Robô Emmy

O PRIMEIRO ROBÔ QUE FUNCIONA COM LÓGICA PARACONSISTENTE

O Robô Emmy Utiliza um Sistema de Controle de Navegação Projetado e Construído em Hardware  Totalmente Baseado na Lógica Paraconsistente Anotada

A Lógica Clássica e a Lógica Paraconsistente

 A Lógica Clássica foi inventada por Aristóteles e seu grupo de filósofos na Grécia Antiga sendo alicerçada por rígidos princípios onde somente dois estados lógicos são admitidos: o verdadeiro ou o falso. Na lógica clássica o mundo é binário e na descrição de alguma coisa não existe meio termo, ou é ou não é. Portanto, os paradoxos, as indefinições e as contradições, que são situações que aparecem no mundo real, estavam fora de qualquer discussão. Com base na Lógica binária foram projetados e construídos os circuitos da Eletrônica Digital.

A Robótica e as incertezas do Conhecimento incerto

Em alguns casos, principalmente em Inteligência Artificial e Robótica, existem situações onde informações contraditórias aparecem em forma de evidências que não devem ser desprezadas mas, levadas em consideração porque ajudam na tomada de decisão. Um robô ao se movimentar em um ambiente deve ter o maior número de informações possíveis a respeito dos objetos existentes a sua volta. São importantes as informações sobre as paredes que contornam o ambiente de sua movimentação e a formas geométrica dos objetos considerados como obstáculos na sua trajetória. Na verdade, no projeto de um Robô móvel autônomo que se movimenta em um determinado ambiente, o projetista deve ter duas preocupações básicas: a primeira, no caso de um robô de grandes proporções, é não deixá-lo atropelar ninguém e a segunda, no caso de um robô miniatura, é não deixá-lo ser atropelado. Por isso, para o robô se locomover com segurança são importantes as informações sobre as dimensões dos obstáculos, seus contornos e se os mesmos estão estáticos ou em movimentação. Para a obtenção destas informações são necessários vários sensores e quanto maior o número de sensores instalados no Robô maior é a possibilidade do aparecimento de contradições entre as informações recebidas. Isto significa que o Robô, ou o Sistema Especialista que vai analisar estas informações, vai sempre trabalhar com incerteza, por isso dizemos que estes Sistemas de Controle trabalham com Conhecimento Incerto. Os circuitos binários têm dificuldades para dar um tratamento adequado às situações contraditórias levando muito tempo para efetuar o processamento, travando ou optando por uma das alternativas, que pode não ser a mais acertada. O  processamento binário não permite que o Robô tome uma decisão rápida, em tempo real para reagir com um bom desempenho e confiabilidade. Para dar um tratamento adequado à estas situações contraditórias foi criada a Lógica Paraconsistente Anotada, onde estas informações podem ser consideradas como evidências ou como provas indiciais, isto é, como graus de crença.

A Lógica Paraconsistente Anotada

A Lógica Paraconsistente é uma Lógica não Clássica inventada por dois cientistas em 1948, o Polonês Stanislaw Jàskowski e o Brasileiro Newton C.A. Da Costa. A Lógica Paraconsistente Anotada é uma classe de Lógica Paraconsistente que possibilita aplicações práticas. Foram publicados vários artigos referentes a esta lógica [“Conheça a Lógica Paraconsistente” Revista Saber ELETRÔNICA N0 317 – Junho 99 ], [“Conheça e Construa um Controlador Lógico Paraconsistente” Revista Saber ELETRÔNICA N0 319 – Agosto 99] e [“Conheça o Para-Sônico” Revista Saber ELETRÔNICA N0 320 – Setembro 99 ]. Os estudos desenvolvidos para a aplicação da Lógica Paraconsistente Anotada em Robótica e Inteligência Artificial resultou na construção do Robô Móvel Autônomo Emmy apresentado neste artigo.

O Robô Emmy

Figura 1 – Robô Móvel Autônomo Emmy – primeiro Robô com Controle Lógico Paraconsistente

As pesquisas de Robôs móveis autônomos têm a finalidade de criar máquinas com comportamento autônomos que possam realizar tarefas em ambientes nocivos a constituição física humana. Por exemplo a realização de trabalhos em regiões afetadas por radiações químicas ou nucleares, poluídas por gases venenosos, em fundo de oceanos e até mesmo em serviços de explorações em outros planetas. O Robô Emmy, por possuir um sistema de controle paraconsistente é capaz de trafegar em um ambiente não-estruturado efetuando desvios de obstáculos, analisando e tomando decisões frente à situações reais como as de inconsistências e as de indefinições.

O robô móvel autônomo “Emmy” é um projeto baseado em lógicas não-Clássicas desenvolvido pelo Grupo de Lógica paraconsistente e Aplicações à Inteligência Artificial, Área de Lógica e teoria da Ciência do Instituto de Estudos Avançados da Universidade de São Paulo e pela UNISANTA-Universidade Santa Cecília de Santos-SP. O nome “Emmy” é uma homenagem à Emmy Nöether, eminente cientista com importantes contribuições no campo da Matemática.

Figura 1 – Robô Móvel Autônomo Emmy – primeiro Robô com Controle Lógico Paraconsistente

A Estrutura básica do Robô Emmy

O robô móvel autônomo Emmy consiste de uma plataforma móvel de alumínio de formato circular de 30 cm de diâmetro e 60 cm de altura especialmente projetada para pesquisas de aplicação das lógicas paraconsistentes anotadas em Robótica. O robô foi projetado em módulos sobrepostos separados por função de cada um deles no sistema de controle. Desta forma é permitida uma fácil visualização da ação de cada módulo no controle de movimentação do robô. A Figura 2 mostra as partes principais do robô Emmy onde são destacados os módulos que compõem todo o sistema de controle.

Figura 2- Destaque das partes principais do robô Emmy

O funcionamento básico do Sistema de Controle

A lógica Paraconsistente Anotada é representada por um reticulado que pode ser repartido em regiões. Cada Região é descrita através de dois valores: o grau de certeza Gc e o grau de contradição Gct . O controlador lógico recebe dois valores de graus de crença e de descrença, calcula os valores dos graus de certeza G e dos graus de contradição Gct  e faz a determinação dos estados lógicos representados pelas regiões do reticulado. No final da análise são considerados 4 estados extremos que são aqueles correspondentes às regiões localizadas nos extremos do reticulado e 8 estados não-extremos que são aqueles correspondentes às regiões localizadas na parte interna do reticulado.

No Robô Emmy, para captar informações sobre a presença de obstáculos na sua trajetória, é utilizado um dispositivo que transforma medidas de distância em valores de tensão elétrica. Este dispositivo é denominado de Para-Sônico já apresentado em artigo anterior. O Para-Sônico promove a captação por meio de dois sensores de ultra-som sincronizados por um microprocessador e apresenta na saída dois sinais de tensão que variam de 0 a 5 volts. O sinal que representa o grau de crença ou evidencia favorável m  varia proporcionalmente a distância do Robô ao obstáculo e o sinal representativo do grau de descrença ou de evidencia desfavorável λ tem variação inversamente proporcional. Portanto, os dois sinais de informações representam os graus de evidencia favorável e de evidencia desfavorável referente à proposição “Existe Obstáculo à frente”.

No controlador Lógico paraconsistente os valores de m e λ  são considerados como entradas e através das equações: Gc = m – λ  e Gct =m + λ –1 são obtidos os valores analógicos de Gc e Gct e uma palavra binária composta de 12 dígitos, onde cada dígito ativo corresponde ao estado lógico resultante de saída.

Com os valores dos graus de certeza e de contradição calculados o Controlador seleciona como saída um dos estados lógicos entre os 12  do reticulado.

A figura 3 mostra a análise paraconsistente efetuada pelo Controlador.

Figura 3- A análise paraconsistente feita pelo Controlador Lógico

Com a informação do estado lógico resultante, um microprocessador programado com determinadas sequências de rotinas vai direcionar as ações  que o robô irá tomar frente a cada uma das condições encontradas.

O Circuito básico do Robô Emmy

O robô Emmy utiliza um sistema de controle paraconsistente para trafegar em ambientes não estruturados evitando colisões com seres humanos, objetos, paredes, mesas, etc. A forma de captação de informações sobre os obstáculos é denominada de não contato, que é o método de obter e tratar sinais provenientes de sensores ultra-sônicos ou ópticos para evitar colisões. O circuito de controle paraconsistente do robô Emmy composto pelo dispositivo Para-Sônico, Controlador Lógico paraconsistente e circuitos de apoio é apresentado em diagrama de blocos conforme a Figura 4.

Figura 4 – Esquematização do sistema de controle do robô Emmy.

  • SENSORES DE ULTRA SOM – os dois sensores de ultra-som realizam a detecção da distância entre o robô e o objeto através da emissão de um trem de pulso em freqüência de ultra som e a captação do retorno do sinal  (eco).
  • TRATAMENTO DOS SINAIS – O tratamento dos sinais de ultra som captados é feito através do Para-Sônico. O microprocessador é programado para transformar o tempo decorrido entre a emissão do sinal  e a captação do eco em um sinal elétrico de o a 5 volts para grau de crença, e de 5 a 0 volts para grau de descrença. A amplitude de cada voltagem é proporcional ao tempo decorrido entre a emissão de um trem de pulso e o seu recebimento pelos sensores.
  • ANÁLISE PARACONSISTENTE – O circuito controlador lógico paraconsistente faz a análise lógica dos sinais conforme a lógica paraconsistente anotada.
  • CODIFICAÇÃO – O circuito codificador transforma a palavra binária de 12 dígitos em um código de 4 dígitos para ser processada pelo microprocessador.
  • PROCESSAMENTO DAS AÇÕES- O microprocessador é convenientemente programado para acionar os reles em sequências que estabelecem ações para o robô.
  • DECODIFICAÇÃO – O circuito decodificador transforma a palavra binária de 4 dígitos em sinais para energizar os contatores nas sequências programadas.
  • INTERFACE DE POTÊNCIA – O circuito interface de potência é composto por transistores que amplificam os sinais possibilitando o acionamento de contatores por sinais digitais.
  • ACIONAMENTO – Os contatores acionam os motores M1 e M2 conforme a palavra binária decodificada.
  • MOTORES DE ACIONAMENTO- Os motores M1 e M2 movimentam o robô conforme a seqüência de acionamento dos contatores.
  • FONTE DE ALIMENTAÇÃO – O robô Emmy é alimentado por duas baterias formando uma fonte simétrica de ± 12 Volts.

Como projeto é todo elaborado em hardware além do controlador Lógico paraconsistente foram necessários a instalação de componentes para circuitos de apoio permitindo que os sinais resultantes da análise paraconsistente sejam direcionados e indiretamente transformados em ação.

Neste primeiro protótipo do robô Emmy foram necessárias as instalações de um Codificador e de um Decodificador para que os sinais referentes aos estados lógicos resultantes da análise paraconsistente tivessem seu processamento efetuado por um microprocessador de 4 entradas e 4 saídas.

A programação das ações do Robô Emmy

O objetivo é fazer o robô trafegar por um ambiente desconhecido captando e fazendo o desvio de obstáculos que porventura estejam na sua trajetória. Para isso foram programadas seqüências de rotinas para cada estado lógico resultante da análise paraconsistente feita pelo controlador. A proposição analisada é a afirmativa “Existe obstáculo à frente” portanto, para cada estado lógico resultante referente à esta proposição temos uma rotina programada no microprocessador que possibilitará ao robô  uma ação. A programação do Microprocessador foi elaborada para que toda  ação tomada pelo robô seja  similar à atitude tomada por um ser humano. A situações, as prováveis atitudes humanas e o comportamento programado do robô Emmy  são apresentados a seguir:

Para as situações referentes aos estados lógicos não-extremos as seqüências de rotina são relacionadas com atitude humana da seguinte forma:

 

Os tempos T1, T2 e T3 que aparecem nas rotinas são determinados a partir do comportamento apresentado pelo robô nos testes efetuados. Neste trabalho os tempos utilizados foram:

T1 = 0,75s, T2 = 1,5s e T3 = 2s

Para obter o desvio dos obstáculos num ângulo determinado pela rotina, um código de 4 dígitos aplicado aos circuitos de potência aciona apenas um dos motores, num tempo suficiente para o robô girar 900  ou 450.

 O Robô Emmy e a pesquisa atual

É sabido que devido a complexidade na construção de sensores para captar as diversas formas de informações, a imprecisão e ruídos nos sinais, a obrigatoriedade de ter um hardwareembarcado e as inúmeras situações que devem ser modeladas quando na movimentação por ambientes não-estruturados, o desenvolvimento de sistemas de controle de robôs móveis autônomos é um dos maiores desafios no campo da Engenharia. Para um melhor equacionamento de todos estes problemas há premente necessidade de novas pesquisas visando um aprimoramento tecnológico nesta área. É possível afirmar que com todas estas barreiras técnicas fica difícil se obter um bom resultado no comportamento do robô móvel autônomo utilizando o método clássico, portanto este trabalho vem contribuir com a aplicação da lógica paraconsistente trazendo uma nova forma de tratamento de sinais que se mostra mais propícia para fazer este tipo de controle.

Neste trabalho foram obtidos bons resultados apesar das limitações técnicas apresentadas pelas características da estrutura mecânica do robô como ausência de: múltiplas velocidades, diferentes tipos de sensores, acionamentos de braços mecânicos, sincronização de velocidade entre os motores, amortecedores, freios, etc.  Os Testes efetuados demonstram que em Robótica o Controlador Lógico paraconsistente – Para-Control pode ser aplicado para ajudar a solucionar problemas ligados a navegação e tratamento de sinais representativos de informações sobre o ambiente.

O sistema de controle utilizando o Para-Control apresenta boa capacidade de modificar o comportamento do robô imitando a reação instintiva humana quando nas modificações inesperadas das condições ambientais. Com certeza o robô autônomo Emmy é uma forma de contribuição ao desenvolvimento pesquisas que tratam de conhecimento incerto  e traz novas e promissoras formas de controle nesta área.

Obs: O Projeto do Robô Emmy, o primeiro robô no mundo a funcionar com um controlador Lógico Paraconsistente foi desenvolvido para servir de ilustração da tese de doutoramento autor apresentada em 1999 na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo POLI/USP com o seguinte título:

Da Silva Filho, J.I. “ Métodos de Aplicações da Lógica Paraconsistente Anotada de Anotação com dois valores LPA2v com construção de Algoritmo e Implementação de Circuitos Eletrônicos ”, in Portuguese, Ph D thesis, EPUSP, São Paulo, 1999.

O autor expressa seus agradecimentos ao orientador da Tese, o Prof. Dr. Jair Minoro Abe e para aqueles que participaram na construção do Robô Emmy em especial ao Prof.MsC Cláudio Rodrigo Torres, a todos os componentes do grupo de pesquisa em aplicação da Lógica Paraconsistente em inteligência artificial do IEA-Instituto de Estudos Avançados da USP,  alunos e Professores da UNISANTA – Universidade Santa Cecília –Santos-SP.