Multiple chaotic central pattern generators with learning for legged locomotion and malfunction compensation

An originally chaotic system can be controlled into various periodic dynamics. When it is implemented into a legged robot's locomotion control as a central pattern generator (CPG), sophisticated gait patterns arise so that the robot can perform various walking behaviors. However, such a single chaotic CPG controller has difficulties dealing with leg malfunction. Specifically, in the scenarios presented here, its movement permanently deviates from the desired trajectory. To address this problem, we extend the single chaotic CPG to multiple CPGs with learning. The learning mechanism is based on a simulated annealing algorithm. In a normal situation, the CPGs synchronize and their dynamics are identical. With leg malfunction or disability, the CPGs lose synchronization leading to independent dynamics. In this case, the learning mechanism is applied to automatically adjust the remaining legs' oscillation frequencies so that the robot adapts its locomotion to deal with the malfunction. As a consequence, the trajectory produced by the multiple chaotic CPGs resembles the original trajectory far better than the one produced by only a single CPG. The performance of the system is evaluated first in a physical simulation of a quadruped as well as a hexapod robot and finally in a real six-legged walking machine called AMOSII. The experimental results presented here reveal that using multiple CPGs with learning is an effective approach for adaptive locomotion generation where, for instance, different body parts have to perform independent movements for malfunction compensation.Comment: 48 pages, 16 figures, Information Sciences 201

IMPLEMENTATION OF A LOCALIZATION-ORIENTED HRI FOR WALKING ROBOTS IN THE ROBOCUP ENVIRONMENT

This paper presents the design and implementation of a human–robot interface capable of evaluating robot localization performance and maintaining full control of robot behaviors in the RoboCup domain. The system consists of legged robots, behavior modules, an overhead visual tracking system, and a graphic user interface. A human–robot communication framework is designed for executing cooperative and competitive processing tasks between users and robots by using object oriented and modularized software architecture, operability, and functionality. Some experimental results are presented to show the performance of the proposed system based on simulated and real-time information. </jats:p

Genetically evolved dynamic control for quadruped walking

The aim of this dissertation is to show that dynamic control of quadruped locomotion is achievable through the use of genetically evolved central pattern generators. This strategy is tested both in simulation and on a walking robot. The design of the walker has been chosen to be statically unstable, so that during motion less than three supporting feet may be in contact with the ground. The control strategy adopted is capable of propelling the artificial walker at a forward locomotion speed of ~1.5 Km/h on rugged terrain and provides for stability of motion. The learning of walking, based on simulated genetic evolution, is carried out in simulation to speed up the process and reduce the amount of damage to the hardware of the walking robot. For this reason a general-purpose fast dynamic simulator has been developed, able to efficiently compute the forward dynamics of tree-like robotic mechanisms. An optimization process to select stable walking patterns is implemented through a purposely designed genetic algorithm, which implements stochastic mutation and cross-over operators. The algorithm has been tailored to address the high cost of evaluation of the optimization function, as well as the characteristics of the parameter space chosen to represent controllers. Experiments carried out on different conditions give clear indications on the potential of the approach adopted. A proof of concept is achieved, that stable dynamic walking can be obtained through a search process which identifies attractors in the dynamics of the motor-control system of an artificial walker

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen

Overcoming barriers and increasing independence: service robots for elderly and disabled people

This paper discusses the potential for service robots to overcome barriers and increase independence of elderly and disabled people. It includes a brief overview of the existing uses of service robots by disabled and elderly people and advances in technology which will make new uses possible and provides suggestions for some of these new applications. The paper also considers the design and other conditions to be met for user acceptance. It also discusses the complementarity of assistive service robots and personal assistance and considers the types of applications and users for which service robots are and are not suitable

Design and development of a hominid robot with local control in its adaptable feet to enhance locomotion capabilities

With increasing mechanization of our daily lives, the expectations and demands in robotic systems increase in the general public and in scientists alike. In recent events such as the Deepwater Horizon''-accident or the nuclear disaster at Fukushima, mobile robotic systems were used, e.g., to support local task forces by gaining visual material to allow an analysis of the situation. Especially the Fukushima example shows that the robotic systems not only have to face a variety of different tasks during operation but also have to deal with different demands regarding the robot's mobility characteristics. To be able to cope with future requirements, it seems necessary to develop kinematically complex systems that feature several different operating modes. That is where this thesis comes in: A robotic system is developed, whose morphology is oriented on chimpanzees and which has the possibility due to its electro-mechanical structure and the degrees of freedom in its arms and legs to walk with different gaits in different postures. For the proposed robot, the chimpanzee was chosen as a model, since these animals show a multitude of different gaits in nature. A quadrupedal gait like crawl allows the robot to traverse safely and stable over rough terrain. A change into the humanoid, bipedal posture enables the robot to move in man-made environments. The structures, which are necessary to ensure an effective and stable locomotion in these two poses, e.g., the feet, are presented in more detail within the thesis. This includes the biological model and an abstraction to allow a technical implementation. In addition, biological spines are analyzed and the development of an active, artificial spine for the robotic system is described. These additional degrees of freedom can increase the robot's locomotion and manipulation capabilities and even allow to show movements, which are not possible without a spine. Unfortunately, the benefits of using an artificial spine in robotic systems are nowadays still neglected, due to the increased complexity of system design and control. To be able to control such a kinematically complex system, a multitude of sensors is installed within the robot's structures. By placing evaluation electronics close by, a local and decentralized preprocessing is realized. Due to this preprocessing is it possible to realize behaviors on the lowest level of robot control: in this thesis it is exemplarily demonstrated by a local controller in the robot's lower leg. In addition to the development and evaluation of robot's structures, the functionality of the overall system is analyzed in different environments. This includes the presentation of detailed data to show the advantages and disadvantages of the local controller. The robot can change its posture independently from a quadrupedal into a bipedal stance and the other way around without external assistance. Once the robot stands upright, it is to investigate to what extent the quadrupedal walking pattern and control structures (like the local controller) have to be modified to contribute to the bipedal walking as well

Selected Papers from IEEE ICASI 2019

The 5th IEEE International Conference on Applied System Innovation 2019 (IEEE ICASI 2019, https://2019.icasi-conf.net/), which was held in Fukuoka, Japan, on 11–15 April, 2019, provided a unified communication platform for a wide range of topics. This Special Issue entitled “Selected Papers from IEEE ICASI 2019” collected nine excellent papers presented on the applied sciences topic during the conference. Mechanical engineering and design innovations are academic and practical engineering fields that involve systematic technological materialization through scientific principles and engineering designs. Technological innovation by mechanical engineering includes information technology (IT)-based intelligent mechanical systems, mechanics and design innovations, and applied materials in nanoscience and nanotechnology. These new technologies that implant intelligence in machine systems represent an interdisciplinary area that combines conventional mechanical technology and new IT. The main goal of this Special Issue is to provide new scientific knowledge relevant to IT-based intelligent mechanical systems, mechanics and design innovations, and applied materials in nanoscience and nanotechnology

A spiking network classifies human sEMG signals and triggers finger reflexes on a robotic hand

The interaction between robots and humans is of great relevance for the field of neurorobotics as it can provide insights on how humans perform motor control and sensor processing and on how it can be applied to robotics. We propose a spiking neural network (SNN) to trigger finger motion reflexes on a robotic hand based on human surface Electromyography (sEMG) data. The first part of the network takes sEMG signals to measure muscle activity, then classify the data to detect which finger is being flexed in the human hand. The second part triggers single finger reflexes on the robot using the classification output. The finger reflexes are modeled with motion primitives activated with an oscillator and mapped to the robot kinematic. We evaluated the SNN by having users wear a non-invasive sEMG sensor, record a training dataset, and then flex different fingers, one at a time. The muscle activity was recorded using a Myo sensor with eight different channels. The sEMG signals were successfully encoded into spikes as input for the SNN. The classification could detect the active finger and trigger the motion generation of finger reflexes. The SNN was able to control a real Schunk SVH 5-finger robotic hand online. Being able to map myo-electric activity to functions of motor control for a task, can provide an interesting interface for robotic applications, and a platform to study brain functioning. SNN provide a challenging but interesting framework to interact with human data. In future work the approach will be extended to control also a robot arm at the same time