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/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / bit / listserv / csgl / 2280 < prev    next >
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Text File  |  1993-01-25  |  11.2 KB  |  226 lines

  1. Comments: Gated by NETNEWS@AUVM.AMERICAN.EDU
  2. Path: sparky!uunet!europa.asd.contel.com!paladin.american.edu!auvm!VAXF.COLORADO.EDU!POWERS_W
  3. Return-Path: <@VMD.CSO.UIUC.EDU:POWERS_W%FLC@VAXF.Colorado.EDU>
  4. X-Envelope-to: CSG-L@vmd.cso.uiuc.edu
  5. X-VMS-To: @CSG
  6. MIME-version: 1.0
  7. Content-transfer-encoding: 7BIT
  8. Message-ID: <01GTXJRRHC2A0000FK@VAXF.COLORADO.EDU>
  9. Newsgroups: bit.listserv.csg-l
  10. Date:         Mon, 25 Jan 1993 09:55:01 -0700
  11. Sender:       "Control Systems Group Network (CSGnet)" <CSG-L@UIUCVMD.BITNET>
  12. From:         "William T. Powers" <POWERS_W%FLC@VAXF.COLORADO.EDU>
  13. Subject:      Gary's demo; controlling perception; REAL control engineering
  14. Lines: 210
  15.  
  16. [From Bill Powers (930125.0800)]
  17.  
  18. Gary Cziko (930125) --
  19.  
  20. That left-hand-right-hand demo is a beauty, and your analysis of
  21. why it works (controlling relationship of mirror symmetry) is
  22. ingenious. The "normal" writing system not only writes the name,
  23. but disturbs the symmetry relationship, and the symmetry-control
  24. system keeps its output equal and opposite to the disturbance!
  25. Wow.
  26. --------------------------------------------------------------
  27. Rick Marken (930124.1000) -- replying to
  28.  
  29. Avery Andrews (920123.1050) --
  30.  
  31. >It was the part about the perceptions guiding action that I
  32. >found objecionable. In a control loop, it is more appropriate to
  33. >say that action guides perception
  34.  
  35. I second the motion (that is, the perception of motion). The real
  36. guiding variable is the reference signal that specifies the
  37. intended perception. The control process varies the action so as
  38. to make the perception match the reference. If there are varying
  39. disturbances present, the waveform of the action does not have to
  40. have any resemblance to the waveform of a perception following a
  41. varying reference signal. In the absence of disturbances, the
  42. action may follow a course similar to that of the perception, but
  43. in general it will be distorted because of nonlinearities in the
  44. feedback connection from action to perception.
  45. ----------------------------------------------------------------
  46. John Gardner (930125:0030) --
  47.  
  48. What a lucid, level-headed, useful post! On behalf of everyone
  49. trying to do PCT modeling, thanks. I particularly liked your
  50. distinction between engineering control theorists and control
  51. engineers. It did even more to convince me that you are an ideal
  52. liason person between PCT and the control engineering community.
  53. Now if I can only convince you that there is still some
  54. difference between PCT and the Jacobean approach ...
  55.  
  56. I have, by the way, made a little independent progress toward
  57. solving my rotation-sensing problem. I was looking too far toward
  58. the back of my old Solid Analytical Geometry textbook; the answer
  59. I wanted (angle between directed lines) was on page 19. However I
  60. still would appreciate your answer, because my confidence in my
  61. grasp of such matters is not very high.
  62.  
  63. I can see now that the error-vector approach, at least for pure
  64. position control, gives the same overall effect as the PCT model
  65. is proposing, so the PCT model has nothing new to offer control
  66. engineers in this regard. That doesn't alarm me, by the way; it
  67. makes me begin to think of control engineers as closer to allies
  68. than nay-sayers of the kind we find in psychology.
  69.  
  70. The velocity-vector approach, however, still leaves PCT some room
  71. for independent maneuvering. But let's leave that for another
  72. time. There's another consideration which engineers are not to be
  73. blamed for overlooking, but which is of great importance to PCT
  74. as a model of human behavior AND EXPERIENCE. Control engineers
  75. don't have to worry much about what their devices are
  76. experiencing, but I think that in the long run roboticists DO
  77. have to consider that.
  78.  
  79. As I understand it, the Jacobian matrix of which you speak wraps
  80. up the entire process from (complex) error signal to joint-angle
  81. specification in a single mathematical expression. From the PCT
  82. standpoint, this is equivalent to writing a single input-output
  83. equation that spans all processes between the sensory interface
  84. (the actual arm configuration) and the motor output interface
  85. (affecting the joint angles). So for any one control process,
  86. this approach permits the external observer to characterize the
  87. behaving system as a large complex (complicated, that is)
  88. transfer function.
  89.  
  90. In PCT, we're trying to break this transfer function down into
  91. components: input function, comparator, output function.
  92. Obviously there are many choices for the intermediate blocks that
  93. would yield the same overall Jacobian (also obviously, not all
  94. real controls systems will physically exist in this canonical
  95. form, but let's ignore that for now).
  96.  
  97. In PCT, we want the first block in the control system to emit
  98. signals that correspond to variables in the world AS A HUMAN
  99. BEING PERCEIVES IT. This means to me that those signals will NOT
  100. simply be convenient mathematical forms for expressing the FKP
  101. (Forward Kinematics Problem) for the atm itself. In my approach
  102. to the arm model, I am currently assuming that some point on the
  103. hand is perceived in x-y-z Cartesian coordinates, and that the
  104. hand itself is perceived in terms of roll, pitch, and yaw also in
  105. the same objective coordinate system. The resulting perception is
  106. like what you experience when you line up a screwdriver to drive
  107. a screw into a hole drilled at some quirky angle in 3-space. You
  108. have to get the shaft of the screwdriver pointing in the right
  109. spatial direction (parallel to the hole's axis) with the tip
  110. located at the right x,y,z coordinate (matching the coordinate of
  111. the head of the screw) and then you have to rotate the shaft
  112. about its axis (so you have to perceive that rotation, too, the
  113. one I was having trouble with). The coordinates in which these
  114. perceptions appear have nothing to do with the kinesthetic
  115. coordinates; they're determined by the way we perceive things in
  116. space. In the current model I'm just assuming that we perceive in
  117. objective coordinates.
  118.  
  119. The first step is to compute the arm configuration in any
  120. convenient variables on the basis of the joint angles. Following
  121. that, we extend the FKP to express the consequences in terms of
  122. x,y,z,theta,phi,rho coordinates, which for this task I am
  123. assuming to be the perceptual representation that the person is
  124. actually controlling. We have added the input function of the
  125. control system to the forward loop that starts with given joint
  126. angles (because I'm assuming that perception simply echoes the
  127. new coordinates). For other tasks - generating the conical motion
  128. of grinding grain with a mortar and pestle, for example -- a
  129. different set of perceptions might be controlled by a different
  130. control system receiving the same visual/kinesthetic information
  131. but putting it through a different set of input transformations
  132. before comparison with the reference signal.
  133.  
  134. Now we can have the comparison process, which involves six scalar
  135. reference signals and the six scalar perceptual signals as
  136. transformed by the input function. The result is six scalar error
  137. signals. We are still computing forward, now extending the FKP to
  138. include the comparison process.
  139.  
  140. The next block in the loop is the output function. Here we must
  141. take the six error signals and distribute them through amplifiers
  142. or integrators to all the joint angles that affect the
  143. corresponding perceptual variables. In a self-organizing system,
  144. the problem would be that of making sure by trial and error that
  145. for each error signal, its effect on the corresponding perceptual
  146. signal would tend to bring the perceptual signal closer to the
  147. associated reference signal. This can be achieved by selecting
  148. appropriate positive and negative weights (which need be only 1,
  149. 0, or -1) for the contribution to each joint angle.
  150.  
  151. When we're designing the system, as now, we have brought the FKP
  152. forward another step by passing through the comparator and
  153. deriving a set of six reference signals. Now we must find the
  154. Jacobian matrix to bridge the gap between the error signals and
  155. the joint angles with which we began. Instead of using trial and
  156. error, we compute the inverse of the product of all the forward
  157. blocks to deduce the functions necessary for completing the loop
  158. with negative feedback (if I understand your explanation
  159. correctly). This block can incorporate integrators, or the error
  160. signals can be integrated before entry into the final block.
  161.  
  162. The overall effect will be exactly as though a single Jacobian
  163. had been computed for the control system considered as a single
  164. block. But we will have generated, on the way through the system,
  165. perceptual signals that correspond to the way a person perceives
  166. the situation for the particular task at hand, and we can now
  167. characterize the behavior of the whole system as that of
  168. controlling each perceptual signal relative to a specific
  169. reference signal.
  170.  
  171. For a given way of perceiving the arm configuration, there is
  172. some range of values over which control will be maintained. The
  173. natural limits of arm movement can simply be incorporated as
  174. stops. It is possible to shift the point that is controlled in
  175. x,y,z to various places on the hand or on tools held in the hand,
  176. without disrupting control in those three dimensions (I have
  177. already accidentally tried this). So a range of tasks can be done
  178. with one kind of perceptual input function. For other tasks it
  179. may be necessary to switch to different input functions, to keep
  180. the final Jacobian reasonable (free of singularities and
  181. conflicts).
  182. -------------------------------------------------
  183. In the simple arm model, I included only one perceptual
  184. transformation, the perception of radial distance of fingertip
  185. from shoulder, computed as the vertical shoulder angle plus half
  186. the exterior elbow angle. This resulted in a theta, phi, radius
  187. coordinate system which was user-friendly for the visual control
  188. systems.
  189. ---------------------------------------------------------------
  190. So -- I submit that the PCT approach does have some differences
  191. buried in it, although the overall picture is identical to the
  192. Jacobian approach and I'm glad of it. Why glad? Because you guys
  193. can back us up and say yes, we know that this works and we know a
  194. hell of a lot more about this than those PCTers do. You have to
  195. remember that what we're revolutionizing is not control
  196. engineering, but the sciences of life. We're trying to use valid
  197. control theory to do it; you won't find any claims by any PCTer
  198. to have invented control theory. We're just trying to use it in a
  199. way appropriate for the understanding of living control systems.
  200.  
  201. Thanks, John. You are a terrific addition to our project. I hope
  202. we have something to contribute to yours.
  203.  
  204. I'm not from the Empire -- Oregon born, Chicago bred.
  205. ---------------------------------------------------------------
  206. Rick Marken said "If (as I suspect) all they want is impressive
  207. surface appearances (the Disneyland syndrome?) then we don't need
  208. to waste our time ..."
  209.  
  210. And you said
  211. >Ouch.
  212.  
  213. I say ouch too. Look before you leap, Rick.
  214. -----------------------------------------------------------------
  215. By the way, I did not particularly "stabilize" Little Man Version
  216. 2. I just built the control systems the way the spinal reflexes
  217. seem to be organized (including stretch rate feedback) and it
  218. worked. I will confess to putting in a teeny bit of lead, but
  219. there's precedent for that in spinal interneurons that put
  220. negative integral feedback around the spinal comparators. Who's
  221. this guy Lyupanov?
  222. ---------------------------------------------------------------
  223. Best to all,
  224.  
  225. Bill P.
  226.