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Cheap design and behavioral diversity for autonomous adaptive robots


Iida, Fumiya. Cheap design and behavioral diversity for autonomous adaptive robots. 2006, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Adaptive autonome Systeme werden in der realen Welt ständig mit neuen Situationen konfrontiert, die aufgrund der physikalischen Gegebenheiten ihres eigenen Körpers und der Umwelt zustandekommen. Insbesondere müssen sie alle Informationen über die Umwelt mit ihren körpereigenen Sensoren sammeln und adaptives Verhalten trotz stark limitierter Ressourcen (z.B. beschränkte Anzahl Sensoren und Motoren) erreichen. Es stellt sich aber heraus, dass diese physikalischen Einschränkungen aus genützt werden können, um Verhalten zu erzeugen. Diese Idee wurde unter dem Namen "Cheap Design" bekannt, und mehrere Fallstudien konnten ihre biologische Plausibilität demonstrieren. Das diesem Ansatz inhärente Problem ist jedoch, dass es zu einer starken Abhängigkeit des Verhaltens von der Umwelt führt und somit zu einer limitierten Adaptivität. Für ein adaptives System ist eine grosse Verhaltensvielfalt notwendig. Die vorliegende Dissertation untersucht "Cheap Design" und Verhaltensvielfalt im Kontext von "Body Dynamics", morphologischen Eigenschaften und sensor-motorischer Koordination. Dynamische Interaktion zwischen Robotern und ihrer Umwelt wird als zentrales Thema betrachtet, um die zugrundeliegenden Mechanismen von Verhaltensvielfalt zu identifizieren. Es wird ausserdem gezeigt, wie dynamische Interaktionen mit Wahrnehmung und kognitiven Prozessen zusammenhängen. Schliesslich dienen Fallstudien von biologisch inspirierten autonomen Robotern dazu, diese Mechanismen als eine Sammlung von Design-Prinzipien zu konzeptualisieren. Diese Prinzipien können nicht nur für die Konstruktion von Robotern verwendet werden, sondern enthalten auch wichtige Erkenntnisse von biologischen Systemen.

Adaptive autonomous systems in the real world continuously encounter new demanding situations derived from the physical constraints of their own body and the environment. They have to acquire the information about the environment through their own sensory systems, and adaptive behaviors have to be achieved by using a highly restricted amount of resources such as limited number of sensors and motors. It turns out that the physical constraints derived from the body and the environment can also be exploited to achieve behavior. This idea was previously formulated as the principle of "cheap design", and a number of case studies have demonstrated its biological plausibility. The underlying problem of cheap design, however, is that it leads to a strong dependency of the behaviors on the environment, which results in limited adaptivity. In order to realize an adaptive system, behavioral diversity required. This thesis explores cheap design and behavioral diversity in relation to body dynamics, morphological properties, and sensory-motor coordination. By considering dynamic interactions between real-world robots and their environment as the central issue of interest, underlying mechanisms of behavioral diversity are identified. Moreover, it is also shown how these dynamic interactions are related to perception and cognitive processes. Through a number of case studies of biologically inspired autonomous robots, these mechanisms are conceptualized as a set of design principles. These principles can not only be used for building robots but also capture important insights of biological systems.

Abstract

Adaptive autonome Systeme werden in der realen Welt ständig mit neuen Situationen konfrontiert, die aufgrund der physikalischen Gegebenheiten ihres eigenen Körpers und der Umwelt zustandekommen. Insbesondere müssen sie alle Informationen über die Umwelt mit ihren körpereigenen Sensoren sammeln und adaptives Verhalten trotz stark limitierter Ressourcen (z.B. beschränkte Anzahl Sensoren und Motoren) erreichen. Es stellt sich aber heraus, dass diese physikalischen Einschränkungen aus genützt werden können, um Verhalten zu erzeugen. Diese Idee wurde unter dem Namen "Cheap Design" bekannt, und mehrere Fallstudien konnten ihre biologische Plausibilität demonstrieren. Das diesem Ansatz inhärente Problem ist jedoch, dass es zu einer starken Abhängigkeit des Verhaltens von der Umwelt führt und somit zu einer limitierten Adaptivität. Für ein adaptives System ist eine grosse Verhaltensvielfalt notwendig. Die vorliegende Dissertation untersucht "Cheap Design" und Verhaltensvielfalt im Kontext von "Body Dynamics", morphologischen Eigenschaften und sensor-motorischer Koordination. Dynamische Interaktion zwischen Robotern und ihrer Umwelt wird als zentrales Thema betrachtet, um die zugrundeliegenden Mechanismen von Verhaltensvielfalt zu identifizieren. Es wird ausserdem gezeigt, wie dynamische Interaktionen mit Wahrnehmung und kognitiven Prozessen zusammenhängen. Schliesslich dienen Fallstudien von biologisch inspirierten autonomen Robotern dazu, diese Mechanismen als eine Sammlung von Design-Prinzipien zu konzeptualisieren. Diese Prinzipien können nicht nur für die Konstruktion von Robotern verwendet werden, sondern enthalten auch wichtige Erkenntnisse von biologischen Systemen.

Adaptive autonomous systems in the real world continuously encounter new demanding situations derived from the physical constraints of their own body and the environment. They have to acquire the information about the environment through their own sensory systems, and adaptive behaviors have to be achieved by using a highly restricted amount of resources such as limited number of sensors and motors. It turns out that the physical constraints derived from the body and the environment can also be exploited to achieve behavior. This idea was previously formulated as the principle of "cheap design", and a number of case studies have demonstrated its biological plausibility. The underlying problem of cheap design, however, is that it leads to a strong dependency of the behaviors on the environment, which results in limited adaptivity. In order to realize an adaptive system, behavioral diversity required. This thesis explores cheap design and behavioral diversity in relation to body dynamics, morphological properties, and sensory-motor coordination. By considering dynamic interactions between real-world robots and their environment as the central issue of interest, underlying mechanisms of behavioral diversity are identified. Moreover, it is also shown how these dynamic interactions are related to perception and cognitive processes. Through a number of case studies of biologically inspired autonomous robots, these mechanisms are conceptualized as a set of design principles. These principles can not only be used for building robots but also capture important insights of biological systems.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Pfeifer Rolf, Yokoi Hiroshi
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2006
Deposited On:05 Jun 2019 14:41
Last Modified:07 Apr 2020 07:15
Number of Pages:110
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005137369&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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Language: English
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