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La robotique au service des personnes agées: défis et résultats dans le cadre du projet Nursebot Joelle Pineau - Carnegie Mellon University.

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1 La robotique au service des personnes agées: défis et résultats dans le cadre du projet Nursebot Joelle Pineau - Carnegie Mellon University

2 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le robot Pearl Pearl est un assistant robotisé pour personnes agées et personnel médical. yeux articulés et caméras sonars barre dappuie base mobile plateau de livraison bouche LCD écran touchscreen microphone et haut-parleurs laser

3 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Profile dune population vieillissante Prévision (E.-U.): 450,000 infirmières à recruter dici 2008

4 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Transport dobjets Transport dobjets Soins à distance Socialisation Appel à laide Surveillance Source dinformation Source dinformation Suivi des ADLs (Activities of daily living) Suivi des ADLs (Activities of daily living) Aide-mémoire Aide physique Lien entre personnel de soutien Lien entre personnel de soutien Notre vision de la robotique gériatrique

5 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le projet Nursebot à ses débuts

6 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Architecture Aide-mémoireNavigationCommunication Contrôleur en chef

7 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Localisation et construction de carte (Burgard et al., 1999) Détection des individus (Montemerlo et al., 2002) Analyse des mouvements (Bennewitz et al., 2001) Architecture Aide-mémoireNavigationCommunication Contrôleur en chef

8 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Navigation à base de système de particules

9 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Détection des individus

10 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Analyse des mouvements

11 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Système Autominder (Pollack et al., 2002) Architecture Aide-mémoireNavigationCommunication Contrôleur en chef

12 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Système Autominder Horaire de lutilisateur Modèle de lutilisateur Info des capteurs Messages aide-mémoire Mise à jour du plan Préférences Info de lutilisateur Activités à lhoraire Activités à lhoraire Activités complétées

13 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Reconnaissance de la parole: Système Sphinx (Ravishankar, 1996) Synthèse de la parole: Système Festival (Black et al., 1999) Architecture Aide-mémoireNavigationCommunication Contrôleur en chef

14 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Reconnaissance de la parole avec Sphinx

15 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le rôle du contrôleur en chef: Établir les priorités parmi les objectifs des différents modules Négocier entre plusieurs objectifs ayant des coûts/gains variés Planifier malgré la présence dincertitude Négocier entre lacquisition dinformation et la rencontre des objectifs Établir les priorités parmi les objectifs des différents modules Négocier entre plusieurs objectifs ayant des coûts/gains variés Négocier entre lacquisition dinformation et la rencontre des objectifs Passer dune tâche à lautre en partageant linformation sensorielle Planifier malgré la présence dincertitude Aide-mémoireNavigationCommunication Contrôleur en chef

16 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Processus de Décision Markoviens Partiellement Observables Le contrôle des robots à base de Processus de Décision Markoviens Partiellement Observables (POMDPs) Utilisateur + Environnement + Robot Actions Observations Coûts/Gains Croyance (belief state) Etat

17 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées La famille de modèles Markoviens Chaîne de Markov Modèle de Markov caché (HMM) Processus de Décision Markovien (MDP) Processus de Décision Markovien Partiellement Observable (POMDP) Ambiguité quand à létat? nonoui Choix daction? oui non

18 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le POMDP est un septuple { S, A,, b, T, O, R } b t-1 ?? a t-1 otot s t-1 stst... ?? o t-1... r t-1 rtrt Le modèle Croyance: Etat: Control:

19 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le POMDP est un septuple { S, A,, b, T, O, R } Problème #1:Ajuster la croyance En quoi est-ce que la plus récente observation change la croyance? b t-1 ?? a t-1 otot s t-1 stst... ?? o t-1... r t-1 rtrt Le modèle Croyance: Etat: Control:

20 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le POMDP est un septuple { S, A,, b, T, O, R } Problème #1:Ajuster la croyance En quoi est-ce que la plus récente observation change la croyance? Problème #2:Trouver un plan Quelle action permettra au robot de maximiser ses gains? b t-1 ?? a t-1 otot s t-1 stst... ?? o t-1... r t-1 rtrt Le modèle Difficile! Croyance: Etat: Control:

21 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Méthodes de résolution pour POMDP Notre objectif: Trouver un plan, (b), qui maximise les gains. Complexité Performance POMDP QMDP MDP FIB UMDP AMDP IDEAL!

22 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Nouvelle approche: Une hiérarchie de POMDPs Concept: Exploiter notre connaissance du domaine pour diviser un POMDP en plusieurs POMDPs. Motivation: La complexité de la planification POMDP croît de façon exponentielle avec le nombre dactions. Agit ExamineSanté Navigue Avance VérifiePoulx ClarifieBut NordSudEstOuest VérifieMeds tâche super-action action

23 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées PolCA: La planification avec hiérarchie de POMDPs Etant donné POMDP M = { S, A,, b, T, O, R } et hiérarchie H Pour chaque tâche h H: 1) Choisir les composantes A h sous-tâches S h S h Navigue Avance ClarifieBut SudEst Ouest Nord A Avance ={N,S,E,W} S Avance = S Avance = A Navigue ={ClarifieBut,Avance} S Navigue = S Navigue =

24 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées PolCA: La planification avec hiérarchie de POMDPs Etant donné POMDP M = { S, A,, b, T, O, R } et hiérarchie H Pour chaque tâche h H: 1) Choisir les composantes A h sous-tâches S h S h 2) Minimiser le modèle S h {z h (s 0 ), …, z h (s n )} h {y h (o 0 ), …, y h (o p )} Navigue Avance ClarifieBut SudEst Ouest Nord A Avance ={N,S,E,W} S Avance ={X,Y} Avance ={o 0,…,o m } A Navigue ={ClarifieBut,Avance} S Navigue ={X,Y,Destination} Navigue ={o 0,…,o p }

25 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées PolCA: La planification avec hiérarchie de POMDPs Etant donné POMDP M = { S, A,, b, T, O, R } et hiérarchie H Pour chaque tâche h H: 1) Choisir les composantes A h sous-tâches S h S h 2) Minimiser le modèle S h {z h (s 0 ), …, z h (s n )} h {y h (o 0 ), …, y h (o p )} 3) Choisir les paramètres { b h,T h,O h,R h } { b,T,O,R} Navigue Avance ClarifieBut SudEst Ouest Nord A Avance ={N,S,E,W} S Avance ={X,Y} Avance ={o 0,…,o m } A Navigue ={ClarifieBut,Avance} S Navigue ={X,Y,Destination} Navigue ={o 0,…,o p }

26 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées PolCA: La planification avec hiérarchie de POMDPs Etant donné POMDP M = { S, A,, b, T, O, R } et hiérarchie H Pour chaque tâche h H: 1) Choisir les composantes A h sous-tâches S h S h 2) Minimiser le modèle S h {z h (s 0 ), …, z h (s n )} h {y h (o 0 ), …, y h (o p )} 3) Choisir les paramètres { b h,T h,O h,R h } { b,T,O,R} 4) Planifier tâche h h { b h, T h, O h, R h } Navigue Avance ClarifieBut SudEst Ouest Nord A Avance ={N,S,E,W} S Avance ={X,Y} Avance ={o 0,…,o m } A Navigue ={ClarifieBut,Avance} S Navigue ={X,Y,Destination} Navigue ={o 0,…,o p }

27 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Lexécution avec hiérarchie de POMDPs Traverser la hiérarchie de haut-en-bas. Pour chaque tâche, consulter le plan a t h (b t ) Cas #1: a t termine une branche, > appliquer cette action. Cas #2: a t est une sous-tâche, > passer à cette sous-tâche. Agit ExamineSanté Navigue Avance VérifiePoulx ClarifieBut NordSudEst Ouest VérifieMeds

28 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Première étude en simulation Domaine 20-questions: Agent: Est-ce quil sagit dun animal? Utilisateur: Non. Agent: Est-ce quil sagit dun légume? Utilisateur: Oui. Agent: Est-ce que cest vert? Utilisateur: Non. Agent:...? Agent: Est-ce quil sagit dun animal? Utilisateur: Non. Agent: Est-ce quil sagit dun légume? Utilisateur: Oui. Agent: Est-ce que cest vert? Utilisateur: Non. Agent:...? Objectif : Planifier une série de questions permettant de découvrir lobjet choisi. Petite complication…. lutilisateur peut changer dobjet nimporte quand ( Pr = 0.1 ), sans en avertir lagent.

29 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Première étude en simulation Domaine 20-questions: Agent: Est-ce quil sagit dun animal? Utilisateur: Non. Agent: Est-ce quil sagit dun légume? Utilisateur: Oui. Agent: Est-ce que cest vert? Utilisateur: Non. Agent:...? Agent: Est-ce quil sagit dun animal? Utilisateur: Non. Agent: Est-ce quil sagit dun légume? Utilisateur: Oui. Agent: Est-ce que cest vert? Utilisateur: Non. Agent:...? Actions Objectif : Planifier une série de questions permettant de découvrir lobjet choisi. Petite complication…. lutilisateur peut changer dobjet nimporte quand ( Pr = 0.1 ), sans en avertir lagent.

30 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Première étude en simulation Domaine 20-questions: Agent: Est-ce quil sagit dun animal? Utilisateur: Non. Agent: Est-ce quil sagit dun légume? Utilisateur: Oui. Agent: Est-ce que cest vert? Utilisateur: Non. Agent:...? Agent: Est-ce quil sagit dun animal? Utilisateur: Non. Agent: Est-ce quil sagit dun légume? Utilisateur: Oui. Agent: Est-ce que cest vert? Utilisateur: Non. Agent:...? Observations Objectif : Planifier une série de questions permettant de découvrir lobjet choisi. Petite complication…. lutilisateur peut changer dobjet nimporte quand ( Pr = 0.1 ), sans en avertir lagent.

31 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Etats:1 par objet (e.g. tomate, concombre, lapin, tortue, tulipe, ….) Observations:oui, non, Actions:1 réponse par objetGains:question= -1 + plusieurs questionsbonne réponse = +5 mauvaise réponse = -20 Les détails Les Animaux Début Animal? Les VégétauxLes Minéraux Végétal?Minéral? Mammiphère?LAPINHerbivore?TORTUE…? ……

32 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Résultats Domaine: |S|=1 2, |A|=20, |O|=3

33 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Une nouvelle décomposition Les Animaux Début Les VégétauxLes Minéraux Animal?Végétal?Minéral? Mammiphère?LAPINHerbivore?TORTUE…? … …

34 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Une nouvelle décomposition Les Animaux Début Les VégétauxLes Minéraux Les FruitsLes Légumes Animal?Végétal?Minéral? Mammiphère?LAPINHerbivore?TORTUE…? … ……

35 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Résultats Domaine: |S|=1 2, |A|=20, |O|=3

36 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Un exemple plus intéressant Objectif: Le robot est deployé dans un foyer de personnes agées, ou il fournit des rappels à ses utilisateurs et les accompagnent à leurs rendez-vous. Domaine : |S|=512, |A|=20, |O|=19 Hiérarchie:

37 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Résultats pour système de dialogue Nombre moyen derreurs par action Utilisateur 1 Utilisateur 2 Utilisateur 3 Plan POMDP Plan MDP

38 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Scénario

39 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Travail à venir Adaptation et apprentissage de paramètres reliés à la reconnaissance de la parole et aux préférences de lutilisateur. Nouvelles techniques pour approximer les POMDPs. Demonstration démotions et/ou personnalité utilisant une nouvelle tête. Ajout dun bras pour manipuler des objets. Nouvelles barres dappui pour supporter un utilisateur en mouvement.

40 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Le mot de la fin Nous avons developé un premier prototype dun robot pouvant servir dassistant mobile pour personnes agées. Le robot utilise une variante hiérarchique du modèle POMDP pour sa planification daction. Ceci lui permet dacquérir linformation nécéssaire pour satisfaire ses objectifs. Plusieurs autres méthodes probabilistiques sont utilisées dans le cadre de modules specialisés, tels que la détection dindividus et la planification de messages aide-mémoire.

41 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Pour plus de détails: Léquipe Nursebot CMU - Robotics: Greg Armstrong Michael Montemerlo Joelle Pineau Nicholas Roy Jamie Schulte Sebastian Thrun CMU - HCI/Design: Francine Gemperle Jennifer Goetz Sarah Kiesler Aaron Powers U. of Pittsburgh - Nursing: Jacqueline Dunbar-Jacobs Sandra Engberg Judith Matthews U. of Pittsburgh - CS: Don Chiarulli Colleen McCarthy U. of Freiburg - CS: Maren Bennewitz Wolfram Burgard Dirk Schulz U. of Michigan - CS: Laura Brown Dirk Colbry Cheryl Orosz Bart Peintner Martha Pollack Sailesh Ramakrishnan Standard Robotics: Greg Baltus

42 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Comment choisir les paramètres? Considerons par exemple T Navigue (s,a,s) Cas #1: a est une action. T Navigue (s,ClarifieBut,s) T(s,ClarifieBut,s) Navigue Avance ClarifieBut SudEst Ouest Nord S S Sud S Nord S S ClarifieBut

43 Joelle Pineau Nursebot: La robotique au service des personnes agées Comment choisir les paramètres? Considerons par exemple T Navigue (s,a,s) Cas #1: a est une action. T Navigue (s,ClarifieBut,s) T(s,ClarifieBut,s) Cas #2: a est une super-action. T Navigue (s,Avance,s) T(s, Avance (s),s) Navigue Avance ClarifieBut SudEst Ouest Nord S S Sud S Nord S S ClarifieBut


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