A multi-hierarchical symbolic model of the environment for improving mobile robot operation

Abstract

El trabajo desarrollado en esta tesis se centra en el estudio y aplicación de estructuras multijerárquicas, que representan el entorno de un robot móvil, con el objetivo de mejorar su capacidad de realizar tareas complejas en escenarios humanos.

Un robot móvil debe poseer una representación simbólica de su entorno para poder llevar a cabo operaciones deliberativas, por ejemplo planificar tareas. Sin embargo a la hora de representar simbólicamente entornos reales, dado su complejidad, es imprescindible contar con mecanismos capaces de organizar y facilitar el acceso a la ingente cantidad de información que de ellos se deriva.

Aparte del inconveniente de tratar con grandes cantidades de información, existen otros problemas subyacentes de la representación simbólica de entornos reales, los cuales aún no han sido resueltos por completo en la literatura científica. Uno de ellos consiste en el mantenimiento de la representación simbólica optimizada con respecto a las tareas que el robot debe realizar, y coherente con el entorno en el que se desenvuelve. Otro problema, relacionado con el anterior es la creación/modificación de la información simbólica a partir de información meramente sensorial (este problema es conocido como symbol-grounding).

Esta tesis estudia estos problemas y aporta soluciones mediante estructuras multijerárquicas. Estas estructuras simbólicas, basadas en el concepto de abstracción, imitan la forma en la que los humanos organizamos la información espacial y permite a un robot móvil mejorar sus habilidades en entornos complejos. Las principales contribuciones de este trabajo son:

- Se ha formalizado matemáticamente un modelo simbólico basado en múltiples abstracciones (multijerarquías) mediante Teoría de Categorías.

 Se ha desarrollado un planificador de tareas eficiente que es capaz de aprovechar la organización jerárquica del modelo simbólico del entorno. Nuestro método ha sido validado matemáticamente y se han implementado y comparado dos variantes del mismo (HPWA-1 y HPWA-2).

- Una instancia particular del modelo multijerárquico ha sido estudiada e implementada para organizar información simbólica con el objetivo de mejorar simultáneamente diferentes tareas a realizar por un robot móvil.

- Se ha desarrollado un procedimiento que (1) construye un modelo jerárquico del entorno de un robot, (2) lo mantiene coherente y actualizado y (3) lo optimiza con el fin de mejorar las tareas realizadas por un robot móvil.

- Finalmente, se ha implementado una arquitectura robótica que engloba todas las cuestiones anteriormente citadas. Se han realizado pruebas reales con una silla de ruedas robotizada que ponen de manifiesto la utilidad del uso de estructuras multijerárquicas en robótica móvil.