Universidade de So Paulo Instituto de Cincias Matemtica

Universidade de São Paulo Instituto de Ciências Matemática e de Computação Departamento de Ciências da Computação Laboratório de Aprendizado de Robôs Quem são os robôs? Os desafios da Robótica Profa. Dra. Roseli Aparecida Francelin Romero São Carlos, 20 de agosto de 2013 Roseli A. F. Romero

Sumário Introdução Principais Robôs O que é inteligência? Como são construídos os robôs Robôs Sociais Pesquisas realizadas no Centro de Robótica da USP Perspectivas futuras Roseli A. F. Romero

INTRODUÇÃO Robótica Desde o surgimento da área de Inteligência Artificial, pesquisadores têm estudado formas de desenvolver sistemas para que máquinas atuem de modo inteligente, isto é, semelhante aos seres humanos. Em 1943, Mc. Culloch and Pitts publicaram um trabalho sobre: A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity‘, o qual serviu de inspiração para von Newman construir o EDVAC, o que induziu o surgimento do ENIAC, 1 o computador eletrônico de propósito geral (1943 a 1946) (Haykin, 1994). Os Sistemas Inteligentes (SI), do ponto de vista de Inteligência Artificial (IA), podem ser considerados como: deliberativos, reativos ou híbridos (Arkin, 1989). W. S. Mc. Culloch and W. Pitts , “A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity”, Bulletin of Mathematical Biophysics, Vol. 5, 1943, p. 115 -133, 1943. Roseli A. F. Romero 1

INTRODUÇÃO Primeiro sistema de IA Um dos primeiros sistemas de IA de sucesso foi o utilizado para controlar o robô Shakey, que é um sistema deliberativo (Stanford, EUA. 1969). A pesquisa em IA foi se desenvolvendo, a comunidade de IA foi sendo ampliada e novas subáreas foram surgindo à medida que novos desafios foram aparecendo, mas sempre mantendo o mesmo objetivo: o de tornar a MÁQUINA CAPAZ de realizar tarefas de modo semelhante aos seres humanos. Roseli A. F. Romero 2

PRINCIPAIS ROBÔS Graças aos enormes avanços tecnológicos nas mais diversas áreas do conhecimento observados nas últimas décadas, a robótica está a cada dia se consolidando em aplicações fora de ambientes fabris. Hoje é possível adquirir pela internet vários tipos de robôs: robôs de entretenimento, robôs de serviço que fazem tarefas cotidianas, como limpeza doméstica, robôs assistivos, robôs para vigilância, etc. Roseli A. F. Romero 3

PRINCIPAIS ROBÔS Evolução do Asimo Roseli A. F. Romero 3

O robô da NASA: Curiosity 26/11/2011 -------06/08/2012 Maiores detalhes: http: //g 1. globo. com/ciencia-esaude/noticia/2012/08/curiosity-pousa-em-marte. html Roseli A. F. Romero

PRINCIPAIS ROBÔS Aplicações Roomba Helpmate Calcula o ambiente por meio de sensores infra-vermelho Inicia com movimento espiral até encontrar um obstáculo, e então, contorna o ambiente Fabricante: i. Robot Corporation Segmento: escritório e doméstico Site: http: //www. irobot. com Sistema de navegação em corredores. Sensor para localização é posicionado para cima para que as lâmpadas sejam as referências Fabricante: Kärcher Inc. , Alemanha Segmento: hospital Roseli A. F. Romero Site: http: //www. ntplx. net/~helpmate/ 4

PRINCIPAIS ROBÔS Aplicações Khepera Pioneer Sistema baseado em um sofisticado esquema sensorial e giro Robô modular que oferece vários acessórios como garra e câmera Fabricante: K-Team Mobile Robotics Segmento: pesquisa e educação Site: http: //diwww. epfl. ch/lami/robots/Kfamily/ K-Team. html Fabricante: Stanford Research Institute Segmento: pesquisa e eduação Site: http: //www. activmedia. com/robots Roseli A. F. Romero 5

PRINCIPAIS ROBÔS Aplicações Sea. Otter-2 ROV Underwater Sojourner Câmeras coloridas na parte frontal e traseira. Controlado remotamente. Exploração de Marte no verão de 1997. Totalmente teleoperado, porém, sensores possibilitavam o desvio de obstáculos Fabricante: JW Fishers Segmento: exploração submarina Site: http: //www. jwfishers. com/rov. htm Fabricante: Sunstar Segmento: exploração espacial Site: http: //ranier. oact. hq. nasa. gov/telerobotics_page/telerobotics. shtm

PRINCIPAIS ROBÔS Aplicações . Deve-se ressaltar também o crescente uso de robôs em hospitais e centros cirúrgicos especializados. O robô Da Vinci realiza operação de laparoscopia, retirada de tumores do tórax, etc. Roseli A. F. Romero 6

SISTEMA DE CARRO - ROBÔ NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA Exemplo de Sucesso sucesso Desafio DARPA veículos autônomos devem se mover em um contexto urbano, deve passar por diversos pontos da cidade e desviar de obstáculos, que podem ser outros carros. incorpora planejamento de trajetória Thrun et. al 2010 - Google Previsão Tecnológica Paul Saffo, especialista em tecnologias do futuro, em um artigo publicado em The Sunday Times, 25/10/2009, intitulado: What´s your place in the brave new future? mencionou: "Na década de 1980, foi o computador pessoal: saiu da garagem, mudou o mundo. Na década de 1990, foi a Web. O próximo grande dispositivo a passear em nossas vidas será o robô ". Robôs em breve irão aparecer em todas as áreas de nossas vidas e vai assumir as coisas que fazemos agora como as tarefas diárias, disse Saffo. Dirigir é um bom exemplo. Sebastian Thrun, um colega de Saffo, em Stanford, prevê que em 2015, comboios serão conduzidos por robôs, e que serão comuns nas vias públicas até 2030. 3 Roseli A. F. Romero 36

DEFINIÇÕES Exemplo O que é de um. Sucesso Robô? Uma definição OFICIAL de robô: • RIA (Robotics Industry Association, EUA): “Um robô é um manipulador multifuncional reprogramável, projetado para movimentar materiais e ferramentas através de movimentos programados”.

DEFINIÇÕES Exemplo Robô de estático Sucesso • A definição inclui:

DEFINIÇÕES Exemplo Robôde móvel Sucesso • Mas exclui:

DEFINIÇÕES O Exemplo que é umde Robô Sucesso Móvel? Vamos então usar uma definição mais apropriada de robô móvel: • Arkin, 1998 (adap. ): “Um robô móvel é uma máquina que se movimenta autonomamente em um ambiente, de acordo com funções especificadas. ”

DEFINIÇÕES Exemplo de Sucesso SISTEMAS DE IA • • Sistemas que atuam como humanos. Sistemas que “pensam” racionalmente. Sistemas que atuam racionalmente. Racionalidade = capacidade de alcançar o sucesso esperado na execução de uma tarefa. Grau de Sucesso: medida de desempenho a ser maximizada.

DEFINIÇÕES Exemplo Nossa definição? de Sucesso “Robôs móveis inteligentes são agentes artificiais ativos, com capacidade de locomoção, imersos no mundo físico real”. (Ribeiro, C. ; Realli, A. ; Romero, R. )

APLICAÇÕES Para que servem? Exemplo Para que deservem? Sucesso Várias aplicações: • Monitoração de ambientes; • Pilotagem automática (um carro-robô. . . ); • Exploração (subaquática, planetária, ambientes perigosos); • Busca e resgate; • Realização autônoma de tarefas agrícolas; • Inspeção de tubulações; • Limpeza de grandes áreas; • Funções de guia (por exemplo, em museus).

EXEMPLO Robôs autônomos Exemplocomo de Sucesso guias em museus MINERVA • Projeto conjunto Robot Learning Lab (CMU) e Universidade de Bonn (versão aperfeiçoada de RHINO) • Aproxima-se das pessoas, oferece tours e as conduz. • Utilizada no Smithsonian’s Museum of American History, Washington D. C.

EXEMPLO Exemplo Robôs inteligentes de Sucesso Curiosity, 2012 Não é inteligente EXPLORAÇÃO DE MARTE Rover, 2003

INTERAÇÕES Interação Exemplo entre ode robô Sucesso e o ambiente Sensores Percepção Ambiente Ação Atuadores

INTERAÇÕES Definição das Exemplo interações de Sucesso com o ambiente • Mundo real (ambiente): natureza ruidosa, imprevisível, dinâmica. • Tarefa: frequentemente possui restrições de tempo para execução. Robôs cujas ações são determinadas pelas situações imediatas do ambiente ? Robôs que raciocinam mais profundamente para decidir suas ações, baseados numa certa estrutura (conhecida) do ambiente

INTERAÇÕES Questões Exemplo de projetos de Sucesso de Mobots • Quão complexa é a tarefa? • Quais são as restrições de tempo da tarefa? • Que facilidades/dificuldades são impostas pelo ambiente? • Quais informações seus sensores podem captar? • Quais são as limitações dos seus atuadores? • Quanto conhecimento deve ser retido pelo mobot? • Quantos mobots são necessários para melhor executar uma tarefa? • Os mobots devem ter capacidade de aprender?

Como construir inteligentes? robôs Sistemas Inteligentes Sistema Inteligente Hardware Software (Aprendizado) Tempo Real Roseli A. F. Romero 7

Como construir inteligentes? robôs Exemplo Software de Sucesso 26

Como construir inteligentes? robôs Exemplo Software de Sucesso 27

Como construir inteligentes? robôs Exemplo Hardware de Sucesso 28

Como construir inteligentes? robôs Exemplo Hardware de Sucesso 29

Como construir inteligentes? robôs Exemplo Hardware de Sucesso 30

Campeão na CBR 2011 S. João Del Rei-MG Campeão na CBR 2012 Fortaleza-CE

ROBÔS SOCIÁVEIS Robôs sociáveis devem: Reconhecer outros robôs ou seres humanos Realizar interações sociais Possuir percepções Conseguir interpretar o ambiente no qual estão inseridos Comunicar-se, aprender e se relacionar com seres humanos de uma maneira natural Perceber e entender o comportamento humano para interagir com estes Possuir capacidade de: rastrear características humanas interpretar a fala incorporar mecanismos para o reconhecimento de expressões faciais, gestos e atividades humanas integrar as percepções visuais e auditivas Roseli A. F. Romero 59

ROBÔS SOCIÁVEIS Robô Maggie (Salichs et al. , 2006) (Robotics. Labs UC 3 M, 2006) Integra interfaces com visão, voz e personificação corporal Roseli A. F. Romero 60

ROBÔS SOCIÁVEIS ROBÔ ARISCO Arisco (Dominguez et al. , 2006) expressar comportamentos emocionais por meio de expressões faciais reconhecer comandos de voz localizar a direção do som detectar faces humanas e regiões coloridas detectar movimentos Sistema de atenção compartilhada para garantir melhor interação com o usuário, auxiliando o robô a aprender informações sobre novos objetos e eventos Arisco desenvolve novas crenças e cria associações por meio das interações sociais As novas experiências adquiridas servem para que novos comportamentos possam ser aprendidos e utilizados em interações futuras Roseli A. F. Romero 61

ROBÔS SOCIÁVEIS Trabalhos Relacionados No trabalho de Kirby et al. (2010) foi desenvolvido um modelo afetivo para robôs sociais Criar afeto natural Incluir distinções entre respostas emocionais imediatas, o humor total do robô, e atitudes de longo prazo para cada visitante do robô Desenvolver relações mais duradouras entre o humano e o robô Roboceptionist Roseli A. F. Romero 62

INTERAÇÃO -MÁQUINA HOMEM Trabalhos Relacionados Faces gráficas usadas no Roboceptionist. Na esquerda é o Tank, mostrando felicidade e na direita é a Valerie, mostrando tristeza. Roseli A. F. Romero 63

ROBÔS SOCIÁVEIS ROBÔS KISMET Kismet - Breazeal (2002, 2003) um dos principais trabalhos que incorpora emoções em um robô interage face-a-face com o ser humano expressões faciais As emoções são disparadas por vários eventos que são avaliados com sendo de importância para o bem-estar do robô Cada emoção disparada serve a um conjunto particular de funções para estabelecer uma relação desejada entre o robô e o ambiente As novas experiências adquiridas servem para que novos comportamentos possam ser aprendidos e utilizados em interações futuras Roseli A. F. Romero 64

INTERAÇÃO ROBÔS SOCIÁVEIS HOMEM-MÁQUINA Interação Homem-Máquina Reconhecimento de movimentos humanos para imitação e controle de um robô humanoide. • Sensor de captura: Kinect. • Robô utilizado: Humanoide NAO. • Finalidade: Reconhecer movimentos humanos para que o robô NAO (1) imite os movimentos do corpo de uma pessoa; (2) o robô seja controlado para execução de determinados comportamentos por meio do reconhecimento de pré-definidos movimentos/gestos com relação a algumas junções do corpo de uma pessoa.

ROBÔS SOCIÁVEIS Interação Homem-Máquina Kinect NAO

ROBÔS SOCIÁVEIS Interação Homem-Máquina 1 2 J 1 T 1 J 2 3 T 2 J 1 – Junção do ombro. J 2 – Junção do quadril. T 1 – Triângulo formado pelas junções do ombro, cotovelo e mão. O ângulo destacado no triângulo é o pitch do cotovelo. T 2 – Triângulo formado pelas junções do quadril, joelho e pé. O ângulo destacado no triângulo é o pitch do joelho. 1 – O pitch do ombro é calculado com relação à quão distante o cotovelo está do seu respectivo ombro no eixo Z. 2 – O roll do ombro é calculado com relação à quão distante o cotovelo está do seu respectivo ombro no eixo X. 3 – O roll do quadril é com relação à quão distante o joelho está do seu respectivo quadril no eixo X.

Perspectivas Futuras 1. Criação do Centro de Robótica de São Carlos (CRob-SC) INCT-SEC (INCT em Sistemas Embarcados Críticos) e INOF (Instituto Nacional de Óptica e Fotônica). O INCT-SEC possui atividades de pesquisa e desenvolvimento fortemente focadas em aplicações robóticas de ponta (veículos terrestres e aéreos não tripulados). O INOF tem desenvolvido atividades de pesquisa em sistemas de referência e veículos terrestres autônomos. Roseli A. F. Romero 78

Perspectivas Futuras Emoções Controle de Multiplos Controle de Robôs Heterogêneos Mão Artificial Carro-robô (elétrico) VANTS Controle de quadricópteros/helicópteros Centro de Robótica Roseli A. F. Romero 79

OBRIGADA! Profa. Dra. Roseli Ap. Francelin Romero Roseli A. F. Romero