Intrinsic Motivation and Mental Replay enable Efficient Online Adaptation in Stochastic Recurrent Networks

Autonomous robots need to interact with unknown, unstructured and changing environments, constantly facing novel challenges. Therefore, continuous online adaptation for lifelong-learning and the need of sample-efficient mechanisms to adapt to changes in the environment, the constraints, the tasks, or the robot itself are crucial. In this work, we propose a novel framework for probabilistic online motion planning with online adaptation based on a bio-inspired stochastic recurrent neural network. By using learning signals which mimic the intrinsic motivation signalcognitive dissonance in addition with a mental replay strategy to intensify experiences, the stochastic recurrent network can learn from few physical interactions and adapts to novel environments in seconds. We evaluate our online planning and adaptation framework on an anthropomorphic KUKA LWR arm. The rapid online adaptation is shown by learning unknown workspace constraints sample-efficiently from few physical interactions while following given way points.Comment: accepted in Neural Network

SVITE: A Spike-Based VITE Neuro-Inspired Robot Controller

This paper presents an implementation of a neuro-inspired algorithm called VITE (Vector Integration To End Point) in FPGA in the spikes domain. VITE aims to generate a non-planned trajectory for reaching tasks in robots. The algorithm has been adapted to work completely in the spike domain under Simulink simulations. The FPGA implementation consists in 4 VITE in parallel for controlling a 4-degree-of-freedom stereo-vision robot. This work represents the main layer of a complex spike-based architecture for robot neuro-inspired reaching tasks in FPGAs. It has been implemented in two Xilinx FPGA families: Virtex-5 and Spartan-6. Resources consumption comparative between both devices is presented. Results obtained for Spartan device could allow controlling complex robotic structures with up to 96 degrees of freedom per FPGA, providing, in parallel, high speed connectivity with other neuromorphic systems sending movement references. An exponential and gamma distribution test over the inter spike interval has been performed to proof the approach to the neural code proposed.Ministerio de Economía y Competitividad TEC2012-37868-C04-0

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

Adaptive Robotic Control Driven by a Versatile Spiking Cerebellar Network

The cerebellum is involved in a large number of different neural processes, especially in associative learning and in fine motor control. To develop a comprehensive theory of sensorimotor learning and control, it is crucial to determine the neural basis of coding and plasticity embedded into the cerebellar neural circuit and how they are translated into behavioral outcomes in learning paradigms. Learning has to be inferred from the interaction of an embodied system with its real environment, and the same cerebellar principles derived from cell physiology have to be able to drive a variety of tasks of different nature, calling for complex timing and movement patterns. We have coupled a realistic cerebellar spiking neural network (SNN) with a real robot and challenged it in multiple diverse sensorimotor tasks. Encoding and decoding strategies based on neuronal firing rates were applied. Adaptive motor control protocols with acquisition and extinction phases have been designed and tested, including an associative Pavlovian task (Eye blinking classical conditioning), a vestibulo-ocular task and a perturbed arm reaching task operating in closed-loop. The SNN processed in real-time mossy fiber inputs as arbitrary contextual signals, irrespective of whether they conveyed a tone, a vestibular stimulus or the position of a limb. A bidirectional long-term plasticity rule implemented at parallel fibers-Purkinje cell synapses modulated the output activity in the deep cerebellar nuclei. In all tasks, the neurorobot learned to adjust timing and gain of the motor responses by tuning its output discharge. It succeeded in reproducing how human biological systems acquire, extinguish and express knowledge of a noisy and changing world. By varying stimuli and perturbations patterns, real-time control robustness and generalizability were validated. The implicit spiking dynamics of the cerebellar model fulfill timing, prediction and learning functions.European Union (Human Brain Project) REALNET FP7-ICT270434 CEREBNET FP7-ITN238686 HBP-60410

Multi-behaviors coordination controller design with enzymatic numerical P systems for robots

Membrane computing models are parallel and distributed natural computing models. These models are often referred to as P systems. This paper proposes a novel multi-behaviors coordination controller model using enzymatic numerical P systems for autonomous mobile robots navigation in unknown environments. An environment classifier is constructed to identify different environment patterns in the maze-like environment and the multi-behavior coordination controller is constructed to coordinate the behaviors of the robots in different environments. Eleven sensory prototypes of local environments are presented to design the environment classifier, which needs to memorize only rough information , for solving the problems of poor obstacle clearance and sensor noise. A switching control strategy and multi-behaviors coordinator are developed without detailed environmental knowledge and heavy computation burden, for avoiding the local minimum traps or oscillation problems and adapt to the unknown environments. Also, a serial behaviors control law is constructed on the basis of Lyapunov stability theory aiming at the specialized environment, for realizing stable navigation and avoiding actuator saturation. Moreover, both environment classifier and multi-behavior coordination controller are amenable to the addition of new environment models or new behaviors due to the modularity of the hierarchical architecture of P systems. The simulation of wheeled mobile robots shows the effectiveness of this approach

Connecting Artificial Brains to Robots in a Comprehensive Simulation Framework: The Neurorobotics Platform

Combined efforts in the fields of neuroscience, computer science, and biology allowed to design biologically realistic models of the brain based on spiking neural networks. For a proper validation of these models, an embodiment in a dynamic and rich sensory environment, where the model is exposed to a realistic sensory-motor task, is needed. Due to the complexity of these brain models that, at the current stage, cannot deal with real-time constraints, it is not possible to embed them into a real-world task. Rather, the embodiment has to be simulated as well. While adequate tools exist to simulate either complex neural networks or robots and their environments, there is so far no tool that allows to easily establish a communication between brain and body models. The Neurorobotics Platform is a new web-based environment that aims to fill this gap by offering scientists and technology developers a software infrastructure allowing them to connect brain models to detailed simulations of robot bodies and environments and to use the resulting neurorobotic systems for in silico experimentation. In order to simplify the workflow and reduce the level of the required programming skills, the platform provides editors for the specification of experimental sequences and conditions, environments, robots, and brain–body connectors. In addition to that, a variety of existing robots and environments are provided. This work presents the architecture of the first release of the Neurorobotics Platform developed in subproject 10 “Neurorobotics” of the Human Brain Project (HBP).1 At the current state, the Neurorobotics Platform allows researchers to design and run basic experiments in neurorobotics using simulated robots and simulated environments linked to simplified versions of brain models. We illustrate the capabilities of the platform with three example experiments: a Braitenberg task implemented on a mobile robot, a sensory-motor learning task based on a robotic controller, and a visual tracking embedding a retina model on the iCub humanoid robot. These use-cases allow to assess the applicability of the Neurorobotics Platform for robotic tasks as well as in neuroscientific experiments.The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement no. 604102 (Human Brain Project) and from the European Unions Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement No. 720270 (HBP SGA1)

Control structure for a car-like robot using artificial neural networks and genetic algorithms

The idea of improving human’s life quality by making life more comfortable and easy is nowadays possible using current technologies and techniques to solve complex daily problems. The presented idea in this work proposes a control strategy for autonomous robotic systems, specifically car-like robots. The main objective of this work is the development of a reactive navigation controller by means of obstacles avoidance and position control to reach a desired position in an unknown environment. This research goal was achieved by the integration of potential fields and neuroevolution controllers. The neuro-evolutionary controller was designed using the (NEAT) algorithm “Neuroevolution of Augmented Topologies” and trained using a designed training environment. The methodology used allowed the vehicle to reach a certain level of autonomy, obtaining a stable controller that includes kinematic and dynamic considerations. The obtained results showed significant improvements compared to the comparison workCONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQNão te

Generating pointing motions for a humanoid robot by combining motor primitives

The human motor system is robust, adaptive and very flexible. The underlying principles of human motion provide inspiration for robotics. Pointing at different targets is a common robotics task, where insights about human motion can be applied. Traditionally in robotics, when a motion is generated it has to be validated so that the robot configurations involved are appropriate. The human brain, in contrast, uses the motor cortex to generate new motions reusing and combining existing knowledge before executing the motion. We propose a method to generate and control pointing motions for a robot using a biological inspired architecture implemented with spiking neural networks. We outline a simplified model of the human motor cortex that generates motions using motor primitives. The network learns a base motor primitive for pointing at a target in the center, and four correction primitives to point at targets up, down, left and right from the base primitive, respectively. The primitives are combined to reach different targets. We evaluate the performance of the network with a humanoid robot pointing at different targets marked on a plane. The network was able to combine one, two or three motor primitives at the same time to control the robot in real-time to reach a specific target. We work on extending this work from pointing to a given target to performing a grasping or tool manipulation task. This has many applications for engineering and industry involving real robots

Supervised Learning in SNN via Reward-Modulated Spike-Timing-Dependent Plasticity for a Target Reaching Vehicle

Spiking neural networks (SNNs) offer many advantages over traditional artificial neural networks (ANNs) such as biological plausibility, fast information processing, and energy efficiency. Although SNNs have been used to solve a variety of control tasks using the Spike-Timing-Dependent Plasticity (STDP) learning rule, existing solutions usually involve hard-coded network architectures solving specific tasks rather than solving different kinds of tasks generally. This results in neglecting one of the biggest advantages of ANNs, i.e., being general-purpose and easy-to-use due to their simple network architecture, which usually consists of an input layer, one or multiple hidden layers and an output layer. This paper addresses the problem by introducing an end-to-end learning approach of spiking neural networks constructed with one hidden layer and reward-modulated Spike-Timing-Dependent Plasticity (R-STDP) synapses in an all-to-all fashion. We use the supervised reward-modulated Spike-Timing-Dependent-Plasticity learning rule to train two different SNN-based sub-controllers to replicate a desired obstacle avoiding and goal approaching behavior, provided by pre-generated datasets. Together they make up a target-reaching controller, which is used to control a simulated mobile robot to reach a target area while avoiding obstacles in its path. We demonstrate the performance and effectiveness of our trained SNNs to achieve target reaching tasks in different unknown scenarios