristiques du modèle telles que la prédiction d'événements, la création d'épisodes et l'influence des émotions. Des simulations construites à partir de données réelles permettent aussi d'observer l'évolution de la structure du modèle sur une plus grande période de temps et dans des séquences différentes. Les résultats démontrent que le modèle EM-ART permet une récupération d'épisodes plus hâtive lorsque ceux-ci sont associés à une intensité émotionnelle élevée, permettant à IRL-1/TR d'utiliser la destination de sa dernière livraison pour accomplir la livraison en cours. Selon la séquence des expériences soumis au modèle, un plus grand nombre d'épisodes est créé si les premières expériences ne sont pas associées à des émotions élevées, puisqu'ils sont négligées en mémoire au détriment de la création de nouveaux épisodes plus distinctifs. Il en résulte une capacité faisant évoluer l'intelligence du robot à celle d'une entité capable d'apprendre de ses expériences évaluées selon sa propre perspective

Event Memory for Intelligent Agents

This dissertation presents a novel theory of event memory along with an associated computational model that embodies the claims of view which is integrated within a cognitive architecture. Event memory is a general-purpose storage for personal past experience. Literature on event memory reveals that people can remember events by both the successful retrieval of specific representations from memory and the reconstruction of events via schematic representations. Prominent philosophical theories of event memory, i.e., causal and simulationist theories, fail to capture both capabilities because of their reliance on a single representational format. Consequently, they also struggle with accounting for the full range of human event memory phenomena. In response, we propose a novel view that remedies these issues by unifying the representational commitments of the causal and simulation theories, thus making it a hybrid theory. We also describe an associated computational implementation of the proposed theory and conduct experiments showing the remembering capabilities of our system and its coverage of event memory phenomena. Lastly, we discuss our initial efforts to integrate our implemented event memory system into a cognitive architecture, and situate a tool-building agent with this extended architecture in the Minecraft domain in preparation for future event memory research

Maintaining Structured Experiences for Robots via Human Demonstrations: An Architecture To Convey Long-Term Robot\u2019s Beliefs

This PhD thesis presents an architecture for structuring experiences, learned through demonstrations, in a robot memory. To test our architecture, we consider a specific application where a robot learns how objects are spatially arranged in a tabletop scenario. We use this application as a mean to present a few software development guidelines for building architecture for similar scenarios, where a robot is able to interact with a user through a qualitative shared knowledge stored in its memory. In particular, the thesis proposes a novel technique for deploying ontologies in a robotic architecture based on semantic interfaces. To better support those interfaces, it also presents general-purpose tools especially designed for an iterative development process, which is suitable for Human-Robot Interaction scenarios. We considered ourselves at the beginning of the first iteration of the design process, and our objective was to build a flexible architecture through which evaluate different heuristic during further development iterations. Our architecture is based on a novel algorithm performing a oneshot structured learning based on logic formalism. We used a fuzzy ontology for dealing with uncertain environments, and we integrated the algorithm in the architecture based on a specific semantic interface. The algorithm is used for building experience graphs encoded in the robot\u2019s memory that can be used for recognising and associating situations after a knowledge bootstrapping phase. During this phase, a user is supposed to teach and supervise the beliefs of the robot through multimodal, not physical, interactions. We used the algorithm to implement a cognitive like memory involving the encoding, storing, retrieving, consolidating, and forgetting behaviours, and we showed that our flexible design pattern could be used for building architectures where contextualised memories are managed with different purposes, i.e. they contains representation of the same experience encoded with different semantics. The proposed architecture has the main purposes of generating and maintaining knowledge in memory, but it can be directly interfaced with perceiving and acting components if they provide, or require, symbolical knowledge. With the purposes of showing the type of data considered as inputs and outputs in our tests, this thesis also presents components to evaluate point clouds, engage dialogues, perform late data fusion and simulate the search of a target position. Nevertheless, our design pattern is not meant to be coupled only with those components, which indeed have a large room of improvement