Dissertation data driven derivation of skills for autonomous

Phương pháp luận luận văn phân tích dữ liệu xác định kỹ năng tự trị dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Trường ĐH

University of Southern California

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án

Năm xuất bản

Số trang

214

Thời gian đọc

33 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt nội dung

I.Dữ liệu thúc đẩy phát triển kỹ năng cho hệ thống tự trị

Nghiên cứu này khám phá cách dữ liệu định hình việc phát triển kỹ năng cho các hệ thống tự trị. Việc phân tích dữ liệu là trọng tâm. Dữ liệu cung cấp thông tin chi tiết quan trọng. Các tác nhân tự chủ yêu cầu bộ kỹ năng phức tạp. Quy trình khai thác dữ liệu tiên tiến tạo ra các kỹ năng này. Đây là nền tảng cho sự tiến bộ của AI.

1.1. Tầm quan trọng của phân tích dữ liệu lớn

Dữ liệu lớn đóng vai trò then chốt. Nó cung cấp cơ sở để hiểu hành vi. Các mô hình hành vi phức tạp được xây dựng từ dữ liệu. Phân tích này hỗ trợ nhận diện mẫu. Đây là bước đầu để xác định kỹ năng. Phân tích dữ liệu hiệu quả dẫn đến hiệu suất cao hơn.

1.2. Quy trình khai thác kỹ năng từ dữ liệu

Quy trình này bao gồm thu thập dữ liệu thô. Sau đó là làm sạch và xử lý dữ liệu. Các thuật toán chuyên biệt được áp dụng. Mục tiêu là trích xuất các mẫu kỹ năng. Các kỹ năng này sau đó được mã hóa. Chúng trở thành thành phần cho tác nhân thông minh.

1.3. Cơ sở lý thuyết cho hệ thống tự động

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về học tăng cường. Các nguyên tắc điều khiển học cũng được áp dụng. Mục tiêu là tạo ra sự tự chủ thực sự. Các hệ thống tự động phải thích nghi. Cơ sở lý thuyết vững chắc đảm bảo tính bền vững. Đây là nền tảng cho các hệ thống tự trị hoạt động hiệu quả.

II.Xác định kỹ năng AI cốt lõi cho tác nhân thông minh

Việc xác định kỹ năng cốt lõi là thiết yếu. Các tác nhân thông minh cần năng lực cụ thể. Nghiên cứu tập trung vào phân loại kỹ năng. Đây là bước quan trọng để xây dựng hệ thống tự trị. Mục tiêu là đảm bảo khả năng thực hiện nhiệm vụ hiệu quả.

2.1. Phân loại kỹ năng cần thiết cho AI

Kỹ năng được phân loại rõ ràng. Chúng bao gồm kỹ năng nhận thức, vận động. Kỹ năng giao tiếp cũng được xem xét. Việc phân loại giúp phát triển có hệ thống. Nó tạo điều kiện cho việc đào tạo tác nhân. AI skills phải phù hợp với mục tiêu.

2.2. Xây dựng mô hình năng lực toàn diện

Mô hình năng lực cung cấp khung làm việc. Nó định nghĩa các kỹ năng cần thiết. Mỗi kỹ năng có các tiêu chí đánh giá. Mô hình này hỗ trợ skill identification. Nó là bản đồ cho sự phát triển. Mô hình đảm bảo tính nhất quán trong đào tạo.

2.3. Đánh giá hiệu suất kỹ năng tác nhân

Đánh giá hiệu suất là bước cuối cùng. Nó đo lường mức độ thành thạo kỹ năng. Các phương pháp định lượng được sử dụng. Phản hồi được sử dụng để tinh chỉnh. Mục tiêu là cải thiện liên tục. Việc này đảm bảo tác nhân hoạt động tối ưu.

III.Học máy và phân tích dữ liệu trong mô hình năng lực

Học máy đóng vai trò trung tâm. Nó cho phép các tác nhân học hỏi từ dữ liệu. Phân tích dữ liệu cung cấp hiểu biết sâu sắc. Sự kết hợp này thúc đẩy mô hình năng lực tiên tiến. Mục tiêu là đạt được khả năng tự thích nghi.

3.1. Kỹ thuật học máy để học kỹ năng

Nhiều kỹ thuật học máy được áp dụng. Bao gồm học tăng cường và học có giám sát. Chúng giúp tác nhân tiếp thu hành vi. Các thuật toán này tối ưu hóa quyết định. Machine learning là nền tảng cho skill acquisition. Nó cho phép cải thiện liên tục.

3.2. Vai trò của phân tích dữ liệu sâu

Phân tích dữ liệu sâu khám phá mối quan hệ. Nó tìm kiếm các mẫu tiềm ẩn trong dữ liệu. Thông tin này rất quan trọng. Nó giúp tinh chỉnh chiến lược học. Phân tích này cũng phát hiện lỗi. Nó đảm bảo tính chính xác của mô hình.

3.3. Tối ưu hóa mô hình năng lực AI

Mô hình năng lực được tối ưu hóa liên tục. Phản hồi từ hiệu suất được sử dụng. Các tham số mô hình được điều chỉnh. Mục tiêu là đạt hiệu quả cao nhất. Việc tối ưu hóa là quá trình lặp đi lặp lại. Nó đảm bảo competency modeling luôn cập nhật.

IV.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cho robot tự động

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm. Điều này đảm bảo tính xác thực của kết quả. Các hệ thống robotics cần được thử nghiệm trong môi trường thực. Quá trình này giúp đánh giá AI skills. Nó cung cấp dữ liệu khách quan.

4.1. Thiết kế thí nghiệm cho robot tự trị

Thiết kế thí nghiệm phải chặt chẽ. Các kịch bản thử nghiệm được xây dựng. Chúng mô phỏng các nhiệm vụ thực tế. Điều kiện môi trường được kiểm soát. Mục tiêu là cô lập các biến số. Thiết kế tốt đảm bảo kết quả đáng tin cậy.

4.2. Thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm

Dữ liệu được thu thập một cách có hệ thống. Cảm biến của robot ghi lại thông tin. Các phép đo hiệu suất được thực hiện. Phân tích dữ liệu sau đó diễn ra. Nó giúp hiểu hành vi của robot. Dữ liệu là bằng chứng cho sự thành công.

4.3. Xác thực kỹ năng qua thử nghiệm

Kỹ năng được xác thực thông qua thử nghiệm. Robot thực hiện các nhiệm vụ được giao. Kết quả được so sánh với tiêu chuẩn. Thử nghiệm lặp lại củng cố niềm tin. Empirical research là cần thiết. Nó chứng minh khả năng thực sự của hệ thống.

V.Thu nhận kỹ năng cho tác nhân robot hình người tự trị

Việc thu nhận kỹ năng là trọng tâm. Các hệ thống robotics hình người cần học hỏi. Chúng phải tương tác với thế giới. Skill acquisition cho phép chúng thích nghi. Nghiên cứu này tập trung vào các phương pháp hiệu quả. Mục tiêu là nâng cao khả năng tự chủ.

5.1. Các chiến lược thu nhận kỹ năng tự động

Nhiều chiến lược được áp dụng. Bao gồm học qua biểu diễn và học tăng cường. Robot tự động khám phá và học. Chúng tích lũy kinh nghiệm qua lại. Các chiến lược này tối ưu hóa quá trình. Đây là chìa khóa cho intelligent agents.

5.2. Chuyển giao và thích ứng kỹ năng

Kỹ năng có thể được chuyển giao. Kiến thức từ một nhiệm vụ được tái sử dụng. Nó được điều chỉnh cho nhiệm vụ mới. Điều này tăng cường hiệu quả học tập. Autonomous systems hưởng lợi từ điều này. Chúng trở nên linh hoạt hơn trong ứng dụng.

5.3. Thách thức trong việc học kỹ năng robot

Việc học kỹ năng robot gặp nhiều thách thức. Bao gồm sự phức tạp của môi trường. Dữ liệu huấn luyện hạn chế cũng là vấn đề. Vấn đề an toàn và đạo đức cần được xem xét. Nghiên cứu này giải quyết các rào cản này. Mục tiêu là phát triển giải pháp mạnh mẽ.

VI.Ứng dụng và tác động của kỹ năng tự chủ tiên tiến

Kỹ năng tự chủ tiên tiến có ý nghĩa lớn. Chúng mở ra nhiều cánh cửa ứng dụng. Các hệ thống tự trị sẽ định hình tương lai. Nghiên cứu này xem xét tác động. Nó đánh giá tiềm năng thay đổi cuộc sống.

6.1. Tiềm năng ứng dụng trong các ngành

Kỹ năng tự chủ ứng dụng rộng rãi. Trong y tế, sản xuất, dịch vụ. Các robot hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh vực. Chúng tăng cường năng suất và an toàn. Đây là một bước tiến lớn cho robotics.

6.2. Ảnh hưởng đến sự phát triển của AI

Nghiên cứu này thúc đẩy AI. Nó cung cấp phương pháp mới. Các AI skills được định nghĩa rõ hơn. Điều này dẫn đến các tác nhân thông minh hơn. Tác động này sẽ lan rộng. Nó ảnh hưởng đến toàn bộ lĩnh vực công nghệ.

6.3. Hướng nghiên cứu tương lai về kỹ năng

Nghiên cứu mở ra các hướng mới. Cần thêm khám phá về skill acquisition. Các phương pháp học tăng cường cần được cải thiện. Tương tác người-robot là một lĩnh vực quan trọng. Việc phát triển kỹ năng tiếp tục là ưu tiên hàng đầu.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Dissertation data driven derivation of skills for autonomous

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (214 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

DATA-DRIVEN DERIVATION OF SKILLS FOR AUTONOMOUS HUMANOID AGENTS by Odest Chadwicke Jenkins A Dissertation Presented to the FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree DOCTOR OF PHILOSOPHY (COMPUTER SCIENCE) December 2003 Copyright 2003 Odest Chadwicke Jenkins Acknowledgements My experiences leading to the completion of this dissertation have been extremely re- warding, but also a tremendous amount of work. Along the way, I have benefited from the guidance, support, and camaraderie of many individuals, whom I now acknowledge and thank. I would like to first thank my parents, Odest Charles Jenkins and Dr. Nadine Francis Jenkins, and family for raising me to be a conscientious individual and for being a con- tinual source of encouragement in my endeavors.

Thanks for being patient with me. It is difficult for me to imagine how I could have come this far without the help of my wife Sarah. She has been an invaluable companion and partner who has supported and tol- erated me throughout my time as a graduate student, especially near deadlines. Thanks for buffering me from the rigors of daily life.

I consider myself fortunate for having had Professor Maja Matarić serve as my advisor and collaborator over the past four years. I thank Maja for providing me with direction and inspiration in my research while remaining open to my ideas and encouraging me to speak my mind. I have appreciated Maja setting a high bar in her expectations of me, even when they are the source of our “discussions”. ii I am grateful to the members of my defense and proposal committees for their time, consideration, and constructive feedback towards developing my dissertation.

Specifically, I thank Professor Stefan Schaal for being an excellent teacher and exposing me to the benefits of machine learning, Professor Carolee Winstein for helping me relate my work to fields outside of robotics and computer science, Professor Ulrich Neumann for insights into evaluating my methodology, and Professor William Swartout for valuable comments on improving the presentation of my work and its relationship to computer animation. My time at USC would not have been the same without the various friends (and accomplices) that I have met along the way. While a plethora of great work is produced in our robotics lab, it would not be possible without the underappreciated and less glam- orous (if that is possible) work of our administrative staff, Kusum Shori, Angela Megert, and Aimee Barnard. I particularly thank Angie for sharing a common vision and the frustrations that come with trying to improve the status quo.

Thanks to a selfless friend, Monica Nicolescu, who has helped me throughout my time in the lab and shared in the work and frustrations of graduate student life. I appreciate that Monica has always been available for a spontaneous venting session. Thanks to Brian “Beef” Gerkey for all his help over the years as our de facto sys admin, for engaging conversations about the state of the world (keep fighting The Man, brother), and for giving me a reason to brave the west side. Thanks to Andrew Howard for being a continual source of valued criticism, a role model for me as a scientist, and a really smart dude.

Thanks to a great friend and my favorite sounding board for ideas, Gabriel Brostow, whose enthusiasm and drive has been infectious. Thanks to one of the most prepared people that I know, Dani Goldberg, for showing me how to be a successful iii Ph. student while maintaining a sense of fun. I am grateful to have collaborated with excellent humanoid robotics researchers in our lab, including: Stefan Weber whose free- spirited energy helped establish the fun atmosphere of the lab, Ajo Fod who was the other original inhabitant of the Beefy Lounge, Chi-Wei (Wayne) Chu who has braved the inner depths of my programming and survived, Evan Drumwright whose sense of humor is like multiple pieces of genius.

Thanks also to fellow humanoids Amit Ramesh and Marcelo Kallmann. I have benefited from my interactions with the faculty and postdocs in the USC Robotics Labs including Professor Gaurav Sukhatme, Richard Vaughan, Paolo Pirjanian, Ash Tews, and Torby Dahl. The Robotics Lab has been a fun environment to work in because of people such as Jacob Fredslund, Kasper Stoy, Esben Ostergaard, the ultimate hoop warrior Chris Vernon Jones, Jens Wawerla, Helen Yan, the always dapper, witty, and “rispiktfil” Dylan “Lord Flexington” Shell, Nate Koenig, Kale Harbick, and Gabe Sibley. I also thank Doug Fidaleo and the people of CGIT who showed me why an RV is not a good idea for going to conferences, Mircea Nicolescu for making soccer enjoyable, Alex Francois for introducing me to rugby, Kaz Okada for invaluable pointers to various dimension reduction techniques, and Didi Yao and other my colleagues in the CSGO.

I am grateful to Jessica Hodgins for giving me my start as a robotics researcher in the Animation Lab while at Georgia Tech and providing motion data that were critical in evaluating my work. Thanks to the Mathematics and Computer Science Department at Alma College for the personal attention and interest in my academic development as an undergraduate and for giving me the confidence to pursue graduate studies. While iv at Alma, I was fortunate to have met my friend James Blum, whose constant drive for innovation and finding solutions has been an example for my direction as a computer scientist and a leader. Big ups to Roger the Sealion.

The research reported in this dissertation was conducted at the Robotics Research Laboratory in the Computer Science Department at the University of Southern California and supported in part by the USC All-University Predoctoral Fellowship, DARPA MARS Program grants DABT63-99-1-0015 and NAG9-1444 and ONR MURI grants N00014-01- 1-0354 and SA3319. v Contents Acknowledgements ii List Of Tables ix List Of Figures x Abstract xvi 1 Introduction 1 1.1 Aims and Motivation .2 General Approach to Autonomous Humanoid Control .3 Issues in Developing Humanoid Capabilities .1 Modularity for Autonomous Humanoid Control .2 Representing Motion Capabilities .2 Hidden Markov Models .3 Linear Dimension Reduction .4 Nonlinear Dimension Reduction .4 Motivation from Neuroscience .5 Acquisition of Human Motion. 43 3 Spatio-temporal Isomap 44 3.1 Linear Dimension Reduction .1 Principal Components Analysis .2 Independent Components Analysis .2 Nonlinear Dimension Reduction .2 Principal Curves and Piecewise PCA .4 Local Spectral Dimension Reduction .5 Multidimensional Scaling and Global Spectral Dimension Reduction .3 Spatio-Temporal Isomap .1 The Extendability of Isomap .2 Issues in Applying and Extending Isomap .3 Incorporating Temporal Dependencies .1 Common Temporal Neighbors .4 Sequentially Continuous Spatio-temporal Isomap .5 Sequentially Segmented Spatio-temporal Isomap. 71 4 Performance-Derived Behavior Vocabularies 73 4.1 What is a Behavior Vocabulary? .2 Motion Performance Preprocessing .3 Kinematic Centroid Segmentation .3 Grouping Primitive Behavior Exemplars .4 Generalizing Primitive Feature Groups .5 Deriving Meta-level Behaviors .1 Input Motion Descriptions .2 Behavior Vocabulary Derivation Results .1 Grouping Exemplars into Features .2 Primitive Eager Evaulation .3 Meta-level Convergence .3 Individual Activity Isolation .4 Humanoid Agent Control .5 Synthesized Motion Feedback .1 Consistency and Sensibility in Motion Preprocessing .2 Parameter Tuning for ST-Isomap and Exemplar Grouping .3 Splitting and Merging of Feature Groups .4 Temporal Neighbors vs.5 Primitive Behavior Generalization .1 Support Volume Coverage for Primitive Flowfields .7 When is PCA or Spatial Isomap Appropriate For Motion Data?.

142 6 Applying Behavior Vocabularies to Movement Imitation 144 6.1 Motion Synthesis from a Vocabulary .2 Classification of Motion into a Vocabulary .1 Imitation through Trajectory Encoding .2 Imitation through Controller Encoding .1 Avenues for Further Research. 159 Reference List 160 Appendix A Collecting Natural Human Performance .1 Kinematic Model and Motion Capture .1 Volume Sequence Capture .2 Nonlinear Spherical Shells .3 Model and Motion Capture .4 Results and Observations .5 Extensions for Continuing Work .2 Embedded Motion Capture from Sensor Networks. 183 Appendix B Applying Spatio-temporal Isomap to Robonaut Sensory Data. 191 viii List Of Tables 2.1 Script of performed activities for Input Motion 1.

This scripts lists manu- ally assigned descriptions of activities, interval of performance, and number of segments from manual segmentation.2 Statistics about the segments produced by each segmentation method for each input motion without global position and orientation. The statistics for each segmentation specify the number of segments produced, mean seg- ment length, standard deviation of the segment lengths, minimum segment length, and maximum segment length.3 Number of primitives derived for each input motion and each segmentation procedure. 126 ix List Of Figures 1.1 Humanoid agents can be physically embodied, as with the NASA Robo- nauts [1] (left), or virtually embodied in physical simulations, as with Ado- nis [91] (center) and Zordan’s boxing simulation [148] (right).2 Our general approach to autonomous humanoid control consists of: i) an agent plant as the embodied interface to the world, ii) motor level sens- ing and actuation for achieving desired static configurations, iii) skill level capabilities for setting configurations over time according to a motor pro- gram, and iv) task level controllers for directing skills to achieve the ob- jectives of the agent.3 Examples of functionality modes for interfacing with a vocabulary of skill level capabilities. These modes include abstracting motor level functions, supporting task level functions, and encoding skill level interactions.

Re- gardless of functionality, the underlying skill behaviors should not change.1 Performance-Derived Behavior Vocabularies consist of four main steps: preprocessing, exemplar grouping, behavior generalization, and meta-level behavior grouping. Preprocessing produces a data set of motion segments from real-world human performance. Exemplar grouping uses spatio-temporal Isomap to cluster motion variations of the same underlying behavior. Ex- emplars of a behavior are generalized through interpolation and eager eval- uation.

Compositions of primitive behaviors are found as meta-level be- haviors by iteratively using spatio-temporal Isomap.2 Z-function segmentation of a motion stream. The value of the z-function is plotted over time. Horizontal lines are various thresholds considered based on proportions of the maximum, mean, and median value of the function. The thick line, representing 2 times the mean of the function, was used as the threshold.

Dots indicate segment boundaries based on this threshold.3 Kinematic centroid segmentation for one segment of a motion stream. (a) A visualization of the motion being segmented with the spheres indicating the trajectories of the shoulders (blue), kinematic centroids (red), and end-effectors (magenta) of the right and left arms. (b-d) Plots of the offset distance for the kinematic centroid of the right arm for three motion segments. The points on these plots indicate the beginning of the current segment, passing of the “large motion” threshold, and placement of the next segment boundary, respectively.4 A primitive flowfield for a horizonal arm waving behavior.

The flowfield moves forward from black to red, with exemplars in blue. Motion for selected exemplars of this primitive are shown.1 (a) A snapshot of the human performer instrumented with reflective mark- ers during the execution of a demonstration motion stream. (b) A visual- ization of the human performer’s kinematics at the time of the snapshot using the post-processed motion stream.2 Results of first (left column) and second (right column) level exemplar grouping for Input Motion 1. (a,b) Distance matrices produced by ST- Isomap.

(c,d) Embeddings produced (blue line) and feature groups (color coded spheres) found by ST-Isomap. (e,f) Transition probabilities between pairs feature groups.3 Results of first (left column) and second (right column) level exemplar grouping for Input Motion 2. (a,b) Distance matrices produced by ST- Isomap. (c,d) Embeddings produced (blue line) and feature groups (color coded spheres) found by ST-Isomap.

(e,f) Transition probabilities between pairs feature groups.4 Results of first (left column) and second (right column) level exemplar grouping for Input Motion 3. (a,b) Distance matrices produced by ST- Isomap. (c,d) Embeddings produced (blue line) and feature groups (color coded spheres) found by ST-Isomap. (e,f) Transition probabilities between pairs feature groups.5 3D embeddings of Input Motion 1 and 3 using (a,b) PCA, (c,d) spatial Isomap, and (e,f) spatio-temporal Isomap.

Distances matrices for (g,h) the disconnected components of spatial Isomap and (i,j) the single connected component of spatio-temporal Isomap.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" nghiên cứu về vấn đề gì?

Phương pháp luận luận văn phân tích dữ liệu xác định kỹ năng tự trị dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of Southern California. Năm bảo vệ: 2003.

Luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" thuộc chuyên ngành Khoa học máy tính. Danh mục: Trí Tuệ Nhân Tạo.

Luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" có bao nhiêu trang?

Luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" có 214 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Dissertation data driven derivation of skills for autonomous" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter