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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
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Simulation der Formatio reticularis mit einer Rechenanlage, Die Formatio
reticularis (RF) befindet sich im Gehirnstamm. Zum Aufbau und zur Wirkungsweise
der RF ist insbesondere auf folgende Literaturstellen hinzuweisen: Scheibel, M.E.
& Scheibel, A.B. (1958), Structural substrates for integrative patterns in the
brain stem reticular core. In Reticular Formation of the Brain, Eds.
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H.H. Japsper et al. Boston Little and Brown.
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Scheibel, M.E. & Scheibel A.B. (1967), Anatomical basis of attention
mechanisms in vertebrate brains. In The Neurosciences, A Study Program, ds. G. Quarton
et al., New York: The Rockefeller University Press.
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Schei.bel,M.E. & Scheibel, AB. (1968). The brain stem reticuiar
core - an integrative matrix. In Systems Theory and Biology; ed. Mesarovic M.D.,
Springer Verlag, New York Inc.
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Scheibel, ME. & Scheibel, A.E. (1973), Int. J. of Neuroscience,
1, 195-309.
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McCulloch, W.S. (1965), Embodiments of Mind, Cambridge, Mass. M.I.T.
Press.
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W.L. Killmer, W.S. McCulloch and J. Blum; Int. J. Man-Machine Studies
(1969), 1, 279-309.
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Nach diesen Autoren läßt sich der Aufbau und die Arbeitsweise der
RF folgendermaßen charakterisieren.
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1. Die RF ist dasjenige Entscheidungszentrum (Befehlsrechner), das
dem gesamten Organismus eine einzige bestimmte, von einer relativ kleinen Anzahl
basaler
Verhaltensweise empfiehlt; z.B.: sensorisch-motorisch, aufsteigend-absteigend,
Entfernen-Annähern.
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2. Die RF ist eine integrierte Matrix, die mit allen Hirn-und Rückenmarksystemen
in Beziehung steht, jedoch keinen direkten Kontakt mit der Umwelt hat. Sie ist bei
allen Wirbeltieren gleich aufgebaut.
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3. Die RF kann keine neuen Verhaltensweisen erfinden", und nicht ihre
Befehle selbst ausführen.
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4. Das Problem der RF besteht darin, wie ihre mehrere Millionen Neuronen
im Bruchteil einer Sekunde einen arbeitsfähigen Konsens bezüglich des passenden
Modus der totalen Ausübung (proper mode of total conanitment) erreichen können.
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5. Die RF hat eine Redundanz an potentieller Befehlsausübung (command).
Diejenigen Module, also Neuronen, die über die dringendste Information verfügen,
haben dabei die höchste Autorität.
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6. Die RF zeigt dabei einige im zentralen Nervensystem einzigartige
anatomische Eigenschaften: 6.1. Im Bereich der zentralen zwei Drittel der RF erstrecken
sich Dendritenschäfte in vorwiegend dorso-ventraler Richtung mit höchst beschränkter
Ausdehnung in Längsrichtung des Stammes. Die starke rostro-caudale Kompression hat
zu einem Vergleich mit einem Stoß Pokerchips geführt, welche entlang der Längsachse
der RF gereiht sind (Scheibel, Scheibel, 1968, Seite 272).
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In Figur 1 ist ein Sagittalschnitt durch die untere Hälfte des Hirnstammes
einer 10 Tage alten Ratte dargestellt. Kollaterale Fasern ven Tractus pyramidalis
1 und von einem einzelnen Axon 2 einer retikulären Zelle 3 illustrieren die Tendenz
der afferenten Endäste 4, sich in Ebenen zu organisieren, die annähernd senk-
recht
zur Längsachse 5 des Stammes stehen. Die retikulären Dendriten 6 sind parallel zu
den Endästen angeordnet, im Gegensatz zu der Dendritenorganisation des angrenzenden
Nucleus n. hypoglossi 7, so daß man die Formatio reticularis als eine Reihe von
Neuropilsegmenten betrachten kann (Scheibel u. Scheibel 1958, Seite 35). Figur 1A
zeigt einen Transversalschnitt durch die medulläre RF einer reifen Katze, wobei
die Bezugsziffern die gleiche Bedeutung haben wie in Figur 1.
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6.2. Gemäß Figur 2 kann man zur Vereinfachung die unteren zwei Drittel
der RF als dreidimensionale Matrix ähnlich einem Kristallgitter betrachten. Jeder
Gitterschnittpunkt kann dabei als Ort verstanden werden, an dem man möglicherweise
ein reticuläres Neuron findet. Wegen der offensichtlich zufälligen Verteilung der
Neuronen in der RF, ist jedoch anzunehmen, daß man die Neuronen 8 an manchen, aber
nicht an allen Schnittpunkten des Gitters findet (Scheibel, Scheibel, 1968, Seite
270 bis 271).
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Es ist bereits eine Simulation der RF mit einer Rechenanlage vorgeschlagen
worden (W.L. Kilmer, W.S. McCulloch, J. Blum Int. J. Man-Machine Studies (1969)
Band 1, Seiten 279 bis 309). Dabei werden die etwa 100 wm dicken "Pokerchips" nach
Scheibel, Scheibel durch einzelne Module mit nicht linearen probabilistischen Computern
ersetzt. Jedes Modul erhält von einigen aber nicht allen Eingabesystemen, die der
Neuro-Anatomie nachgebaut sind, Eingabedaten, während jedes Modul direkt Daten einigen
aber nicht allen anderen Modulen zuführt und Daten von einigen aber nicht allen
anderen Modulen empfängt. Die Schaltverbindungen zwischen den Modulen sind dabei
so gewählt, daß einander benachbarte Module eine engere Datenkopplung besitzen als
voneinander entfernte Module. Es wird angenommen, daß dies der axonalen Anatomie
der RF entspricht.
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Das Hauptproblem sieht McCulloch (Embodiments of Mind 1965) jedoch
darin, daß die RF eine Redundanz an poten -tieller Befehlsgewahlt (Redundancy of
potential Command) besitzt. Jedes Element der RF hat dabei die Fähigkeit, das ganze
System zur notwendigen Handlung anzufeuern. Jedoch trifft dasjenige Element in dieser
Redundanz an poten -tieller Befehlsgewalt die Entscheidung, das die dringendste
Information besitzt. Wie McCulloch in der besagten Literaturstelle "Embodiments
of Mind" feststellt, ist es jedoch bisher nicht gelungen, eine Rechenanlage entsprechend
der RF mit einer Redundanz potentieller Befehlsgewalt zu bauen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, die
der RF auch in bezug auf die Redundanz potentieller Befehlsgewalt entspricht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Den Ausgangspunkt der Erfindung bildet dabei die Erkenntnis, daß die
Neuronen und Nervenfortsätze (Dendriten und Axone) der RF den Elementen bzw. Kanten
eines dreidimensionalen permutqgraphen entsprechen Eine ausführliche Beschreibung
der dem Permutographen zugrundeliegenden Negativsprachentheorie sowie des Permutographen
findet sich in folgenden Literaturstellen: Günther G. (1980), Identität, Gegenidentität
und Negativsprache.
In: Beyer W.R.: Hegel-Jahrbuch 1979, Pahl-Ruyenstein,
Köln.
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Thomas G.G. (1982): On Permutographs. Supplemento ai Rendiconti del
Circolo Matematico di Palermo, Serie II/2, 275-286.
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Das Prinzip des Permutographen sei anhand der Figur 3 erläutert, die
einen zweidimensionalen, vierwertigen Permutographen wiedergibt, d.h. einen Permutographen
mit den Werten, 1, 2, 3 und 4. Die Anzahl der Permutationen und damit der Elemente
des Permutographen beträgt dabei 4! = 24. Diese in Figur 3 lexikographisch festgelegten
Elemente 1 bis 24 (sie sind in einem Kreis wiedergegeben und werden auch als Knoten
bezeichnet) entsprechen dabei den folgenden Permutationen:
1234 1243 1324 1342 1423 1432 2134 2143 2314 2341 2413 2431
3124 3142 3214 3241 3412 3421 4123 4132 4213 4231 4312 4321 Die Elemente t bis 8
lassen sich mit den drei Negationsoperatoren N1, N2 und N3 generieren. Ein Negationsoperator
bewirkt dabei den Umtausch zweier benachbarter Werte nach folgendem Schema
Beispielsweise entsteht aus dem Element das Element durch den
Negationsoperator N3 bzw. aus dem Element: das Element @ durch den Negationsoperator
N2 nach folgendem Schema:
In Figur 3 sind die einzelnen Negationen N1' 2 und N3 durch die Zahlen 1, 2 , 3
zwischen den Elementen wiedergegeben.
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Durch sämtliche Elemente 1 bis 24 des Permutographen läßt sich ein
geschlossener Kreis legen. Dabei gibt es verschiedene, errechenbare Kreiswege (Codierungsmöglichkeiten),
die als sogenannte Hamiltonkreise bezeichnet werden .
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Aus nachstehender Tabelle ist ersichtlich, daß in einem 4-wertigen
Permutographen bereits insgesamt 44 Hamiltonkreise auftreten. In diesem Zusammenhang
sei darauf hingewiesen, daß im Permutograph nicht nur Hamiltonkreise, sondern auch
Kreise verschiedener Länge errechnet werden können (Kaehr 1982, siehe auch Thomas
1982).
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Der Permutograph besitzt daher prinzipiell die Fähigkeit, auch partielle,
nicht das Gesamtsystem einbeziehende Handlungsanweisungen (zyklische Relationen,
Negationsfolgen, Commands) zu errechnen.
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Tabelle ERMITTLUNG ALLER KREISE IN PG1 (4) (nach Kaehr, 1982, Einschreiben
in Zukunft in: Hombach D. Zeta 01-Zukunft als Gegenwart, S. 235; Rotation, Berlin).
| Knoten- |
| anzahl 4 6 8i 10 12 14 16 18 20 22 24 Summe |
| 6 0 1 - - - - - - - - - 1 |
| 8 1 0 1 - - - - - - - - 2 |
| 11 1 0 1 1 - - - - - - - 3 |
| 12 1 0 1 2 1 - - - - - - 5 |
| 15 0 1 2 5 4 0 - - - - - 12 |
| 16 0 1 2 5 9 6 1 - - - - 24 |
| 18 0 1 2 5 15 15 5 4 - - - 47 |
| 20 0 1 1 4 15 19 25 11 2 - - 78 |
| 21 1 0 2 5 17 31 35 25 10 - - 126 |
| 22 1 0 2 6 28 44 58 55 29 4 - 227 |
| 23 0 1 2 9 43 75 112 135 111 24 - 512 |
| 24 1 2 8 30 132 266 472 690 760 308 44 2713 |
| Anzahl der Kreise insgesamt |
| 6 8 24 72 264 456 708 920 912 336 44 3750 |
Die einzelnen Hamiltonkreise unterscheiden sich dabei in der Negationsfolqe
Beispielsweise wird ausgehend von dem Element # in Figur 3 ein Hamiltonkreis gebildet
durch die Verbindung fölgender Elemente:
Festgelegt wird dieser Hamiltonkreis dabei durch folgende Negationsfolge: 1-2-3-2-3-2-1-2-1-2-3-2-3-2-1-2
- 1 - 2 - 3 2 - 3 - 2 - 1 - 2.
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Dieser Hamiltonkreis bzw. diese Negationsfolqe ist in Figur 3 strichpunktiert
wiedergeqeben.
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Statt des in Figur 3 dargestellten vierwertigen Permutographen mit
zweidimensionalem Aufbau ist nach den gleichen Grundsätzen ein dreidimensionaler
Permutograph generierbar. Ein derartiger dreidimensionaler, jedoch fünfwertiger
Permutograph ist in Figur 4 dargestellt.
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Erfindungsgemäß wird nun davon ausgeganqen, daß die Struktur eines
dreidimensionalen Permutographen mit seinen Elementen (Knoten) und Kanten (Verbindungslinien,
Negationsoperatoren) der Anatomie der medialen unteren zwei Drittel der RF des Gehirnstamms
entspricht. D. h. das anatomische Bild der RF, das gemäß Fiqur 2 als dreidimensionale
Matrix ähnlich einem Kristallgitter betrachtet werden kann, kann bezüglich Neuronen
und Nervenfortsätze (Dendriten, Axone) als ein Permutocjraph interpre tiert werden,
in welchem die Neuronen die Elemente (Knoten) und die Nervenfortsätze die Kanten
(Verbindungslinien, Negationsoperatoren) darstellen.
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Mit anderen Worten, das Nervensystem der RF entspricht formal ein-eindeutig
einem Permutographen, wobei die Neuronen der RF die Elemente (Knoten) und die Nervenfortsätze
(Dendriten, Axone) der RF den Kanten (Verbindungslinien, Negationsoperatoren) des
Permutographen entsprechen.
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Die RF ist ein aktives biologisches System, welches in der Umwelt
Informationen für eine bestimmte Verhaltensweise sucht.
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In Analogie zum Permutographen wird dieser Vorgang auf folgende Weise
gelöst: Es wird eine bestimmte Negationsfolge festgelegt. Welche Negationsfolge
das ist, entscheidet sich nach der Verhaltensweise, die für das System die dringente
darstellt.
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Diese Negationsfolge bildet einen geschlossenen Kreis, der genau nur
einmal durch alle Neuronen gcht (Hamiltonkreis).
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Die Verhaltensweise des Gesamtsystems, die dieser Hamiltonkreis zugeordnet
ist, tritt jedoch erst nach Integration aller
zur Verfügung stehenden
Informationen in Form einer bestimmten Handlungsanweisung (Command) in Kraft.
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Die Informationsintegration vollzieht sich dabei folgendermaßen: al
Grundsätzlich und definitionsgemäß kann von jedem Neuron der Weg durch den Hamiltonkreis
beschritten werden.
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b) Von welchem Neuron aus der bereits ausgewählte Hamiltonkreis realisiert
wird, hängt davon ab, welches Neuron über die dringendste Umweltinformation verfüqt
(aus einem der fünf Sinnessysteme zum Beispiel).
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c) Die dringendste Information bedeutet, daß ein bestimmtes Neuron
mit einer ihm ein-eindeut-ig entsprechenden Information aus der Umwelt gespeist
wird.
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Da jedes Neuron die optimale Information im Gesamtsystem der RF haben
kann und dieses dann die Handlungsanweisung (Command) für ein bestimmtes Verhalten
des Gesamtsystems auslöst, herrscht in der RF die vorstehend erwähnte Redundanz
an potentieller Befehlsgewalt.
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Die RF arbeitet also nach einer abduktiven Logik, d. h.
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a) das System leqt ein Codierungsproqramm (Negationsfolqe bzw. Hamiltonkreis)
für die RF fest, was einer bestimmten intendierten Verhaltensweise (z. B. annähern)
entspricht; b) die RF wird mit einem bestimmten Umweltezreignis konfrontiert (informiert);
c) sodann legt das System fest, ob dieses Umweltereignis unter das Codierungsprogramm
fällt.
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Wird also z. B. in einem Zustand hoher Temperatur dem System intendiert,
sich abzukühlen, so fällt aus den Informationsbereichen
Stein,
Fenster, Schatten, Auto, eindeutig der Schatten unter das CodierunqsprocJramm, bzw.
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unter die Handlungsanweisunq, sich abzukühlen.
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Der Operationszyklus der RF durchläuft grundsätzlich folgende Phasen:
a) Systeminterne liandlungsinten tion, also ständige Entscheidungsbereitschaft;
b) Dateneingabe an Neuronen durch passende Umweltinformation; c) Handlungsvollzug
des Gesamtsystems in Form einer bestimmten Verhaltensweise wobei die Auswahl der
Handlungsprogramme nach der umweltbedingten Dringlichkeit erfolgt; d) Systeminterner
Neuaufbau im Sinne einer neuen Handlungsintention.
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Ein Roboter mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung operiert dabei entspreichend
der RF abduktiv - diagnostisch nach folgendem Schema: Der Roboter verfügt über ein
Repertoir von Verhaltensweisen, wobei jede cinzeRne Verhaltensweise systemintern
nach einer Regel, d. h. einer Folge derNegationsoperatoren, die einen Hamiltonkreis
bilden, erzeugt wird. Die Anzahl der Regeln ist durch den Bau der Rechenanlage festqeleclt.
Der Roboter wird nun mit einem oder mehreren Umweltereignissen konfrontiert, so
daß er sofort entscheiden muß, welche Regel (Neqationsoperatoronfolqe) in diesem
Fall einzusetzen iit.
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Diese Entschedungsfähigkeit ermöglicht dem Roboter eine der Umweltsituation
entsprechende Handlungsweise.
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Die vorstehend geschilderten Zusammenhänge machen es also möglich,
die logische Struktur der (biologischen) RF als Rechenanlage nachzubauen.
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Die Neuronen der RF sind dabei durch die Speichermodule der Rechenanlage
gebildet, während die Nervenfortsätze (Dendriten, Axone) der RF die Schaltverbindungen
zwischen den Speichermodulen darstellen.
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Die Speichermodule des Befehlsrechners können jeweils einzeln aus
herkömmlichen adressierbaren Festwertspeichern, z. B. sog. ROM's hergestellt sein,
die eingangsseitig über Adress- und Steuerleitungen aktivierbar sind. Die Funktion
der Speichermodule erfolgt taktgesteuert, z. B.
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durch einen Taktgenerator in Form eines Ring zählers mit der Speichermodulanzahl
entsprechenden Stellen. An den Adressleitungen liegt dabei die Nummer des Speichermoduls
an, über die sonstigen Steuerleitungen noch die Nummer des jeweils ausgewählten
Hamilton-Kreises und ein spezifischer Prioritätswert, der weiter unten erläutert
wird, Ausgangsseitig wird die Adresse des nächsten Speichermodules sowie des ausgewählten
Hamilton-Kreises und gegebenenfalls der Prioritätswert weitergegeben. Uber diese
Leitungen kann das im ausgewählten Hamilton-Kreis nachfolgende Speichermodul angesteuert
werden. Außerdem liegt am Ausgang der für den jeweiligen Hamilton-Kreis zutreffende
Negationswert an, der an das Ausganysschieberegister abgegeben wird. Hiermit ergibt
sich eine komplexe Verbindung der Speichermodule einerseits untereinander und andererseits
mit den steuernden Eingaberechnern, Hieraus ergibt sich bereits, daß jeder Hamilton-Kreis
innerhalb des Befehlsrechners durch Adressierung von außen von jedem beliebigen
Speichermodul gestartet werden kann. So könnte z. B. bei den oben anhand des lexikographisch
dargestellten zweidimensionalen, vierwertigen Permutographen der Hamilton-Kreis
1 an dem dort als Element bezeichneten Speichermodul @ gestartet werden.
Diese erfolgt jedoch nur dann, wenn die diesem Speichermodul zugeordnete permutierte
Folge von Programmen entsprechend bevorzugten Hamiltonkreisen, d. h. in diesem Falle
die Programmfolge 1-4-2-3, auch von den Eingaberechnern als bestmögliche Programmfolge
erkannt ist. Da jedes Speichermodul prinzipiell die
durch die Hamilton-Kreisfolge
definierte Befehlsfolge am Ausgang des Befehlsrechners bestimmen kann, herrscht
eine Redundanz potentieller Befehlsausübung.
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Anstatt die Speichermodule als separate Festspeicher aufzubauen, die
untereinander und mit denEingaberechnern verbunden sind, ist es auch möglich, den
Befehlsrechner mit adressierbaren Festspeichern aufzubauen, die jeweils einem ausgewählten
Hamilton-Kreis zugeordnet sind. Diese Festspeicher haben dann eine der Speichermodulanzahl
entsprechende Anzahl von Adressleitungen und Steuerleitungen zum Freigeben des jeweiligen
Festspeichers. Die Speicherplätze auf einem solchen Festspeicher sind dann so festgelegt,
daß beim sequentiellen Ansteuern der Adressleitungen am Ausgang des Festspeichers
jeweils die dem Hamilton-Kreis bestimmende Negationsfolge anliegt. Außerdem erscheint
am Ausgang noch eine Kennung des jeweils angesteuerten Speichermodules und dessen
bevorzugten [Iamilton-ldeises bzw. der bevorzugten Prograrnnfolge. Durch die
Kennung wird das jeweils aktivierte Speichenxdul bezeichnet und kann in einem Komparator
mit dem von den Eingaberechnern spezifisch ausgewählten Speichermodul verglichen
werden, welches die der jeweiligen Umweltsituation am besten entsprechende Programmfolge
beinhaltet. Stimmen diese beiden Nummern bzw. Kennungen der Speichermodule überein,
so gibt der Komparator ein Signal ab, den gleichen Hamilton-Kreis von dem bevorzugten
Speichermodul zu starten.
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Sollte, bedingt durch einen neue Umweltsituation, am Ausgang der Eingaberechner
eine neue Programmfolge entsprechend einer gegenüber der bisherigen Folge geänderten
Hamilton-Ereisfolge anliegen, so wird diese neue Folge ebenfalls durch ein anderes
Speichermodul gekennzeichnet.
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Soweit während des Durchlaufes des jeweils aktiven Hamilton-Kreises
die Kennung dieses Speichermodules dem Komparator zugeführt wird, gibt dieser ein
Signal ab, um das jetzt bevorzugte Speichermodul innerhalb eines anderen Hamilton-Kreises
zu aktivieren. Dieses Aktivie-
rungssignal erfolgt zeitverzögert,
wobei diese Zeitverzögerung dadurch bestimmt wird, daß der bisher im Befehlsrechner
aktivierte Hamilton-Kreis bis zum Schluß durchlaufen werden muß. War bislang z.
B. das Speichermodul @ mit der Programmfolge 1-4-2-3 innerhalb des Hamiltonkreises
Nr. 1 eingeschaltet und wird jetzt von dem Relationsrechner aufgrund neuer Umweltinformationen
festgestellt, daß eine andere Programmfolge ausgeführt werden muß, z. B. die Programmfolge
4-3-2-1, so wird von den Eingaberechnern dem Komparator die Kennung bzw.
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Nummer des Speichermodules @ zugeführt, das diese neuen Programmfolge
beinhaltet. Sobald beim Durchlauf des bisher aktivierten Hamilton-Kreises Nr. 1
von dem Festspeicher des Befehlsrechners die Nummer dieses Speichermodules dem Kompensator
zugeführt wird, gibt dieser qeqebenenfalls nach der erwähnten Zeitverzögerung, ein
Umschaltsignal ab, so daß jetzt auf den Hamilton-Kreis Nr. 4 geschaltet wird, der
von dem bevorzugten Speichermodul @ gestartet wird.
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Eine derartige Ausbildung des Befehlsrechners in Form von Festspeichern
für die ausgewählten Hamilton-Kreise benötigt eine wesentlich geringere Verdrahtung
als ein Befehlsrechner aus separaten Festspeichermodulen. Am Funktionsprinzip ändert
sich dabei nicht, so daß auch hier die Redundanz potentieller Befehlsausübung gegeben
ist.
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Wie bereits oben erwähnt, müssen die von den Eingaberechnern zur Verfügung
gestellten Daten gewichtet sein, d. h. es muß ihnen ein bestimmter Prioritätswert
zugeordnet werden, damit der Befehlsrechner immer so angesteuert wird, daß jeweils
der "günstigste" Befehl vom Befehlsrechner abgegeben wird. Dieser "günstigste Befehl
entspricht einer Handlungsmodalität, die den Handlungsintentionen unter Berücksichtigung
der jeweiligen Umweltssituaton am nähesten kommt. Diese Wichtung wird im Relationsrechner
vorgenommen, indem jedem Eingangssignal über
eine fixe Wichtungstabelle
ein entsprechender Wert zugeordnet wird, Diese Eingangssignale sind die vom Handlungsintentionsrechner
gelieferten Daten, die vom Perzeptionsrechner gelieferten Daten sowie die dem Relationsrechner
rückgemeldeten Daten des Befehlsrechners entsprechend dem augenblicklichen Zustand
des Befehlsrechners, d. h. entsprechend dem gerade aktivierten Hamilton-Kreis. Diese
Wichtung ist notwendig, damit innerhalb der Eingaberechner entschieden werden kann,
welches Speichermodul bevor zugt ausgewählt werden soll, um einerseits der Handlungsintention
und andererseits der jeweiligen Umweltsituation Rechnung zu tragen.
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Die Umweltinformationen, die dem Relationsrechner über Perzeptionsrechner
zugeführt werden, werden üblicherweise von mehreren unterschiedlichen Sensoren geliefert,
so z. B.
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visuellen, taktilen und auditiven Sensoren. Die Ausgangssignale dieser
Sensoren werden jeweils einem Perzeptionsrechner zugeführt und dort entsprechend
ausgewertet. Um auch in diesem Falle eine Redundanz potentieller Befehlsausführung
im Befehlsrechner zu erhalten, ist es notwendig, für jedem Sensorgruppe einen eigenen
Befehlsrechner vorzusehen, wobei dann die unterschiedlichen Befehlsrechner, in dem
erwähnten Fall die auf visuelle taktile bzw. auditive Daten ansprechenden Befehlsrechner
"somatotopisch" geschichtet angeordnet sind. Die einzelnen Speichermodule dieser
einzelnen Befehlsrechner müssen mit den gleichnamigen Modulen in den anderen Befehlsrechnern
verbunden werden; außerdem werden die einzelnen Befehlsrechner in Synchronisation
betrieben. Es wird für jede Sensorgruppe im entsprechenden Befehlsrechner ein bestimmter
Hamilton-Kreis eingestellt, und zwar wiederum durch Auswahl des jeweilig bevorzugten
Speichermoduls. Welcher Befehlsrechner bzw. welcher Hamilton-Kreis letztendlich
wirklich als Ausgabe an der Befehlsrechnergruppe anliegt, wird durch eine interne
Prioriätszuteilung festgelegt. Diese Entscheidung erfolgt dadurch,
daß
das vom Relationsrechner aktivierte bevorzugte Speichermodul seinen eigenen Prioritätswert
mit demjenigen Speichermodul im gerade eingeschalteten Befehlsrechner vergleicht.
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Ist dieser Prioritätswert höher als der des zuletzt eingeschalteten
Speichermoduls, so wird vom aktivierten Speichermodul ein Impuls zur Umschaltaufforderung
gegeben.
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Durch diesen Umschaltimpuls werden alle Speichermodule, mit Ausnahme
desjenigen Speichermoduls, das diesen Impuls sendet, auf Datenempfang geschaltet
und erhalten die Prioritätsinformation des neu aktivierten Speichermoduls. So kann
z. B. für gleichnamige Speichermodule der unterschiedlichen Befehlsrechner das Speichermodul
im Befehlsrechner, der auf visuelle Daten anspricht, den Wert 2 erhalten, das auf
taktile Daten empfindliche Speichermodul den Prioritätswert 3 und das auf auditive
Daten empfindliche Speichermodul den Prioritätswert 1. Alle diese Prioritätswerte
gelten für den gleichen Hamilton-Kreis. Wäre demnach der Befehlsrechner für visuelle
Daten eingeschaltet und würden prioritätshöhere taktile Daten vorliegen, so würde
an dem betrachteten Speichermodul auf den Befehlsrechner umgeschaltet werden, der
für taktile Daten empfindlich ist, da das zugehörige Speichermodul den höchsten
Prioritätswert aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, daß immer innerhalb eines
Hamilton-Kreises, d. h. innerhalb einer Handlungsmodalität, das bestinformierte
Speichermodul den zu generierenden Befehl bestimmt.
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Das Ausgangsiregister des Befehlsrechners wird einem Exekutivrechner
und - als Rückmeldung - dem Relationsrechner zugeführt. In dem Exekutivrechner wird
der in Form einer Negationsfolge vorliegende Befehl in Stellbefehle für Aktivatoren
umgesetzt, z. B. Stellmotoren für eine Vorwärtsbewegung, für eine Rückzugsbewegung,
Stellbefehle zur Betätigung der Sensoren usw.
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Mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, einen Roboter
aufzubauen, der eine im Handlungsintentionsrechner programmierte Handlungsfolge
unter Berücksichtigung
der Umweltbedingungen ausführen kann.
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Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Figuren 5 bis
14 näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar: Figur 5 ein Blockdiagramm eines
Roboters, der mittels einer Einrichtung gemäß der Erfindung gesteuert ist; Figur
6 ein Blockdiagramm eines Perzeptionsrechners zur Auswertung visueller Umweltinformationen;
Figur 7 ein Blockdiagramm eines Relationsrechners zur Auswertung der Umweltinformationen
und vorgeebenen Handluncjsinformationen; Figur 8 ein Blockschaltbild eines Handlungsintentionsrechners
zur Verarbeitung der vorgegebenen Handlungsinformationen; Figur 9 eine schematische
Darstellung von in einem Permutographen-Muster angeordneten Speichermodulen eines
Befehlsrechners zur Darstellung von vier ausgewählten Hamilton-Kreisen mit den zugeordneten
Negationsfolgen; Figur 10 eine schematische Darstellung eines Speichermodules; Figur
11 eine Programmiertabelle für einen Festspeicher zur Festlegung eines Hamilton-Kreises
in dem Befehlsrechner; Figur 12 eine schematische Darstellung der Speicherplätze
in einem Festspeicher zur Realisierung eines Hamilton-Kreises;
Figur
13 ein Blockschaltbild eines Befehlsrechnersfür vier Hamilton-Kreise mit Eingabe-
und Ausgabelogik; Figur 14 eine schematische Darstellung von drei gleichnamigen
Speichermodulen in einem somatotopisch geschichteten Befehlsrechner zur Erläuterung
der Prioritätsauswahl eines bestimmten Befehlsrechners.
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In Figur 5 ist ein Blockdiagramm einer Rechenanlage nach dem Prinzip
der Redundanz potentieller Befehl sau sübung für einen Roboter dargestellt. Das
Gesamtsystem wird aus herkömmlichen Komponenten, vorwiegend herkömmlichen Rechenanlagen
mit definierten Eingangs- und Ausgangssignalen zusammengesetzt. Die Komponenten
des Gesamtsystemes sind eine Sensorik 1 mit den zugehörigen Perzeptionsrechnern
zur Aufnahme und Verarbeitung von Umweltinformationen, ein Relationsrechner 2 zur
Bewertung der von der Sensorik 1 abgegebenen Daten im Hinblick auf die von einem
IIandlungsintentionsrechner3abWegebenen Daten, und ferner ein somatotopisch geschichteter
Befehlsrechner 4, der von den Rechenanlagen 1, 2 und 3 angesteuert wird und aus
diesen Ansteuerdaten Befehle für einen Exekutivrechner 5 berechnet. Der Exekutivrechner
5 setzt diese Befehle in Stellbefehle für eine nicht näher dargestellte Motorik
des Roboters um.
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Die Sensorik 1 weist drei Gruppen von Sensoren auf, nämlich visuelle
Sensoren S-v, taktile Sensoren S-t und auditive Sensoren S-a, die jeweils mit einem
zugeordneten Perzeptionsrechner 6-v, 6-t bzw. 6-a verbunden sind.
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Die Sensorikl für den visuellen Teil ist näher in Figur 6 dargestellt,
wobei hier lediglich Bezugszeichen ohne die Kennung "v" verwendet sind. Die Sensorik
für den taktilen bzw. auditiven Teil ist entsprechend aufgebaut.
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Die Aufgabe der visuellen Sensorik 1 ist, die visuelle Umweltinformation
in aussagekräftigen, computergerechte Informationsdaten umzuwandeln. Als Sensor
S wird eine binokuläre Kamera 7, z. B. eine Video-Kamera verwendet, die mit einem
automatischen analog arbeitenden Schärfe-und Kontrastregler 8 verbunden ist und
ferner Stellmotoren 9 aufweist, mit denen Bildausschnitt und Blickrichtung eingestellt
werden ki;nricn. Die Signale für diese Stellmotoren stammen vom Exekutivrechner
5.
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Die Videosignale beider Videokanäle werden einem Rechner 10 zugeführt,
und zwar jeweils über schnelle Analog/Digital-Wandler 11-1 b w. 11-2, in denen die
analogen Videosignale in Binärsignale umgewandelt werden. Die Binärsignale werdenin
einer Koordinatenmatrix 12 in X-, Y- und Z-Koordinatenwerte transferiert, die anschließend
nach Zwischenspeicherung in einem dreidimensionalen Koordinatenspeicher einem Bildanalyserechner
13 zugeführt werden. In diesem Bildanalyserechner 13 wird anhand eines Analyseprogrammes
entweder durch Vergleichen mit ähnlichen, fix abgespeicherten Körpern oder durch
Errechnen Art bzw. Form der von der Videokamera aufgenommenen Gegenstände sowie
deren Lage im Raum bestimmt.
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Die Informationsübergabe an den Relationsrechner 2 erfolgt sinnvollerweise
in einem genormten, für weitere, taktile und auditive Daten ermittelnde Perzeptionsrechner
geeigneten Ubergabeprotokoll. Die Auswertung der Videosignale erfolgt kontinuierlich.
Werden im Rahmen der Bildanalyse Werte festgestellt, die weit über dem üblichen
Arbeitsbereich liegen, z. B. sich extrem schnell ändern, so kann der Perzeptionsrechner
6 direkt in den Befehlsrechner 4 eingreifen, um z. B.die gerade ausgeführte Handlung,
etwa ein Vorrücken des Roboters zu unterbrechen und gegebenenfalls einen Notbefehl,
etwa Zurückziehen, an den Befehlsrechner zu geben. Derartige Notsituationen und
der damit verkoppelte, in der Regel fest vorgegebene Eingriff in den Befehlsrechner
4 werden weiter unten erläutert.
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Derartige Perzeptionsrechner zur Bearbeitung von Sensorsignalen und
zur Bildanalyse können in herkömmlicher Technologie aufgebaut werden.
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Der in Figur 7 schematisch dargestellte Relationsrechner 2 erhält
als Eingabedaten von der Sensorik 1 die aufbereiteten Umweltdaten, vom Handlungsintentionsrechner
3 eine Programmfolge für die geplanten auszuführenden Handlungen und vom Befehlsrechner
4 die dessen jeweiligen Zustand kennzeichnenden Zustandssignale. Jedem Eingangssignal
wird über eine vorher festgesetzte Wichtungstabelle ein entsprechender Wert zugeordent.
Anhand dieser gewichteten Daten wird in einem Rechner 15 die günstigste, durch eine
Programmfolge bestimmte Handlungsabfolge bestimmt, die am ehesten geeignet ist,
die programmierte Handlungsintention unter Berücksichtigung der Umweltbedingungen
zu erfüllen. Die Wichtung kann gegebenenfalls mehrfach erfolgen, so daß sich zwischen
dem Rechner 15 und der Wichtungstabelle eine Schleife bildet, falls bei der ersten
Wichtung noch keine bevorzugte Programmfolge ermittelt werden konnte. Liegt am Ausgang
des Rechners ein eindeutiges Ergebis vor, so wird dieses in einen Auswahlspeicher
16 übernommen, von dem die errechnete Programmfolge an den Befehlsrechner 4 weitergegeben
wird.
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Der in Figur 8 dargestellte Handlungsintentionsrechner 3 weist eine
Eingabekonsole 21 mit einem internen Speicher auf, in die vor Inbetriebnahme des
Gesamtsystemes die Handlungsabläufe sequentiell eingegeben und gespeichert werden.
Diese vorprogrammierten Handlungsabläufe sind nach Art, Dauer und Intensität bestimmt
und werden im anschließenden Rechner 22 sequentiell abgearbeitet. Die auf der Eingabekonsole
21 eingegebenen und gespeicherten Befehle werden aus einer Programmtabelle eingegeben,
und in den Rechner 22 in eine für den Befehlsrechner 4 geeignete Form gebracht,
die sich, wie weiter unten erläutert wird, aus einer HamiltonEreisfolge zusammensetzt.
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Dieses eingegebene Programm bestimmt den beabsichtigten Handlungsablauf
für das Gesamtsystem, wobei dieser Handlungsablauf mittels einer Zeitsteuerung 23
überwacht und beeinflußt wird. Mit dieser Zeitsteuerung wird vorgegeben, wann entsprechend
dem angegenben Programm auf die nächste Handlungsintention umgeschaltet werden muß,
die dann wiederum sequentiell vom Rechner 22 bearbeitet wird.
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Das Ende einer Handlungsintention wird von der Zeitsteuerung 23 in
den Rechner auf zwei verschiedene Wege eingegeben. Zum einen ç wird die Gesamtzeit
der Handlungsintention vorgegeben, so daß nach Ablauf dieser vorgegebenen Zeit auf
die nächste Handlungsintention umgeschaltet wird. Zusätzlich erhält die Zeitsteuerung
von dem Exekutivrechner 5 noch ein Zeitsteuersignal, mit dem gemeldet wird, daß
eine Handlungsintention ausgeführt worden ist. über diese Rückführung erfolgt in
der Zeitsteuerung 23 ein Soll - Ist - Vergleich, aus dem wiederum ein Kriterium
für das Weiterschalten des Rechners 22 abgeleitet wird. Diese Zeitsteuerung ist
beim Wechsel auf eine neue Drogrammfolge wichtig.
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Mit dem Handlungsintentionsrechner3 wird für das System eine Dasishandlungsmodalität
eingegeben, die jeweils durch einen Hamilton-Kreis dargestellt wird. Ähnlich wie
bei dem Relationsrechner 2 wird eine Wichtung zwischen der vorprogrammierten Handlungsintention
und der über die Zeitsteuerung 23 in denRechner 22 eingegebenen periodisch gesteuerten
Handlungsintentionenvorgenommen. Aus diesem Wichtungsprozess wird das jeweilig elementare
Handlungsprogramm berechnet. Die Ausgangsdaten dieses Rechners werden dem Relationsrechner
2 zugeführt und dort wie oben beschrieben gewichtet und weiterverarbeitet.
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Die Zentraleinheit des Gesamtsystemes ist der eigentliche Befehlsrechner
4, der von den Eingaberechnern 1, 2 und 3 angesteuert wird. Die Daten der Eingaberechner
werden dabei so aufbereitet, daß sie an die Funktion des Befehlsrechners 4 angepaßt
sind. Dieser Befehlsrechner 4 ist in Art eines Permutographen aufgebaut und legt
die jeweilige Handlungsmodalität des Gesamtsystemes fest.
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Zur Erläuterung der Funktion und des Aufbaues sei zunächst auf die
Figur 9 Bezug genommen. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß der Befehlsrechner
nach Art eines zweidimensionalen vierwertigen Permutographen mit 24 Speichermodulen
@ bis @ aufgebaut ist. Mit einem derartigen Befehlsrechner mit 24
Speichermodulen können vier Programme permutatorisch angelegt werden, die jeweils
auf eine Handlungsmodalität bezogen sind. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einem
realistischen System, z. B.
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zur Verwirklichung eines Roboters, wesentlich mehr Programme bzw.
Handlungsmodalitäten vorgesehen sein müssen, so daß der Befehlsrechner entsprechend
eines mehrwertigen dreidimensionalen Permutographen erweitert werden muß.
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Wie in der obigen Tabelle angegeben, existieren in einem zweidimensionalen
vierwertigen Permutographen aus 24 Speichermodulen 44 geschlossene Hamilton-Kreise,
die jeweils durch eine bestimmte Negationsfolge definiert werden können. Aus diesen
44 Hamilton-Kreisen werden vier Hamilton-Kreise HKi bis K2 ausgewählt, die in der
Figur 9 dargestellt sind. Die Schaltverbindungen zwischen den einzelnen Speichermodulen
sind fett eingezeichnet.
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Werden sämtliche Hamilton-Kreise HK1 bis HK4 jeweils vom Speichermodul
1 beginnend durchlaufen, so ergeben sich folgende Negationsfolgen: HK1: 1-2-3-2-3-2-1-2-1-2-3-2-3-2-1-2-1-2-3-2-3-2-1-2
HK2: 3-1-2-3-2-1-2-1-2-3-2-1-3-1-2-1-2-1-3-1-2-1-2-1 HK3: 1-2-3-1-3-2-3-2-3-1-3-2-3-2-3-1-3-2-1-2-3-2-3-2
HK4: 1-3-1-2-3-1-3-2-1-3-1-2-3-1-3-2-1-3--1-2-3-1-3-2 Diesen Hamilton-Kreisen HK1
bis HK4 werden jeweils spezifische Handlungsmodalitäten zugeordnet. Die Handlungmodalität
für den Hamilton-Kreis HK1 sei z. B. "Orientieren" bzw als Befehl für die visuellen
Sensoren ausgedrückt:
"Schau!".
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Die Handlungsmodalität für den Hamilton-Kreis HK2 sei eine Vorwärtsbewegung,
bzw. als Befehl "Vorwärts!".
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Die Handlungsmodalität für den Hamilton-Kreis HK3 sei Stehenbleiben".,
bzw. als Befehl "Halt!".
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Die Handlungsmodalität für den Hamilton-Kreis HK4 sei eine Rückwärtsbewegung
bzw. als Befehl "Rückwärts!".
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In jedem der Speichermodule @ bis 8 ist nun eine Permutation
der diesen Handlungsmodalitäten zugeordneten Programme angelegt, wie dies oben in
der lexikographischen Aufstellung für vier Programme gezeigt wurde. Diese Programme
sind entsprechend den Hamilton-Kreisen demnach: Programm 1 ein Orientierungsprogramm,
Programm 2 ein Annäherungsprogramm, Programm 3 ein Rückzugsprogramm und Programm
4 ein Halteprogramm.
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Diese vier Programme werden realisiert, indem der jeweils zugehörige
IIamiton-Kreis entsprechend den Ausgangsdaten der Eingaberechner 1, 2 und 3 aktiviert
wird. Diese vier Programme sind ebenfalls im Handlungsintentionsrechner in einer
bestimmten Abfolge nach Vorgabe der Handlungsintentionsfolge abgespeichert, ebenso
kann in dem Relationsrechner aufgrund von Umweltinformationen eine Programmfolge
bereitgestellt werden.
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Es sei angenommen, daß für dieses sehr einfache Gesamtsystem im Handlungsintentionsrechner
3 zunächst der Handlungsablauf 1-2-3-4 in einer bestimmten Zeit programmiert ist,
demnach in Befehlen ausgedrückt der Handlungs-
ablauf: Schau!",
"Gehe Vorwärts!" "Halt!", "Gehe Zurück!".
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Da diese Programmabfolge durch das Speichermodul Q festgelegt ist,
werden die zugeordneten Hamilton-Kreise HK1 bis HK4 sequentiell ebenfalls von diesem
Speichermodul angesteuert und sequentiell durchlaufen. Dieser Durchlauf wird von
der Zeitsteuerung 23 überwacht. Dies erfolgt jedoch nur dann, wenn auch der Relationsrechner
2 aus den Umweltinfonmationen, bei diesem einfachen Modell aus den aufgearbeiteten
Informationen der binokulären Videokariera 7, die Programmfolge 1-2-3-4 errechnet
hat bzw. entsprechend der Wichtung im Relationscomputer kein sonstiges vordringliches
Programm bereitstellt. Da während der Programmabfolge, d. h. während des sequentiellen
Durchlaufens der Hamilton-Kreise, von der Sensorik 1 und dem Relationsrechner 2
ständig neue Informationen geliefert werden, die mit den Handlungsintentionen verglichen
werden, bedeutet der genannte Fall: Es lassen sich die geplanten Bewegungsabläufe
ausführen (Programm 1) - Der Weg zur Erreichung des Bewegungszieles ist frei (Programm
2) - Das Bewegungsziel ist erreicht, es geht nicht mehr weiter (Programm 3) - Es
kann zum Ausgangspunkt zurückgegangen werden (Programm 4 Es sei nun angenommen,
daß über die Sensorik 1 festgestellt wird, daß während des Ablaufes des Handlungsintentionsprogrammes
ein hindernis festgestellt wird. hieraus berechnet der Relationsrechner 2 z. B.
die Programmfolge 3-4-1-2, d. h.
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Ein Gegenstand steht im Weg (Programm 3 ) - Es muß zurückgegangen
werden (Programm 4) - Schau nach einem neuen Weg (Programm 1) - Gehe nach Vorwärts
(Programm 2).
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Wird diese neue Programmfolge nach der Wichtung im Relationsrechner
2als vordringlich gekennzeichnet, d. h.daß die beabsichtiete Programmfolge entsprechend
der Handlungsintention umweltbedingt im Moment nicht ausgeführt werden kann, so
unterbricht der Relationsrechner 2 den Befehlsablauf
im Befehlsrechner
4 und schaltet diesen auf die neue Programmfolge um. Wie aus der lexikographischen
Aufstellung und auch aus Figur 9 hervorgeht, ist diese neue Programmfolge 3-4-1-2
("Halt"!-"Rückwärts!"-"Schau!"-"Vorwärts!") dem Speichermodul 17 zugeordnet. Der
Relationsrechner 2 steuert in diesem Falle das Speichermodul 17 an, das den Befehle
ner 4 zunächst auf den neuen Hamilton-Kreis HX3 schaltet.
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Dementsprechend kann jedes Speichermodul als Träger der passenden
Umweltinformation eine Handlungsfolge in Gang setzen und zwar auf zweifache Weise:
a) entweder ist dem Speichermodul bereits die vom Handlungsintentionsrechner vorgegesbene
Handlungsfolge zugeordnet oder b) das Speichermodul zwingt den Befehlsrechner zu
einer Anderung der Handlungsmodalitätenfolge entsprechend der dem Speichermodul
zugeordneten ogrammfolge.
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Der Befehlsrechner kann aus separaten Speichermodulen aufgebaut sein;
ein solchesSpsichermodul M-i ist in Figur 10 schematisch dargestellt, wobei i die
jeweilige Nummer desspeichermodules bezeichnet. Ist das Speichermodul M-i selbst
nicht aktiviert, bestimmt es also nicht die Abfolge der Handlungsmodalitäten, so
hat das Speichermodul M-i lediglich die Funktion eines Schalters, damit der jeweils
aktivierte Hamilton-Kreis geschlossen werden kann. Das Hamilton-Modul M-i weist
hierzu einen adressierbaren Negationsspeicher 31 auf. In diesem Negationsspeicher
31 sind für jeden möglichen Hamilton-Kreis, in den das Speichermodul M-i eingeschaltet
werden kann, die Negationswerte sowie die Nummer des in dem jeweils aktivierten
Hamilton-Kreis nachfolgenden Steuermodules gespeichert. Der Negationsspeicher wird
über eine rechnerinterne Adressleitung 32 und eine Steuerleitung 33 angesteuert.
Die Adressleitung 32
ist mit allen Speichermodulen M verbunden,
die beim Durchlauf sämtlicher möglicher Hamilton-Kreise vor diesem Speichermodul
M-i liegen. Uber die Steuerleitung 33 wird dem Negationsspeicher 31 entweder rechnerintern
oder von den Eingaberechnern mitgeteilt, welcher Hamilton-Kreis gerade aktiviert
ist. Durch diese Eingabedaten über die Steuerleitungen 32 und 33 sind auch die Ausgangsdaten
des Negationsspeichers festgelegt. Je nach der Nummer des gerade aktivierten Hamilton-Kreises
ist die Adresse des in diesem Hamilton-Kreis nachfolgenden Speichermodules festgelegt.
Diese Adresse wird über eine Adressausgangsleitung 34 einem Schaltteil 35 des Speichermodules
mitgeteilt. Ebenso ist auch der Negationswert festgelegt, der die Permutation der
Programmfolge dieses Speichermodules in die Permutationsfolge des nachfolgenden
Speichermodules umsetzt. Dieser Negationswert, der für den Fall des geschilderten
zweidimensionalen vierwertigen Befehlsrechner die Werte 1, 2 oder 3 annehmen kann,
wird auf eine Befehlsausgangsleitung 36 übertragen und in ein Ausgangsregister 37
(s. Figur 13) eingeschrieben. Das Schaltteil 35 des Speichermodules M-i schaltet
entsprechend den Daten auf der Adressausgangsleitung 34 das in diesem Hamilton-Kreis
jeweils nachfolgende Speichermodul M ein. Die Ausgangsleitungen dieses Schaltteiles
35 sind entsprechend den zugeordneten Negationswerten mit 1, 2 und 3 bezeichnet.
Diese Ausgangsleitungen entsprechen dem'nach den rechnerinternen Adressleitungen,
was in Figur 10 durch (32) verdeutlicht ist.
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Neben dieser einfachen Schaltfunktion kann das Speichermodul M-i von
den Eingaberechnern 1, 2, 3 so angesteuert werden, daß dieses Speicermodul die jeweilige
Handlungsmodalität und die Handlungsabfolge bestimmt. Das Speichermodul M-i weist
hierzu einen Programmspeicher 38 auf, in dem eine Permutation der vorgegebenen,
in diesem Falle vier Programme abgespeichert ist. Wenn demnach diese Programmfolge
von den Eingaberochnern als auszuführende Pro-
grammfolge bestimmt
ist, wird dieses Speichermodul angesteuert Dies erfolgt über adressabhängige Aktivierungsleitungen
39 und Steuerleitungen 40, die die Nummer des ausgewählten Hamilton-Kreises angeben.
Die Aktivierungsleitungen 39 und die Steuerleitungen 40 sind mit den Adressleitungen
32 und den Steuerleitungen 33 logisch verknüpft, so daß bei einer Aktivierung des
Speichermodules als handlungsbestimmendes Speichermodul die durch den Negationsspeicher
31 definierten Schaltfunktionen ausgeführt werden. Die Funktion des Speichermodules
M-i wird durch eine Modulsteuerung 41 bestimmt, in der definiert wird, ob das Speichermodul
handlungsbestimmend ist und gegebenenfalls den Befehlsrechner auf einen neuen Hamilton-Kreis
umschaltet. Die Nummer des jeweils zutreffenden Hamilton-Kreises wird über eine
Zustandsleitung 42 ausgegeben, den steuernden Eingaberechnern rückgemeldet und zur
Steuerung der nachfolgenden Hamilton-Kreisdurchläufe rechnerintern verwendet.
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Die Möglichkeit, eines der Speichermodule M zu aktivieren, wird ferner
durch einen Entscheidungsmechanismus bestimmt, der prioritätsabhängig ist. Diese
Priorität legt fest, welches der über die Aktivierungsleitungen 39 ankommenden Aktivierungssignale
die Funktion des jeweiligen Speichermodules bestimmt. Je dringlicher eine auszuführende
Handlung ist, desto höher wird auch der Prioritätswert für das Speichermodul festgelegt.
Für den dargestellten Befehlsrechner ist folgende Reihung der Prioritäten vorgesehen:
a) Aktivierung des Speichermodules durch Anderung der Handlungsintention im Handlungsintentionsrechner
(niedrigste Priorität); b) Aktivierung des Speichermodules durch eine geänderte,
im Relationsrechner berechnete Umweltsituation (mittlere Priorität) und
c)
direkte Aktivierung eines Speichermodules aufgrund einer Not- bzw. Extremsituationsmeldung
durch einen Perzeptionsrechner (höchste Priorität).
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In dem geschilderten Fall können diese Prioritäten z. B.
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die Werte 1, 2 und 3 sein. Wird ein Speichermodul M aktiviert, so
wird bei der Aktivierung zugleich der jeweilige Prioritätswert in einen Prioritätsspeicher
43 eingeschrieben. Dieser Prioritätswert wird während des sequentiellen Durchlaufes
durch den jeweiligen Hamilton-Kreis auch den übrigen Speichermodulen mitgeteilt.
Wird jetzt ein Speichermodul mit einem höheren Prioritätswert aktiviert - z. B.
bei einem Ubergang der Aktivierung vom Handlungsintentionsrechner auf den Relationsrechner
so wird jenes Modul, das mit niedrigerer Priorität aktiviert wurde, ignoriert. In
diesem Falle wird entsprechend dem prioritätshöheren Speichermodul auf einen anderen
Hamilton-Kreis umgeschaltet. Auf den vorher aktivierten Basis-Hamilton-Kreis wird
nur zurückgeschaltet, wenn kein höherer Prioritätswert an den Speichermodulen anliegt.
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Bei einem derart aus adressierbaren separaten Festspeichern bzw. SpeichermodulenM
zusammengesetzten Befehlsrechner werden die Entscheidungen eine jeweiliqe Handlungsmodalität
innerhalb des Befehlsrechners aufgrund der Eingabedaten des Perzeptionsrechners,
des Relationsrechners und des Handlungsintentionsrechners vorgenommen.
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Voraussetzung für die Funktion des Gesamtsystemes ist lediglich, daß
von dem Handlungsintentionsrechner ein bestimmtes Speichermodul ausgewählt wird,
das der vorprogrammierten Handlungsintention entspricht. Diese Handlungsintention
wird dann entsprechend der Umweltinformationen gegebenenfalls modifiziert, ohne
daß dabei die vorgegebene Handlungsintention aus den Augen verloren wird.
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Anhand der Figuren 11 bis 13 wird ein Befehlsrechner 4 beschrieben,
der wiederum lediglich für vier Handlungsmo-
dalitäten, d. h. für
vier Hamilton-Kreise mit den entsprechenden Programmen ausgelegt ist. Dieser Befehlsrechner
4 ist nicht mehr aus separaten Speichermodulen entsprechend Figur 10 aufgebaut.
Vielmehr ist für jeden Hamilton-Kreis, in diesem Falle die Hamilton-Kreise HK1 bis
HK4, ein fest vorprogrammierter, adressierbarer Nur-Lese-Speicher ROM 1 bis ROM
4 vorgesehen. Die Speicherplätze der einzelnen ROM's werden durch eine Adresse in
Verbindung mit einem Freigabesignal abgefragt, wobei die vorprogrammierte Information
bezüglich der angewählten Adressen an den Ausgängen des Speichers auftreten.
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In Figur 11 ist eine Programmiertafel für den Speicherbaustein ROM
1 für den Hamilton-Kreis X1 gezeigt. Wird dieser Speicherbaustein an seinen 24 Adressen
angesteuert, so erscheinen als Ausgang einmal die Reihenfolge der in diesem Hamilton-Kreis
HK1 sequentiell durchlaufenen Speichermodule, ferner die jeweils bevorzugte Handlungsintention
entsprechend der ersten Nummer der Programme bei der Permutationsfolge sowie der
nachfolgende Negationswert.
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Diese Tabelle kann selbstverständlich erweitert werden, so daß auch
die oben erwähnten Prioritätswerte, weitere Handlungsintentionen des Modules entsprechend
der permutierten Programmfolge usw. dargestellt werden. Bei der Ansteuerung dieses
Festwertspeichers ist dieser ständig freigegeben, anderenfalls gesperrt.
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In Figur 12 ist die Realisierung des Festwertspeichers in Matrixform
dargestellt, d. h. durch ein Gitter zwischen den Adressleitungen 1 bis 24 und den
Ausgangsleitungen.
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Mit kleinen Kreisen an den Schnittpunkten wird dargestellt, daß die
dort befindliche Speicherstelle auf "EIN" programmiert ist; ist kein derartiger
Kreis vorhanden, so ist die dort befindliche Speicherstelle auf "AUS" programmiert.
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Um Stellen zu sparen, sind die Nummern 1 bis 4 der Hamilton-Kreise
HK1 bis HK4 als 0 bis 3 programmiert. Auch dieser Matrixspeicher kann entsprechend
der Programmtabelle in Figur 11 erweitert werden.
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Es ist ersichtlich, daß beim sequentiellen Ansteuern der Adressen
1 bis 24 am Ausgang des Festwertspeichers ROM 1 nacheinander jeweils die Nummer
des aktuellen Speichermodules, dessen bevorzugter Hamilton-Kreis und der zugehörige
Negationswert entsprechend einem Durchlauf durch den Hamilton-Kreis IIK1 erscheinen.
Zur Erläuterung ist für die Adresse 18 ein Beispiel gegeben. Die Adresse 18 entspricht
demanch dem Speichermodul Nr. 11 mit dem bevorzugten Ilamilton-Kreis 2 und dem nachfolgenden
Negationswert 2.
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In Figur 13 ist ein Blockschaltdiagramm für einen einschichtigen Befehlsrechner
4 mit vier derartigen Festwertspeichern ROM 1 bis ROM 4 für die vier Hamilton-Kreise
HK1 bis HK4 angegeben. Ein interner Taktgeber 51 steuert einen Adresszähler 52 mit
24 Stellen, der über einen Datenbus mit den Adresseingängen der einzelnen Festwertspeicher
und ferner mit einem Adressdecoder verbunden ist. Uber drei ausgangsseitige Datenbusse
55, 56 und 57 werden entsprechend der obigen Speicheraufteilung jeweils die Nummer
des gerade aktuellen Speichermodules, dessen bevorzugte Hamilton-Kreisnummer und
der zugehörige Negationswert abgegeben. Der Datenbus 55 ist mit einem Komparator
58 verbunden, der die Nummer des gerade aktuellen Speichermodules mit derjenigen
des Speichermodules vergleicht, das von den Eingaberechnern als bevorzugtes Speichermodul
ausgewählt worden ist. Diese Auswahl erfolgt über eine Prioritätsauswahllogik 59,
die dem Komparator 58 jeweils nur die Nummer des Speichermodules vorgibt r das die
höchste Priorität hat. Entspricht das z. B. durch den Relationsrechner 2 ausgewählte
Speichermodul dem gerade aktuellen Speichermodul, so wird ein Impuls im Komperator
58 generiert. Dieser Impuls ist für die Ubernahmeder durch das jeweilig aktuelle
Speichermodul vorgegebenen Information bezüglich der Auswahl eines anderen flamilton-Kreises
verantwortlich. Mit dem Ausgang des Komparators 58 ist ein dynamisches Register
60 verbunden, dem über den Datenbus 56
von den Festwertspeichern
die Hamilton-Kreisnummern des jeweilig aktuellen Speichermoduls mitgeteilt wird.
Das dynamische Register 60 übernimmt bei einer ansteigenden Impulsflanke des Generatorausgangssignales,
d. h. dann, wenn das gerade aktuelle Speichermodul mit dem von den Eingaberechnern
über die Prioritätsauswahllogik 59 bevorzugten Speichermodul übereinstimmt, die
Nummer des von diesem Speichermodul vorgegebenen Hamilton-Kreises.Mit dem Ausgang
des dynamischen Registers 60 ist ein dynamisches Freigaberegister 61 verbunden,
dem ein Vier aus Zwei-Decoder 62 nachgeschaltet ist. Der Steuereingang des dynamischen
Freigaberegisters 61 ist mit dem Ausgang des Adressdecoders 54 verbunden, so daß
sichergestellt wird, daß erst nach dem vollständigen Durchlauf eines Hamilton-Kreises
auf einen anderen Hamilton-Kreis umgeschaltet werden kann. Die vier Ausgangsleitungen
des Vier aus Zwei-Decoders 62 sind jeweils mit den Freigabeeingängen der vierFestwertspeicher
ROM 1 bis ROM 4 verbunden, wobei der Vier aus Zwei-Decoder62 immer nur einen einzigen
Festwertspeicher freigeben kann.
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Der Datenbus 57, an dem die Folge der Negationswerte anliegt, ist
mit dem Eingang eines 24-stelligen Schieberegisters 37 verbunden, dessen Schiebetakt
von dem Taktgeber 51 bestimmt wird. Beim sequentiellen Durchlaufen des jeweils angesteuerten
Hamilton-Kreises werden die Einzelinformationen, d. h. die den jeweiligen Hamilton-Kreis
bestimmende Folge von Negationswerten im Schieberegister 37 adressabhängig gesammelt,
bis der gesamte Hamilton-Kreis vom Beginn bis zum Ende einmal durchlaufen ist. Die
Ausgangsinformation des Schieberegisters 37 wird dann nach Beendigung des Durchlaufes
von einem weiteren dynamischen Register 63 übernommen. Diese Ubernahme wird durch
den Adressdecoder 54 eingeleitet, der einen Übernahmeimpuls an das dynamische Register
63 abgibt, sobald der Hamilton-Kreis durchlaufen ist. Dieser Freigabeimpuls wird
auch dem Steuereingang des dynamischen Freigaberegisters 61 zugeführt.
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Die Ausgangsinformation des dynamischen Registers 63 wird anschließend
dem Executivrechner 5 zugeführt und dort in Stellsignale für die einzelnen Stellmotoren
des Gesamtsysteme-s umgewandelt.
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Es sei z. B. angenommen, daß innerhalb der oben angegebenen vorprogrammierten
Programmfolge 1-2-3-4 das Speichermodul 1 innerhalb des Hamilton-Kreises 1 angewählt
ist, da dieses Speichermodul ebenfalls die vorprogrammierte Handlungsfolge beinhaltet.
Die Nummer diese Speichermodules liegt dann an dem einen Eingang des Komparators
58 an. In diesem Fall ist lediglich der Festwertspeicher ROM 1 freigegeben, so daß
die Negationsfolge dieses Hamilton-Kreises 1 sukzessive in das Schieberegister 37
eingeschrieben wird. Es sei nun angenommen, daß aufgrund einer Umweltinformation
festgestellt wird, daß das vorgegebene Programm nicht ausgeführt werden kann, vielmehr
die Programmfolge 3-4-1-2 (Rückzug", Halt", "Observieren", "Vorwärts") ausgeführt
werden muß. Dieses Programm ist dem Speichermodul 0 zugeordnet. Dementsprechend
wird die Nummer dieses Speichermoduls über die Prioritätsauswahllogik dem einen
Eingang des Komparators 58 zugeführt. Erscheint nun beim Durchlauf des gerade aktivierten
Hami].ton-Kreises HK1 die Nummer dieses Speichermodules an dem zweiten Eingang
des KomparatOrs, so gibt dieser einen Ubernahmeimpuls an das dynamische Register
60 ab. Diesem dynamischen Register wird gleich zeitig die Nummer des bevorzugten
Hamilton-Kreises des neu angewählten Speichermodules, in diesem Falle die Hamilton-Kreisnummer
3 mitgeteilt und vom dynamischen Freigaberegister 611übernommen. Sobald der gerade
aktivierte Hamilton-Kreis HKz vollständig durchlaufen ist, wird durch einen Ansteuerimpuls
von dem Adressdecoder 54 das dynamische Freigaberegister freigegeben. Durch den
Vier-aus-Zwei-Decoder 62 wird jetzt der Festwertspeicher ROM 3 freigegeben, so daß
auf den neuen Hamilton-Kreis 3 umgeschaltet wird. Dieser Hamilton-Kreis bleibt so
lange aktiviert, bis dem KomparatOr 58 von den Eingaberechnern eine neue Modulnummer
mitgeteilt wird.
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Die Reaktionsgeschwindigkeit des Befehlsrechners kann anhand der maximalen,
für die Schaltung noch verarbeitdarin Taktfrequenz und der Anzahl der Speichermodule
berechnet werden. Bei dem beschriebenen einfachen Befehlsrechner kann als maximale
Taktfrequenz 100 MHZ angenommen werden, so daß bei 24 Speichermodulen die Zeit für
den Durchlauf eines Hamilton-Kreises 240 nsec beträgt.
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Wie oben erwähnt, muß der Befehlsrechner bei Verwendng von mehreren
"Sinnesorganen", z. B. den drei oben erwähnten Sensorgruppem S-v, S-t und S-a somatotopisch
geschichtet sein. Dies kann auch für das Ausführungsbeispiel nach Figur 13 erfolgen,
indem einfach drei derartige Befehlsrechner aufgebaut werden, die absolut synchron
betätigt werden. Es wird dann jeweils derjenige Befehlsrechner aktiviert, bei dem
das ausgewä Speichermodul die höchste Priorität hat. Dieses ist schematisch in Figur
14 dargestellt, und zwar für drei gleichnamige Speichermodule M-22-1, M-22-2 und
M-22-3. Das Speichermodul M-22-1 ist einem "visuellen" Befehlsrechner 4-1, das Modul
M-22-2 einem taktilen" Befehlsrechner 4-2 und das Modul M-22-3 einem "auditiven"
Befehlsrechner 4-3 zugehörig. Die drei Speichermodule sind durch bidirektionale
Datenleitungen 71, 72 und 73 verbunden, an denen jeweils die Prioritätswerte der
einzelnen Speichermodule anliegen. Wie oben erwähnt, kann z. B. dieser Prioriätswert
ebenfalls in dem Festspeicher für einen Hamilton-Kreis vorgegeben sein und am Ausgang
des jeweiligen ROM's anliegen. Die Prioritätswerte werden innerhalb der einzelnen
Speichermodule miteinander verglichen. So vergleicht z. B. das vom Relationsrechner
bevorzugt aktivierte Speichermodul seinen Prioritätswert mit den über die Datenleitunqen
71, 72, 73 zugeführten Prioritätswertem der qleichnamiqen Module. Ist der Prioriritätswert
eines der gleichnamigen Module, z. B. des Modules M-22-2 höher als die des zuletzt
eingeschalteten Speichermodules, z. B. des Speichermodules M-22-1, so wird von dem
höher-
wertigen Speichermodul über eine Umschaltleitung 74 ein
Impuls zur Umschaltaufforderung gegeben. Durch diesen Umschaltimpuls werden alle
Speichermodule, mit Ausnahme des Speichermodules, das diesen Impuls sendet, auf
Datenempfang geschaltet und erhalten die Information über den Prioritätswert des
neu aktivierten Speichermodules. Wie oben erwähnt, sind die Prioritätswerte für
die einzelnen Befehlsrechner fest vorgegeben und haben für den Befehlsrechner 4-1
für das Modul M-22-1 den Wert 2, für den Befehlsrechner 4-2 für das Modul M-22-2
den Prioritätswert 3 und für den Befehlsrechner 3 für das Modul M-22-3 den Prioritätswert
1 Für den in Figur 14 dargestellten Fall sendet z. B. das Speichermodul M-22-1 an
die beiden anderen Speichermodule den Prioritätswert 2. Werden von dem zentralen
Adresszähler - entsprechend dem Adresszähler 51 in Figur 13 - sämtliche Module M-22
angesprochen und ist neben dem Speichermodul M-22-1 weiterhin ein gleichnamiges
Modul, z. B. das Modul M-22-2 vom entsprechenden Relationsrechner aktiviert, so
wird der anliegende Prioritätswert 2 mit dem internen Prioritätswert 3 des Modules
M-22-2 verglichen. Da dessen Prioritätswert 3 größer als der Prioritätswert 2 ist,
so wird vom Speichermodul M-22-2 ein Umschaltimpuls gegeben. Der von dem Speichermodul
M-22-1 gesendete Prioritätswert 2 wird ungültig und das Speichermodul M-22-1 erhält
nun den Prioritätswert 3 vom Speichermodul M-22-2.
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Das Speichermodul M-22-2 schaltet seinen zugehörigen Befehlsrechner
4-2 ein. Wird die Aktivierung des Speichermodules M-22-2 wieder aufgehoben, so wird
erneut ein Umschaltimpuls gesendet. Da das Modul M-22-1 weiterhin aktiviert ist,
sendet es jetzt seinen Prioritätswert 2 an die anderen Speichermodule, wodurch der
Befehlsrechner 4-1 aktiviert wird. Durch eine derartige Bearbeitung der Prioritätswerte
gelangt immer nur eine Ausgangsinformation, entsprechend der Negationsfolge eines
einzigen eingeschalteten Befehlsrechners an den Exekutivrechner.
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Wie oben bereits erwähnt, besteht die Möglichkeit, daß die Sensorik
1 über die Perzeptionsrechner 6 direkt in den Befehlsrechner 4 eingreift, wenn eine
Extrem- bzw. Notsituation vorliegt. Für einen derartigen Eingriff ist höchste Priorität
vorgesehen. Diese Notsituation wird vom betreffenden Perzeptionsrechner 6 unter
Ausschaltung des entsprechenden Relationsrechners direkt zu demjenigen Speichermodul
innerhalb des Befehlsrechners gesendet, mit dem die Notsituation bereinigt werden
kann. Bei dem hier behandelten Fall einfacher Befehlsrechner nach Art eines zweidimensionalen
vierwertigen Permutographen ist aus der lexikographischen Ordnung der Permutationsfolgen
ersichtlich, daß jeweils die erste Ziffer entsprechend einem Programm jeweils sechsmal
konstant bleibt. Kann die Notsituation z. B. dadurch bereinigt werden, daß das Programm
2, d. h. "Vorwärts!" ausgeführt wird, so können hierfür sechs Speichermodule angesteuert
werden.
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Zu diesen Speichermodulen sind von den jeweiligen Perzeptionsrechnern
10 der Sensorik 1 direkte Leitungen über die Prioritätsauswahllogik vorhanden. Zur
Bereinigung ist nur der erste Wert in der einer Handlungsmodalität entsprechenden
Permutationsfolge entscheidend. Somit ist in jedem Befehlsrechner für jede Handlungsmodalität
im Notfall" eine fünffache moduläre Redundanz gegeben, was zur Selbsterhaltung des
Gesamtsystemes von größter Wichtigkeit ist. Im Notfall wird dann dasjenigeSpeichermodul
angesteuert, das beim Durchlauf des jeweiligen Hamilton-Kreises als erstes angesteuert
wird. Diese Ansteuerung erfolgt automatisch durch den obigen Vergleich im Komparator
58. Sobald die Notsituation bereinigt ist, wird das bislang unterbrochene Programm
entsprechend der Vorgabe aus den Re]ations- und Handlungsintentionsrechnern
wieder aufgenommen. Der wesentliche Unterschied für die Datenübertragung zwischen
den sonstigen Eingaberechnern und den Perzeptionsrechnern besteht darin, daß erstereprinzipiell
eine gewichtete Information für alle, in diesem Falle vier Handlungsmodalitäten
einem entsprechenden Speichermodul formal ein-eindeutig liefern,
während
von den Perzeptionsrechnern alle sechs Speichermodule mit dem der Notfallinformation
entsprechenden Anfangswert informiert werden können. Ausgewählt wird dann das jeweils
beim Durchlauf des Hamilton-Kreises als nächstes angesteuerte Speichermodul.
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Ein Gesamtsystem mit einem Befehlsrechner gemäß der Erfindung verfügt
über folgende typische Redundanzen: 1. Moduläre Redundanz innerhalb eines als Permutographen
aufgebauten Befehlsrechners, 2. Moduläre Redundanz zwischen den einzelnen Befehlsrechnern
und 3. Moduläre Redundanz zur Handlungsentscheidung bei einer Direktinformation
entsprechend einer Notsituation durch den entsprechenden Perzeptionsrechner.
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Daher ist der Befehlsrechner weder bei modulären Funktionsausfällen
innerhalb des Permutographen noch bei Funtionsausfällen eines oder mehrerer Permutographensysteme
operationsunfähig.
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Statt nach dem Prinzip eines Permutographen kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung auch nach dem Prinzip enes Kenographen aufgebaut sein. Der Kenogrammatik
liegen dabei im wesentlichen die gleichen kombinatorischen Grundlagen wie einem
Permutographen zugrunde, wobei die Elemente(Knoten, Speichermodule) aus Kenogrammen
bestehen.
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Weitere Einzelheiten der Kenogrammatik sind beschrieben in G. Günther
"Cybernetic Ontology and transjunctional Systems, in: Self-orqanizing Systems, Jovits,
Jacobi und Coldstein, Spartan Books, Washington (1962), Seiten 313 - 392 G. Günther
"Time, timeless Logic and self-referential System Annals thc New York aca(lemy of
iicnces, Vol. 138 2, Seiten 396 bis 406 (1967)
Die mit einem Befehlsrechner
gemäß der Erfindung realisierte Redundanz potentieller Befehlsausführung soll noch
durch ein Zitat aus dem Aufsatz Assembly of Computers to Command and Controll a
Robot von L. Sutro und W. Killmer erläutert werden, das in Proc. 1969 Spring JointComputer
Conference, Boston, Massachusetts, auf Seite 172 abgedruckt ist: Die Informationsorganisation
der Formatio reticularis ist analog einem Stab von Arzten, die über die Behandlung
entscheiden müssen, die mehrere Patienten erhalten sollen.
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Es sei angenommen, daß 12 Ärzte in dem Stab vorhanden sind,die jeweils
Allgemeinpraktiker als auch Spezialisten in einem unterschiedlichen Medizingebiet
sind, und daß sie aus vier möglichen Behandlungen eine Auswahl treffen sollen. Ihre
Uberlegungen ähneln dem Verfahren, durch den die Formatio reticularis eine Handlungsmodalität
auswählt. Wie der Ärztestab muß der Befehlsrechner (formatio reticularis) seinen
Befehl auf eine Vcrhaltensmodalität einstellen, die in den meisten Fällen eine Funktion
derjenigen Information ist, die auf ihn innerhalb der letzten Sekunde eingewirkt
hat (Signale, die diese Mission anzeigen, sind Teile davon).... Der Teil des Befehlsrechners,
der zu jeder gegebenen Zeit die wichtigste Information enthält, hat die Priorität
über die Handlungsweise Die Erfindung kann demnach dem Prinzip für eine automatische
Diagnoseklinik zugrundegelegt werden.
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Jedes Speichermodul kanxu selbst als Permutograph mit interner Zeitsteuerung
aufgebaut sein, so daß die möglichen Hamiltonkreise durch den Bau des Permutographen
festgelegt sind. Derartige Module können als Schrittmachermodule bezeichnet werden.
Die Handlungsintentionen werden dann intramodulär programmiert, so daß Handlungsintentionen
von außen nicht vorgegeben werden müssen. Der Befehlsrechner wird auf diese Weise
autark.
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