Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 1 Co-Evolução da.

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1 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 1 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Roberto Heinen Fernando S. Osório Apresentado por: Prof. Dr. Fernando S. OSÓRIO - PPG Computação Aplicada / Unisinos UNISINOS - RS - Brasil UNISINOS - RS - Brasil Universidade do Vale do Rio dos Sinos RBV - Rede Brasileira de Visualização / FINEP CAPES

2 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 2 1.Motivação / Histórico > Robôs Articulados 2.Simulação Virtual Realística > Simulação Física: Sensores, Cinemática, Dinâmica, Corpos Rígidos Articulados 3.LegGen - Robôs com Pernas > Simulador + Algoritmos Genéticos > Evolução do controle das articulações > Resultados das simulações 4.Evolução da Morfologia > Resultados das simulações 5.Conclusões e Perspectivas Agenda

3 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 3 1. PREVIOUS WORKS - AUTONOMOUS ROBOTS * Virtual Reality Environment and Simulation of Legged Robots "Uso de Realidade Virtual para a Simulação do Caminhar em Robôs Móveis" SVR 2006 - Belém, Brazil * Evaluate different Robot Models (hardware configurations) "Applying Genetic Algorithms to Control Gait of Physically Based Simulated Robots" IEEE WCCI / CEC 2006 - Vancouver, Canadá * Evaluate different Fitness Functions "Gait Control Generation for Physically Based Simulated Robots using Genetic Algorithms" IBERAMIA / SBIA 2006 - Ribeirão Preto, SP * Robot, Vehicles and Human Simulation "Increasing Reality in VR Applications: Physical and Behavioral Simulation" Virtual Concept Summer School - Nov. 2006 - Porto Alegre, RS / VC2006 Cancun

4 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 4 Mobile Articulated Robots: Walking Machines... Insects, Animals, Humans 1. MOTIVATION - AUTONOMOUS ROBOTS

5 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 5 Mobile Articulated Robots: Walking Machines... Insects, Animals, Humans Dog Horse... Tetrapod Hexapod 1. MOTIVATION - AUTONOMOUS ROBOTS

6 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 6 2. ROBOT SIMULATION Simulation of Robots: 3D Realistic Virtual Environments SimRob3D developed at Unisinos

7 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 7 2. ROBOT SIMULATION Simulation of Robots: 3D Realistic Virtual Environments - Sensors: infrared, sonar, bumpers, gyro (accelerometers), GPS, compass, light and vision sensors, etc. - Actuators: wheels, legs and arms with angular motors (joints) - Physics: collision, kinematics, rigid body dynamics Simulation of Autonomous Robots: - Robot Control Architectures Implementation SimRob3D developed at Unisinos Webbots developed by Cyberbotics

8 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 8 3. LEGGEN - ROBOT SIMULATION Simulation of 3D Realistic Virtual Legged Robots LEGGEN Simulator Genetic Evolved Control of Articulated Robots (w/legs)

9 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 9 3. LEGGEN - ROBOT SIMULATION Simulation of 3D Realistic Virtual Legged Robots LEGGEN Simulator - Tools: 1. OSG - Open Scene Graph (OpenGL + Extensions) [ http://www.openscenegraph.org/ ] 2. ODE - Open Dynamics Engine Rigid Body Physics Simulation (gravity, inertia, friction, collision, joints, etc) [ http://www.ode.org/ ] 3. GALib - Genetic Algorithms Simulation [ http://www.lancet.mit.edu/ga/ ] 4. Robot Control FSM: Finite State Machine = Sense + Act

10 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 10 3. LEGGEN - ROBOT SIMULATION Simulation of 3D Realistic Virtual Legged Robots LEGGEN Simulator - Tools: 1. OSG - Open Scene Graph (OpenGL + Extensions) [ http://www.openscenegraph.org/ ] 2. ODE - Open Dynamics Engine

11 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 11 3. LEGGEN SIMULATOR - GA Genetic Algorithms Simulation Genome: * FSM: Table of Target States (Sequence of Actions) * Target angles + Reference Angular velocity * Adjust velocity * Fitness Function: Sensor based

12 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 12 3. LEGGEN SIMULATOR - GA Genetic Algorithms Simulation

13 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 13 3. LEGGEN SIMULATOR Simulation main goals: - Evaluate different Robot Models (hardware configurations) IEEE WCCI / CEC 2006 - Vancouver, Canadá - Evaluate different Fitness Functions IBERAMIA / SBIA 2006 - Ribeirão Preto, SP Robot Models Boston Dynamics Evaluate different robot models in order to select a better hardware configuration

14 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 14 3. LEGGEN SIMULATOR Simulation - main goals of this study: Evaluate different Fitness Functions 1: F=D 2: F=D/(1+B) Fitness Functions Optimize: Walking Distance (D) D = Distance : The average number of paws touching the ground b i = paw's bumpers N = No. of bumper reads 1 2 B = Bumpers L = No. of legs Optimize: - Distance - Bumber: Half of the paws touching the ground

15 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 15 3. LEGGEN SIMULATOR Fitness Functions Optimize: - Distance - Bumbers - Gyro 3 G = Sum of x, y, z instability (Gyroscope) 4 Optimize: - Distance - Gyro Simulation - main goals of this study: Evaluate different Fitness Functions 1: F=D 2: F=D/(1+B) 3: F=D/(1+G+B) 4: F=D/(1+G)

16 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 16 3. LEGGEN SIMULATOR Simulation RESULTS: Evaluate different Fitness Functions 1: F=D 2: F=D/(1+B) 3: F=D/(1+G+B) 4: F=D/(1+G) 1: 2: 3: 4: Mean (μ) and std. deviation (σ): 30 experiments for each configuration

17 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 17 3. LEGGEN SIMULATOR Simulation RESULTS: Evaluate different Robot Models

18 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 18 3. LEGGEN SIMULATOR Simulation RESULTS: Evaluate different Robot Models

19 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 19 3. LEGGEN SIMULATOR - Results Simulation Results:

20 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 20 3. LEGGEN SIMULATOR - Results Simulation RESULTS: Tetrapod Video - Distance, Gyro

21 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 21 3. LEGGEN SIMULATOR - Results Simulation RESULTS: Tetrapod Video - 2 a 2

22 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 22 3. LEGGEN SIMULATOR - Results Simulation RESULTS: Tetrapod Video - "bloopers"

23 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 23 4. EVOLVING THE MORPHOLOGY Main idea: - Evolve robots structure and control at the same time - Morphology: Why we are obligated to pre-define these parameters?

24 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 24 4. EVOLVING THE MORPHOLOGY Evolve robots structure and control at the same time Does it works??

25 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 25 4. EVOLVING THE MORPHOLOGY Evolve robots structure and control at the same time Does it works? Yes...it seems to work!

26 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 26 5. CONCLUSIONS Conclusions... - We achieved very good results in the robot control (stable/robust) - Genetic Algorithms helped us to study and design better robots: Joints, Actuators, Sensors, Speed x Stability x Cost - Genetic Algorithms + 3D Physically Realistic Simulation + Evolved Finite State Machine Control + Fitness Function selection + Hardware configuration = LEGGEN Framework

27 Co-Evolução da Morfologia e Controle de Robôs Móveis Simulados Utilizando Realidade Virtual Milton Heinen e Fernando Osório 30 May 2007 27 FUTURE WORK Next steps... Autonomous parking control model (SEVA) integrated with LEGGEN control model [ IEEE WCCI / IJCNN 2006 ]