Generación de Comportamiento Complejo en Robots Autónomos

Abstract

El objetivo de esta tesis es el estudio de la relación entre autonomía, comportamiento inteligente y percepción del espacio en agentes autónomos. Estos tres factores se estudian a menudo desde perspectivas muy diferentes, pero su relación es tan estrecha que debe existir una estructura conceptual que los una. Los esfuerzos por construir robots inteligentes desde los paradigmas dominantes del Cognitivismo, primero, y la Inteligencia Artificial basada en comportamientos, después, no han dado los frutos esperados. Actualmente, dos nuevas corrientes exploran el terreno intermedio buscando recuperar, desde nuevas perspectivas, las intuiciones desarrolladas en los últimos cuarenta años. Por un lado, las Arquitecturas Híbridas buscan suavizar la interfaz entre lo reactivo y lo reflexivo mediante flujos de información, ascendentes y descendentes, más densos. Alternativamente y desde una posición más alejada de los métodos ya validados, la Teoría de Sistemas Dinámicos se está empezando a aplicar en un número creciente de áreas relacionadas con la Inteligencia Artificial, típicamente tratadas desde una perspectiva estrictamente computacional. Este trabajo es un esfuerzo en esta última dirección. Nos planteamos abordar el problema de la percepción del espacio en agentes autónomos desde dos puntos de vista complementarios: la generación de un modelo conceptual que explique un conjunto de propiedades y observaciones deseables e inspiradas en la percepción animal; y la validación experimental de los aspectos básicos del modelo sobre un robot móvil construido para este fin. El modelo propuesto se denomina espacio perceptivo y está formado por una estructura dinámica -su estado evoluciona en el tiempo- que interacciona con módulos específicos de proceso: el módulo visual y el módulo motriz. Esta estructura está organizada en tres niveles: el espacio interno, que mantiene un modelo directo de la cinemática, dinámica y estado preceptivo del agente; el espacio externo, donde se da la percepción directa del entorno cercano; y el espacio extendido, cuya estructura de encapsulamiento recursivo permite retener, de forma ordenada y codificada, cantidades arbitrarias de información espacial. La dinámica del espacio perceptivo busca mantener un estado de equilibrio, que se ve continuamente desestabilizado por la interacción de los módulos visual y motriz. El resultado de esta dinámica genera, simultáneamente, comportamiento y representación. El robot es una plataforma móvil dotada de una cámara orientable. Dispone, además, de una arquitectura de control de motores modular como soporte de proceso de un computador situado a bordo. Todo el procesamiento se realiza en el robot y permite, mediante una conexión por red, la monitorización en tiempo real y su reprogramación desde una estación remota Summary The goal of this dissertation is to study the relationship among autonomy, intelligent behavior and the perception of space in autonomous agents. These three factors are usually explored from quite different perspectives, but their relationship is so deep that a conceptual structure joining them must exist. Efforts aimed at developing intelligent robots that have adopted the main paradigms: Cognitivism and Behavior-Based Artificial Intelligence, have not offered the expected results. However, two new approaches are exploring the middle land in an effort to recover, from a new perspective, the insights developed during the last forty years. On one side, Hybrid Architectures try to soften the interface between reactive behavior and deliberative reasoning, through increasingly dense bidirectional information flows. From a different departure point, Dynamical Systems Theory is beginning to be applied to a wide variety of problems related to Artificial Intelligence, which have been traditionally approached from a straightforward computational point of view. This work is an effort is this last direction. Here, we face the problem of spatial perception in autonomous agents from two complementary viewpoints: the development of a conceptual model that is able to explain desirable properties and facts, inspired in animal and human perception; and the experimental validation of basic aspects of the model on a mobile robot built for this purpose. The proposed model is called perceptual space and consists of a dynamical structure -its state evolves with time- that interacts with specific processing modules: the visual module and the motor module. This structure is organized in three levels: the inner space, which keeps an updated copy of the kinematics, dynamics and propioceptive state of the agent; the outer space, where direct perception of proximal environment is carried out; and extended space, whose recursive encapsulated structure keeps, coded and ordered, unbound amounts of spatial information. The inner dynamics of the perceptual space try to continuously reach an equilibrium point, while it is perturbed by inputs from visual and motor modules. The outcome of this interaction becomes, simultaneously, behavior and representation. The robot used in the experimental research is a mobile tank-like platform endowed with a vision head. It uses a modular control architecture that connects to the main computer on board. All the processing is carried out on board and, at the same time, it can comunícate with remote workstations through an Ethernet network