ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2014, № 5, с. 126-145
РОБОТОТЕХНИКА ^
УДК 681.5+004.8
ЭМОЦИИ И ТЕМПЕРАМЕНТ РОБОТОВ. ПОВЕДЕНЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ* © 2014 г. В. Э. Карпов
Москва, Московский ин-т электроники и математики НИУВШЭ Поступила в редакцию 30.11.13 г., после доработки 06.05.14 г.
Предлагается подход к управлению поведением роботов, основанный на механизме эмоций и темперамента. Продемонстрировано, что эти психологические особенности могут быть смоделированы достаточно простыми способами. В основе предлагаемой эмоциональной архитектуры системы управления роботом лежит Информационная теория эмоций В.П. Симонова, а особенности темперамента сводятся к двухпараметрической модели типа "возбуждение—торможение". Описан ряд экспериментов, проведенных на базе мобильных роботов. Эти эксперименты демонстрируют набор различных типов поведения роботов: меланхолического, холерического, сангвинического и флегматического. Все эти типы были реализованы с использованием так называемого регулятора темперамента, определяющего баланс между величинами параметров возбуждения и торможения системы управления робота. В работе также предлагается автоматная модель темперамента, позволяющая описывать поведение индивидуума. На основе этой модели показано, что при решении некоторых задач коллективного поведения целесообразно иметь в составе группы индивидуумов с разным поведением, причем это поведение также определяется индивидуальными эмоциями и темпераментом робота.
Б01: 10.7868/80002338814050096
Введение. Имитация физиологических процессов и феномены высшей нервной деятельности давно находятся в сфере интересов робототехники. Эмоции и темперамент занимают особое место среди этих явлений. Действительно, как эмоции, так и темперамент — это одни из основных механизмов оценок поведения высокоорганизованных организмов. Кроме того, вполне естественен вопрос их применимости к описанию и оценке поведения технических устройств.
Обычно эмоции и другие подобные психические явления — объекты интереса искусственного интеллекта (ИИ) и когнитивных наук. В виде некоторого обобщения мы можем сказать, что ИИ интересуется эмоциями и темпераментом как внутренними процессами. В противоположность ИИ робототехника рассматривает их с точки зрения их внешних проявлений, т.е. выражения эмоций. В любом случае действительно эмоциональное поведение рассматривается крайне редко.
С одной стороны, мы имеем множество научно-популярных работ, таких, как [1], где представлены некоторые общие соображения о роли эмоций в технических системах. Например, рассуждения на тему "действительно ли робот боится?", когда он обнаруживает некоторые препятствия и обходит их, и пр. В некотором смысле эта точка зрения очень близка к подходу, описанному в [2]. Брайтенберг описал некоторую гипотетическую мобильную платформу (тележку) с очень простой внутренней структурой. Брайтенбергская тележка имела примитивные датчики и двигатели (исполнительные органы). В зависимости от того, как были соединены датчики и двигатели, тележка демонстрировала разнообразное поведение. Используя такие элементы, как различные пороговые устройства, поведение тележки становилось более сложным и интересным. Очень важный аспект заключается в том, что Брайтенберг использовал язык психологии для описания поведения тележки. Он описывал поведение тележки в терминах страха и агрессии, трусости и любви, любопытства и жажды исследования и т.д.
С другой стороны, есть группа исследователей, работающих на ниве создания интерфейса между человеком и роботом, например робот по имени "Kismet", описанный в [3]. Этот робот может изображать серию эмоций благодаря его подвижным векам, глазам и губам. Но эти эмоциональные способности созданы для представления внутреннего состояния робота, и основная
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 14-01-00817).
функция этого выражения эмоций — обеспечить дружественный человекомашинный интерфейс.
Другой подход представлен в [4]. Хирс и Берне предложили гуманоидного робота ROMAN (Robot human interaction machiNe) с архитектурой, базирующейся на эмоциях. Основная идея состоит в том, что эмоциональное состояние робота генерируется стимулами. Взаимодействие человека и робота может быть рассмотрено даже через эстетическое восприятие. Например, этот вопрос обсуждался в [5]. В [6] был описан робот RWI. В этом исследовании использовано моделирование эмоций для определения взаимодействия робота с человеком в цветочувствительных терминах. Взаимодействие с человеком приводит к изменению темперамента робота: при распознавании цвета текущее состояние робота изменяется в направлении соответствующего эмоционального экстремума. Этот механизм работает с использованием специальных карт, определяющих соответствие между распознанным цветом и эмоциональным состоянием.
Однако нас интересует другой аспект эмоций и темперамента. Мы имеем в виду их влияние на поведение робота. Как будет показано ниже, один из наиболее важных аспектов имитации этих психологических феноменов — их использование для группы роботов. Для успешного решения такого комплекса вопросов, как коллективное принятие решений группой роботов [7] или стайное поведение [8], необходима психологическая дифференциация роботов.
В этой работе предлагается архитектура системы управления роботом, реализующая механизмы эмоций и темперамента в простой и естественной форме.
Статья организована следующим образом. В разд. 1 рассматривается вопрос об эмоциях в робототехнике, описывается механизм "эмоциональной" системы управления роботом. Далее представлена модель системы управления, основанная на понятии темперамента. Следующие разделы посвящены описанию поведения "темпераментного" робота и обсуждаются результаты экспериментов, имеющих прежде всего качественный, иллюстративный характер. В заключительных частях работы предлагается некий формализм, описывающий особенности индивидуального и коллективного поведения роботов на основе автоматной модели темперамента.
Сначала рассмотрим вопрос эмоций, а потом вернемся к более сложному предмету этой работы — к темпераменту.
1. Эмоции. Основной вопрос — это влияние эмоций на поведение роботов. Как правило, поведенческий аспект эмоций рассматривается как наличие некоторых эмоций роботов в уже готовой форме. Например, в [9] модель эмоций робота использовала факторы "удовольствие" и "раздражение" для установления набора поведенческих правил для автономных роботов. Например, когда препятствие появлялось в поле зрения робота, поведенческие правила приводили к уменьшению величин "удовольствия" или "раздражения". Основная идея заключалась в том, что информация о локальной среде, окружающей робота, меняла ориентацию вектора эмоций: "удовольствия" и "раздражения", что являлось причиной движения роботов. Робот сближается с роботами, для которых "удовольствие" появляется в поле зрения, и удаляется от оных в обратном случае; "градус" (в терминах авторов) удовольствия уменьшался, когда препятствие наблюдалось, и т.д. Таким образом, эмоции порождались прямым наблюдением.
В настоящей работе предлагается несколько иной подход. В [10] рассмотрена реализация механизма эмоций мобильного робота на базе гибридной нейро-продукционной системы управления. В этом исследовании базовой была выбрана так называемая информационная теория эмоций Симонова [11, 12].
Эта теория имеет базовое предположение, что эмоции являются оценкой текущей потребности (ее качества и ценности) и возможности ее удовлетворения. Мозг оценивает эту возможность на основе генетической предрасположенности и ранее полученного индивидуального жизненного опыта. В общем виде отношение этих факторов описывается формулой
E = f (N,p (Ineed,Ihas)), (1.1)
где E — эмоция, ее величина, качество и знак; N — сила и качество текущей необходимости; Р (I need ,I has) — оценка возможности удовлетворить потребность на базе врожденного и полученного жизненного опыта; Ineed — информация о способе, необходимом для удовлетворения потребности; Ihas — информация об имеющихся средствах, ресурсах и времени, которые субъект действительно имеет в настоящем. Это главным образом качественная формула, иллюстрирующая принцип формирования положительных и отрицательных эмоций от различных воздействий.
Мы можем объяснить выражение (1.1) следующим образом: индивидуум оценивает свои текущие потребности Ineed или то, что он должен сделать (поесть, найти еду, уклониться от препятствия, убежать и т.д.). Затем он оценивает индивидуальные возможности удовлетворения этих потребностей Ihas. Различие между потребностями и возможностями определяет эмоциональную оценку текущей ситуации. Если мы имеем некоторые потребности и при этом возможности для их удовлетворения достаточны, то получаем положительную эмоциональную оценку. В противном случае наши эмоции негативны.
Подчеркнем, что в отличие от чувств эмоции относятся к ситуации, а не к объекту. Чувства направлены на некоторый абстрактный или реальный объект (любить что-либо, бояться чего-либо и т.д.). Напротив, эмоции, такие, как удовольствие, удивление или страх, отражают оценку ситуации. Таким образом, воздействие эмоций на любое будущее решение опирается на оценку текущей ситуации.
Была проведена серия экспериментов на базе простых мобильных мини-роботов. Поведение роботов определялось их текущей оценкой баланса между потребностями роботов, актуальной необходимостью и способностью их удовлетворить. С технической стороны эмоции определяют положительный отклик в системе управления робота. Эта модель использует некие обобщенные отрицательные и положительные эмоции, и основной акцент сделан на воздействие негативных эмоций.
Представим выражение (1.1) в следующем виде:
E = N (I„eed - Ihas ). (1.2)
Набор поведенческих правил представлен в MYCIN-подобной форме, т.е. в форме продукций с коэффициентами уверенности:
R : Condl &... & Condk ^ (at),
i = 1, m где m — количество действий, выполняемых роботом.
Например, правило "принимать пищу" (питаться) может быть представлено как:
ЕСЛИ "Потребность в пище" (Nfood) & "Вижу пищу" (Sfood)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.