一種具有內(nèi)發(fā)動機機制的感知運動系統(tǒng)認知及其學習方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有內(nèi)發(fā)動機機制的感知運動系統(tǒng)認知及其學習方法，屬于智能 機器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對智能機器人的研宄已由早期的示教再現(xiàn)型機器人以及具有簡單感知能力的機 器人發(fā)展到今天的認知發(fā)育機器人。認知發(fā)育機器人具有認知和學習的能力，能夠從與環(huán) 境的接觸過程中學習到環(huán)境知識，對于代替人類完成地震、火災(zāi)、深海等危險環(huán)境的任務(wù)具 有重要意義。
[0003] 1952年，日內(nèi)瓦大學心理學教授皮亞杰指出認知發(fā)育的第一階段主要通過其感知 運動技能獲得，而感知運動技能的習得需要感知器官和運動器官協(xié)調(diào)完成，這就涉及到感 知運動系統(tǒng)。感知運動系統(tǒng)對于人或動物運動技能的習得有著重要的指導意義，將這種感 知運動能力復(fù)制到機器人上，使機器人能夠主動探索外部世界，學習世界知識，對認知發(fā)育 機器人的研宄有著重要意義。
[0004] 基于以上背景，本發(fā)明以學習自動機為數(shù)學模型，提出了一種具有內(nèi)發(fā)動機機 制的感知運動系統(tǒng)認知模型并設(shè)計了其學習算法，將其應(yīng)用于機器人上，使機器人可以 模擬人或動物的感知運動認知過程，提高了機器人的認知能力。相關(guān)的專利如申請?zhí)?CN200910086990. 4基于斯金納操作條件反射理論提出了一種操作條件反射自動機模型，并 且基于該模型設(shè)計了一種仿生自主學習控制方法；申請?zhí)朇N200910089263.3同樣基于斯 金納操作條件反射理論提出一種自治操作條件反射自動機，并討論了其在實現(xiàn)智能行為中 的應(yīng)用，以上兩項工作均在操作條件反射的指導下，使用自動機為數(shù)學模型，設(shè)計了新的具 有自學習和自組織能力的仿生自動機，但均未涉及感知運動系統(tǒng)學習過程，同時，二者在學 習過程中均采用依概率機制實施操作，使得模型在達到一定穩(wěn)定狀態(tài)后無法杜絕小概率事 件的發(fā)生。相關(guān)專利申請?zhí)朇N201410101272. 0從仿生學角度模擬生物的感覺運動神經(jīng)系 統(tǒng)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)學模型，將操作條件反射機理融入感覺運動系統(tǒng)的設(shè)計中，采用"勝 者全拿"的動作選擇機制，提出了一種仿生智能控制方法，較好地模擬了生物自學習行為， 證明了感知運動系統(tǒng)在智能體學習過程中的重要性。本發(fā)明以學習自動機為基礎(chǔ)，為感知 運動系統(tǒng)認知過程設(shè)計了一種認知模型及其學習方法，動作選擇上設(shè)計了能夠主動學習環(huán) 境的內(nèi)發(fā)動機機制，在提高系統(tǒng)學習效率的同時，有效避免小概率事件的發(fā)生，提高了系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。目前，尚未見到與本發(fā)明相似的專利記錄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明涉及一種具有內(nèi)發(fā)動機機制的感知運動系統(tǒng)認知及其學習方法，屬于智能 機器人技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)認知模型以學習自動機為基礎(chǔ)，引入好奇心和取向性概念，從生物學 角度出發(fā)，設(shè)計了能夠主動學習環(huán)境的內(nèi)發(fā)動機機制，提高了系統(tǒng)自學習和自組織的能力 及其穩(wěn)定性。模型包括十部分：感知狀態(tài)集合、動作集合、取向性映射集合、狀態(tài)學習次數(shù)、 好奇心、狀態(tài)取向值、取向函數(shù)、取向性學習矩陣、狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)以及知識熵，各部分含義具 體如下：
[0006] (1)S:系統(tǒng)離散感知狀態(tài)集合，S={Si|i= 1，2,…ns}，SiGS為第i個感知狀態(tài)， ^為可感知到的離散狀態(tài)的個數(shù)，針對連續(xù)系統(tǒng)，將需要考慮的連續(xù)狀態(tài)空間離 散化為離散狀態(tài)空間，其中Xmin為所需考慮狀態(tài)的下限值，X_為所需考慮狀態(tài)的上限值，一 般地，對連續(xù)狀態(tài)空間進行均勻劃分，令w= (X^-X^J/n,，則離散化后的狀態(tài)空間為：S= {[Xmin+(i-l)w,Xmin+iw] |i= 1,2,---nj；
[0007](2)M:系統(tǒng)動作集合，M={Mi|i=1, 2,…，nj，Mi={m。|j=1, 2,…，nj，mu表 示系統(tǒng)第i個感知狀態(tài)下第j個可選動作，叫為第i個狀態(tài)下可選動作的個數(shù)；
[0008] (3)0:"感知-運動"取向性映射集合，0= {A|i= 1，2,…ns}，〇i為狀態(tài)\對 應(yīng)的取向性映射矩陣，其中4 ，…，"V…，％I，diag表示括號里的元素以對角 陣的方式儲存，此處元素％的下表i(i= 1，2,…，ns)并不表示元素所在矩陣的行信息，(iG(1，2,…，ns)，jG(1，2,…，叫)）表不一條"感知-運動"映射，表征的是系統(tǒng)在感知 狀態(tài)SiGS下對動作mu的取向性，或稱感知狀態(tài)si與動作mu的感知運動取向性為〇。，規(guī) 定智能體在任何感知狀態(tài)下對該狀態(tài)下所有動作的取向性總和保持不變，即當智能體在某 狀態(tài)下對其中一動作的取向性增加時，同時意味著在該狀態(tài)下對其他動作的取向性減小， 本認知模型中，取向性滿足0 < 〇ij< 1且
【主權(quán)項】
1. 一種具有內(nèi)發(fā)動機機制的感知運動系統(tǒng)認知及其學習方法，其特征在于，系統(tǒng)認知 模型以學習自動機為基礎(chǔ)，設(shè)計為一個十元組<s，M，0,N，C，V，Vs，P，F(xiàn)，E>，各部分內(nèi)容具體 如下： (1)S:系統(tǒng)離散感知狀態(tài)集合，S={Si|i= 1，2,…ns}，SiGS為第i個感知狀態(tài)，1為 可感知到的離散狀態(tài)的個數(shù)，針對連續(xù)系統(tǒng)，將需要考慮的連續(xù)狀態(tài)空間[Xmin，X_]離散化 為離散狀態(tài)空間，其中Xmin為所需考慮狀態(tài)的下限值，X_為所需考慮狀態(tài)的上限值，對連續(xù) 狀態(tài)空間進行均勻劃分，令w= (X^-X^J/n,，則離散化后的狀態(tài)空間為：S= {[X^+a-l) w，Xmin+iw] |i= 1，2,...nj; (2)M:系統(tǒng)動作集合，M= % |i= 1，2, ???，ns}，Mi={m" |j= 1，2, ???，nj，mi」表示系 統(tǒng)第i個感知狀態(tài)下第j個可選動作，叫為第i個狀態(tài)下可選動作的個數(shù)； (3) 0:"感知-運動"取向性映射集合，0={0」1 = 1，2，?1〇，(^為狀態(tài)\對應(yīng)的取向 性映射矩陣，其中〇,=力嘆0,",lxn，diag表示括號里的元素以對角陣的方式儲 存，此處元素％的下表i(i= 1，2,…，ns)并不表示元素所在矩陣的行信息，％(1￡(1，2，? ，ns)，jG(1，2,…，r〇)表示一條"感知-運動"映射，表征的是系統(tǒng)在感知狀態(tài)SiGS下對 動作&的取向性，或稱感知狀態(tài)si與動作mu的感知運動取向性為〇 u，規(guī)定智能體在任何 感知狀態(tài)下對該狀態(tài)下所有動作的取向性總和保持不變，即當智能體在某狀態(tài)下對其中一 動作的取向性增加時，同時意味著在該狀態(tài)下對其他動作的取向性減小，本認知模型中，取 向性滿足0彡〇ij彡1且|>,7 = 1 ; y-i (4) N:狀態(tài)學習次數(shù)，N=仉|i= 1，2,…，nj，隊為至t時刻狀態(tài)s顏學習的次數(shù)； (5)C:好奇心，C= |i= 1，2,…nj，q為狀態(tài)si的好奇心； (6)V:系統(tǒng)狀態(tài)取向值，用來決定取向函數(shù)的值，V={Vili= 1，2,…ns}，為滿足系統(tǒng) 普適性，定義ViG[-1，1]，-1為最差狀態(tài)的狀態(tài)取向值，1為最理想狀態(tài)的狀態(tài)取向值， 對于離散系統(tǒng)，根據(jù)實際情況定義各狀態(tài)的取向值，對于連續(xù)系統(tǒng)，對離散化后的狀態(tài)定義 離散狀態(tài)取向值，也在線計算所處狀態(tài)的連續(xù)狀態(tài)取向值，針對連續(xù)系統(tǒng)，狀態(tài)取向值的計 算方法為：h )/(1 +J,e#)，1表征期望狀態(tài)和實際狀態(tài)之間的誤差程度，定義 為Kt) = (Xb-X"t))2,其中Xb為期望狀態(tài)值，X"t)為t時亥IJ實際狀態(tài)值，Vi被歸一化到 [-1，1]之間，且為1的減函數(shù)，意味著t時刻所處狀態(tài)與期望狀態(tài)之間誤差越大，狀態(tài)取向 值越小，所處狀態(tài)與期望狀態(tài)之間誤差越小，狀態(tài)取向值越大，符合生物取向性，A為歸一 化系數(shù)； (7) Vs:取向函數(shù)，Vs=aVn+b(Vn-V。)，入和Vn分別表示執(zhí)行某一動作的前后狀態(tài)，取向 函數(shù)影響系統(tǒng)取向性的變化方向，既與狀態(tài)取向值變化過程相關(guān)，也與變化后所處狀態(tài)的 狀態(tài)取向值相關(guān)，其中a多0，b多0為取向函數(shù)參數(shù)，其取值應(yīng)保證取向函數(shù)的正負號不改 變（Vn_V。）的正負號，且滿足a+b= 1，通過學習得到； (8)P:取向性學習矩陣，P= {P」i=l，2，?ns}，作用是依據(jù)取向函數(shù)所提供的信息， 對取向性映射進行更新調(diào)整，其中乃= ?，凡,,J)nxn為狀態(tài)Si對應(yīng)的學習矩 陣，各參數(shù)意義與（3)中相同，不再贅述； (9)F:系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，F(xiàn)(s(t)，m(t)) =s(t+l)，表示t時刻在感知狀態(tài)為s(t)下執(zhí)行動作m(t)后狀態(tài)轉(zhuǎn)移為s(t+l); (l〇)E:感知運動系統(tǒng)的知識熵，E= {E」i= 1，2,…ns}，用來描述系統(tǒng)對知識的學習程 度，表征系統(tǒng)的自學習和自組織特性，系統(tǒng)在學習初始階段，沒有任何知識，對各動作的取 向性相等，經(jīng)過不斷學習，習得世界知識，取向性發(fā)生變化，因此采用信息熵的變化過程來 描述系統(tǒng)自學習、自組織的過程，通過信息熵值的變化，來反應(yīng)系統(tǒng)知識積累的程度，系統(tǒng)t 時刻在狀態(tài)Si下的知識熵及總的知識熵定義如下：
系統(tǒng)按以下步驟進行學習： (1) 初始化：設(shè)定初始狀態(tài)S。，初始取向性分布h及初始好奇心的值 (2) 感知當前狀態(tài)； (3) 計算當前狀態(tài)下的取向性映射矩陣； (4) 計算當前狀態(tài)下的好奇心值，生成隨機指針，將好奇心投向指針指向的動作；好奇 心計算方法設(shè)計為：
mm卜」次^」機機_遠擇動作； (6) 實施選定的動作，狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移； (7) 計算轉(zhuǎn)移后狀態(tài)的狀態(tài)取向值； (8) 計算取向函數(shù)值； (9) 根據(jù)取向函數(shù)提供的信息更新"感知-運動"映射； (10) 重復(fù)執(zhí)行步驟（2) -(9)直至知識熵不再發(fā)生變化或?qū)W習時間大于終止時間，學習 結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，取向性映射更新機制的設(shè)計，具體為：設(shè)t時刻系統(tǒng)在感知狀態(tài)Si下的取向性映射為0i(t)，執(zhí)行所選動作mu后，在該感知狀態(tài)下的 取向性映射變?yōu)椹杋(t+1)，則取向性映射更新方法如下：
其中Pu(t)為t時刻取向性學習矩陣Pi中的第j個元素，與取向性元素ou(t)相對應(yīng)，Pik(t)為其余元素，與〇ik(t)對應(yīng)，n>〇為取向性學習參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，系統(tǒng)認知模型從生物學角度出發(fā)，設(shè)計了 感知運動系統(tǒng)選擇動作的內(nèi)發(fā)動機機制，具體為每個時刻選擇所處狀態(tài)下取向性和好奇心 和值最大的動作。
【專利摘要】一種具有內(nèi)發(fā)動機機制的感知運動系統(tǒng)認知及其學習方法屬于智能機器人技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)認知模型以學習自動機為基礎(chǔ)，包括感知狀態(tài)集合、動作集合、取向性映射集合、好奇心、取向函數(shù)、取向性學習矩陣、狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)以及知識熵等十部分。模型首先感知系統(tǒng)當前狀態(tài)；依據(jù)內(nèi)發(fā)動機機制選擇動作；執(zhí)行動作，狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移；計算取向函數(shù)的值；更新“感知-運動”映射；重復(fù)以上過程，直至知識熵達到極小或?qū)W習時間大于終止時間。本發(fā)明引入具有主動學習環(huán)境的內(nèi)發(fā)動機機制，不僅使系統(tǒng)具有較強的自學習和自組織能力，同時能夠有效避免具有破壞性的小概率事件的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為建立具有認知發(fā)育能力的機器人提供了有力基礎(chǔ)。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104614988
【申請?zhí)枴緾N201410808900
【發(fā)明人】阮曉鋼, 張曉平, 武璇, 黃靜, 陳志剛, 肖堯, 朱曉慶, 奧塔瓦.謝
【申請人】北京工業(yè)大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月22日