\u3cem\u3eGRASP News\u3c/em\u3e, Volume 8, Number 1

A report of the General Robotics and Active Sensory Perception (GRASP) Laboratory. Edited by Thomas Lindsay

Unified Behavior Framework for Reactive Robot Control in Real-Time Systems

Endeavors in mobile robotics focus on developing autonomous vehicles that operate in dynamic and uncertain environments. By reducing the need for human-in- the-loop control, unmanned vehicles are utilized to achieve tasks considered dull or dangerous by humans. Because unexpected latency can adversely affect the quality of an autonomous system\u27s operations, which in turn can affect lives and property in the real-world, their ability to detect and handle external events is paramount to providing safe and dependable operation. Behavior-based systems form the basis of autonomous control for many robots. This thesis presents the unified behavior framework, a new and novel approach which incorporates the critical ideas and concepts of the existing reactive controllers in an effort to simplify development without locking the system developer into using any single behavior system. The modular design of the framework is based on modern software engineering principles and only specifies a functional interface for components, leaving the implementation details to the developers. In addition to its use of industry standard techniques in the design of reactive controllers, the unified behavior framework guarantees the responsiveness of routines that are critical to the vehicle\u27s safe operation by allowing individual behaviors to be scheduled by a real-time process controller. The experiments in this thesis demonstrate the ability of the framework to: 1) interchange behavioral components during execution to generate various global behavior attributes; 2) apply genetic programming techniques to automate the discovery of effective structures for a domain that are up to 122 percent better than those crafted by an expert; and 3) leverage real-time scheduling technologies to guarantee the responsiveness of time critical routines regardless of the system\u27s computational load

Consciosusness in Cognitive Architectures. A Principled Analysis of RCS, Soar and ACT-R

This report analyses the aplicability of the principles of consciousness developed in the ASys project to three of the most relevant cognitive architectures. This is done in relation to their aplicability to build integrated control systems and studying their support for general mechanisms of real-time consciousness.\ud To analyse these architectures the ASys Framework is employed. This is a conceptual framework based on an extension for cognitive autonomous systems of the General Systems Theory (GST).\ud A general qualitative evaluation criteria for cognitive architectures is established based upon: a) requirements for a cognitive architecture, b) the theoretical framework based on the GST and c) core design principles for integrated cognitive conscious control systems

Advances in Human-Robot Interaction

Rapid advances in the field of robotics have made it possible to use robots not just in industrial automation but also in entertainment, rehabilitation, and home service. Since robots will likely affect many aspects of human existence, fundamental questions of human-robot interaction must be formulated and, if at all possible, resolved. Some of these questions are addressed in this collection of papers by leading HRI researchers

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

Biologically inspired learning system

Learning Systems used on robots require either a-priori knowledge in the form of models, rules of thumb or databases or require that robot to physically execute multitudes of trial solutions. The first requirement limits the robot’s ability to operate in unstructured changing environments, and the second limits the robot’s service life and resources. In this research a generalized approach to learning was developed through a series of algorithms that can be used for construction of behaviors that are able to cope with unstructured environments through adaptation of both internal parameters and system structure as a result of a goal based supervisory mechanism. Four main learning algorithms have been developed, along with a goal directed random exploration routine. These algorithms all use the concept of learning from a recent memory in order to save the robot/agent from having to exhaustively execute all trial solutions. The first algorithm is a reactive online learning algorithm that uses a supervised learning to find the sensor/action combinations that promote realization of a preprogrammed goal. It produces a feed forward neural network controller that is used to control the robot. The second algorithm is similar to first in that it uses a supervised learning strategy, but it produces a neural network that considers past values, thus providing a non-reactive solution. The third algorithm is a departure from the first two in that uses a non-supervised learning technique to learn the best actions for each situation the robot encounters. The last algorithm builds a graph of the situations encountered by agent/robot in order to learn to associate the best actions with sensor inputs. It uses an unsupervised learning approach based on shortest paths to a goal situation in the graph in order to generate a non-reactive feed forward neural network. Test results were good, the first and third algorithms were tested in a formation maneuvering task in both simulation and onboard mobile robots, while the second and fourth were tested simulation