Design Hardwarových Robotických organismů pomocí počítačem řízených evolučních metod

Řešitelé:

Popis projektu ERO (Evolution of Robotical Organisms)

V září 2004 byl na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze zahájen softwarový projekt ERO (Evolution of Robotical Organisms). Tento projekt byl postaven zejména na vědecké práci Karla Simse, publikované v roce 1994 pod názvem Evolving Virtual Creatures.

V průběhu svého vývoje se projekt ERO stal frameworkem pro evoluční experimenty (ve smyslu umělé inteligence a informatiky), s primárním zaměřením pro experimenty se simulovanými 3D virtuálními organizmi.

Mezi vlastnosti projektu ERO patří například:

• systém je založen na jazyku Java

• schopnost distribuovaného výpočtu úkolů náročných na výpočetní sílu (CPU-intensive tasks)

• interaktivní realtime simulace vyvinutých organizmů (pomoci použité technologie ODE [ www.ode.org] pro fyzikální simulace dynamiky pevných těles)

• uživatelsky přívětivé editační rozhraní a prohlížení genotypu vyvíjených organizmů

• přístupnost pokročilých statistik evolučního procesu

• prohlížitelnou historii předchozích generací počas běhu evolučního procesu

Jelikož ERO poskytuje široké spektrum možností použití evolučních algoritmů zejména ve sféře aplikované robotiky, jedním z cílů projektu je navázat na dosažené výsledky v umělém prostředí jejich použitím v praxi, a to zejména pro automatické vytvoření, neboli vývoj, řídících systému pro existující hardwarové modely robotů. Navzdory tomu, že se jedná o čistě výzkumný projekt, toto provázání simulace s realitou představuje významný krok pro použitelnost popsané vědecké práce.

Webové stránky ERO projektu:  http://ero.matfyz.cz

Popis projektu „Design hardwarových robotických organismů pomocí počítačem řízených evolučních metod“

Cílem projektu by mělo být mimo jiné vytvoření funkční verze robotického organizmu existujícího v reálném světě. Hardwarové řešení by mělo co nejvíce odpovídat softwarovému pojetí organizmů ve virtuálním fyzikálním prostředí a vyhovovat mechanizmu evoluce. Současná podoba evoluce v projektu ERO je silně modulární, každý organizmus se skládá z autonomních dílů, které obsahují neuronové sítě komunikující navzájem. Z tohoto pohledu by mělo jít víc než o vytvoření monolitického robotnického organismu, spíš o vytvoření jakési hardwarové stavebnice. Díly stavebnice budou několika typů jejichž přesný 3D model bude převeden do formátu vhodného pro ERO prostředí.

Modelová situace může být tedy dvojího typu. Buď uživatel sestaví z hardwarových součástek nějaký organizmus a úkolem simulované evoluce bude vyvinout pro tuto hardwarovou konfiguraci co nejvhodnější model neuronových sítí pro určitý typ úlohy (pro nějakou konkrétní fitness funkci) nebo se naopak nechá evoluci volnost k sestavení organismu a výsledkem pak bude kromě modelu neuronových sítí také konkrétní plán jak organismus sestavit.

Aby robot fungoval jako libovolně sestavitelná stavebnice, je třeba vytvořit sběrnici procházející tělem celého organizmu a vytvořit protokol pro komunikaci na této sběrnici. Každá další součástka která se k organizmu fyzicky připojí se musí zároveň připojit na sběrnici organizmu a automaticky začít komunikovat s řídícím centrem organizmu. Tento protokol by měl být zároveň schopen automaticky zjistit, jak jsou součástky momentálně spojeny a na požádání vytvořit graf aktuálně sestaveného robotického organizmu.

Hlavní hardwarovou součástkou jejíž vývoj je momentálně hlavní prioritou je autonomní kloub s pomocí digitálně řízeného servomechanismu, schopný přejít z aktuální polohy na požadovanou polohu s dostatečnou přesností a definovanou rychlostí. Tento kloub stejně jako každá součástka hardwarové stavebnice bude obsahovat mikročip schopný komunikovat po sběrnici výše popsaným protokolem a přijímat po této sběrnici příkazy od řídícího centra. V případě kloubu by to měl být jednak příkaz pro změnu polohy serva a jednak zjištění současné polohy serva – neboli - zdali se přesunutí do požadované polohy skutečně povedlo.

Nejdůležitější hardwarovou součástkou bude řídící centrum robotického organizmu, které bude řídit sběrnici a bezdrátově komunikovat s řídícím počítačem. Na straně počítače pak vytvoření knihovny, která bude obsahovat jasně definované API pro ovládání organismu. Tato knihovna bude vytvořena v jazyku Java.

Kromě kloubu a centrálního modulu je třeba vytvořit ještě několik typů součástek (končetiny, rozvětvovací komponenty).

Součásti projektu

Projekt sestává zejména z následujících dílčích součástí:

• Vývoj a konstrukce prototypu hardwarové robotické stavebnice

• Návrh a implementace distribuovaného výpočetního systému DICOS, pro kterýje plánované nasazení ve výpočetním centru METACentrum

• Vývoj softwarové platformy pro evoluci morfologie a nízkoúrovňového řízení robotických organizmů

• Výzkum algoritmů a technik pro vysokoúrovňové řízení a jeho propojení s řízením nízkoúrovňovým (zejména tedy výzkum technik automatického plánování)