Early Turn-taking Prediction with Spiking Neural Networks for Human Robot Collaboration

Turn-taking is essential to the structure of human teamwork. Humans are typically aware of team members' intention to keep or relinquish their turn before a turn switch, where the responsibility of working on a shared task is shifted. Future co-robots are also expected to provide such competence. To that end, this paper proposes the Cognitive Turn-taking Model (CTTM), which leverages cognitive models (i.e., Spiking Neural Network) to achieve early turn-taking prediction. The CTTM framework can process multimodal human communication cues (both implicit and explicit) and predict human turn-taking intentions in an early stage. The proposed framework is tested on a simulated surgical procedure, where a robotic scrub nurse predicts the surgeon's turn-taking intention. It was found that the proposed CTTM framework outperforms the state-of-the-art turn-taking prediction algorithms by a large margin. It also outperforms humans when presented with partial observations of communication cues (i.e., less than 40% of full actions). This early prediction capability enables robots to initiate turn-taking actions at an early stage, which facilitates collaboration and increases overall efficiency.Comment: Submitted to IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 201

Neuromorphic Computing for Interactive Robotics: A Systematic Review

Modelling functionalities of the brain in human-robot interaction contexts requires a real-time understanding of how each part of a robot (motors, sensors, emotions, etc.) works and how they interact all together to accomplish complex behavioural tasks while interacting with the environment. Human brains are very efficient as they process the information using event-based impulses also known as spikes, which make living creatures very efficient and able to outperform current mainstream robotic systems in almost every task that requires real-time interaction. In recent years, combined efforts by neuroscientists, biologists, computer scientists and engineers make it possible to design biologically realistic hardware and models that can endow the robots with the required human-like processing capability based on neuromorphic computing and Spiking Neural Network (SNN). However, while some attempts have been made, a comprehensive combination of neuromorphic computing and robotics is still missing. In this article, we present a systematic review of neuromorphic computing applications for socially interactive robotics.We first introduce the basic principles, models and architectures of neuromorphic computation. The remaining articles are classified according to the applications they focus on. Finally, we identify the potential research topics for fully integrated socially interactive neuromorphic robots

Brain-inspired self-organization with cellular neuromorphic computing for multimodal unsupervised learning

Cortical plasticity is one of the main features that enable our ability to learn and adapt in our environment. Indeed, the cerebral cortex self-organizes itself through structural and synaptic plasticity mechanisms that are very likely at the basis of an extremely interesting characteristic of the human brain development: the multimodal association. In spite of the diversity of the sensory modalities, like sight, sound and touch, the brain arrives at the same concepts (convergence). Moreover, biological observations show that one modality can activate the internal representation of another modality when both are correlated (divergence). In this work, we propose the Reentrant Self-Organizing Map (ReSOM), a brain-inspired neural system based on the reentry theory using Self-Organizing Maps and Hebbian-like learning. We propose and compare different computational methods for unsupervised learning and inference, then quantify the gain of the ReSOM in a multimodal classification task. The divergence mechanism is used to label one modality based on the other, while the convergence mechanism is used to improve the overall accuracy of the system. We perform our experiments on a constructed written/spoken digits database and a DVS/EMG hand gestures database. The proposed model is implemented on a cellular neuromorphic architecture that enables distributed computing with local connectivity. We show the gain of the so-called hardware plasticity induced by the ReSOM, where the system's topology is not fixed by the user but learned along the system's experience through self-organization.Comment: Preprin

A Posture Sequence Learning System for an Anthropomorphic Robotic Hand

The paper presents a cognitive architecture for posture learning of an anthropomorphic robotic hand. Our approach is aimed to allow the robotic system to perform complex perceptual operations, to interact with a human user and to integrate the perceptions by a cognitive representation of the scene and the observed actions. The anthropomorphic robotic hand imitates the gestures acquired by the vision system in order to learn meaningful movements, to build its knowledge by different conceptual spaces and to perform complex interaction with the human operator

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

Event-Driven Technologies for Reactive Motion Planning: Neuromorphic Stereo Vision and Robot Path Planning and Their Application on Parallel Hardware

Die Robotik wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor des technischen Aufschwungs. Trotz beeindruckender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, übertreffen Gehirne von Säugetieren in den Bereichen Sehen und Bewegungsplanung noch immer selbst die leistungsfähigsten Maschinen. Industrieroboter sind sehr schnell und präzise, aber ihre Planungsalgorithmen sind in hochdynamischen Umgebungen, wie sie für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erforderlich sind, nicht leistungsfähig genug. Ohne schnelle und adaptive Bewegungsplanung kann sichere MRK nicht garantiert werden. Neuromorphe Technologien, einschließlich visueller Sensoren und Hardware-Chips, arbeiten asynchron und verarbeiten so raum-zeitliche Informationen sehr effizient. Insbesondere ereignisbasierte visuelle Sensoren sind konventionellen, synchronen Kameras bei vielen Anwendungen bereits überlegen. Daher haben ereignisbasierte Methoden ein großes Potenzial, schnellere und energieeffizientere Algorithmen zur Bewegungssteuerung in der MRK zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur flexiblen reaktiven Bewegungssteuerung eines Roboterarms vorgestellt. Dabei wird die Exterozeption durch ereignisbasiertes Stereosehen erreicht und die Pfadplanung ist in einer neuronalen Repräsentation des Konfigurationsraums implementiert. Die Multiview-3D-Rekonstruktion wird durch eine qualitative Analyse in Simulation evaluiert und auf ein Stereo-System ereignisbasierter Kameras übertragen. Zur Evaluierung der reaktiven kollisionsfreien Online-Planung wird ein Demonstrator mit einem industriellen Roboter genutzt. Dieser wird auch für eine vergleichende Studie zu sample-basierten Planern verwendet. Ergänzt wird dies durch einen Benchmark von parallelen Hardwarelösungen wozu als Testszenario Bahnplanung in der Robotik gewählt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen neuronalen Lösungen einen effektiven Weg zur Realisierung einer Robotersteuerung für dynamische Szenarien darstellen. Diese Arbeit schafft eine Grundlage für neuronale Lösungen bei adaptiven Fertigungsprozesse, auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen, ohne Einbußen bei Geschwindigkeit und Sicherheit. Damit ebnet sie den Weg für die Integration von dem Gehirn nachempfundener Hardware und Algorithmen in die Industrierobotik und MRK

Exploiting semantic information in a spiking neural SLAM system

To navigate in new environments, an animal must be able to keep track of its position while simultaneously creating and updating an internal map of features in the environment, a problem formulated as simultaneous localization and mapping (SLAM) in the field of robotics. This requires integrating information from different domains, including self-motion cues, sensory, and semantic information. Several specialized neuron classes have been identified in the mammalian brain as being involved in solving SLAM. While biology has inspired a whole class of SLAM algorithms, the use of semantic information has not been explored in such work. We present a novel, biologically plausible SLAM model called SSP-SLAM—a spiking neural network designed using tools for large scale cognitive modeling. Our model uses a vector representation of continuous spatial maps, which can be encoded via spiking neural activity and bound with other features (continuous and discrete) to create compressed structures containing semantic information from multiple domains (e.g., spatial, temporal, visual, conceptual). We demonstrate that the dynamics of these representations can be implemented with a hybrid oscillatory-interference and continuous attractor network of head direction cells. The estimated self-position from this network is used to learn an associative memory between semantically encoded landmarks and their positions, i.e., an environment map, which is used for loop closure. Our experiments demonstrate that environment maps can be learned accurately and their use greatly improves self-position estimation. Furthermore, grid cells, place cells, and object vector cells are observed by this model. We also run our path integrator network on the NengoLoihi neuromorphic emulator to demonstrate feasibility for a full neuromorphic implementation for energy efficient SLAM

Neuromorphic audio processing through real-time embedded spiking neural networks.

In this work novel speech recognition and audio processing systems based on a spiking artificial cochlea and neural networks are proposed and implemented. First, the biological behavior of the animal’s auditory system is analyzed and studied, along with the classical mechanisms of audio signal processing for sound classification, including Deep Learning techniques. Based on these studies, novel audio processing and automatic audio signal recognition systems are proposed, using a bio-inspired auditory sensor as input. A desktop software tool called NAVIS (Neuromorphic Auditory VIsualizer) for post-processing the information obtained from spiking cochleae was implemented, allowing to analyze these data for further research. Next, using a 4-chip SpiNNaker hardware platform and Spiking Neural Networks, a system is proposed for classifying different time-independent audio signals, making use of a Neuromorphic Auditory Sensor and frequency studies obtained with NAVIS. To prove the robustness and analyze the limitations of the system, the input audios were disturbed, simulating extreme noisy environments. Deep Learning mechanisms, particularly Convolutional Neural Networks, are trained and used to differentiate between healthy persons and pathological patients by detecting murmurs from heart recordings after integrating the spike information from the signals using a neuromorphic auditory sensor. Finally, a similar approach is used to train Spiking Convolutional Neural Networks for speech recognition tasks. A novel SCNN architecture for timedependent signals classification is proposed, using a buffered layer that adapts the information from a real-time input domain to a static domain. The system was deployed on a 48-chip SpiNNaker platform. Finally, the performance and efficiency of these systems were evaluated, obtaining conclusions and proposing improvements for future works.Premio Extraordinario de Doctorado U