Locomotion training of legged robots using hybrid machine learning techniques

In this study artificial neural networks and fuzzy logic are used to control the jumping behavior of a three-link uniped robot. The biped locomotion control problem is an increment of the uniped locomotion control. Study of legged locomotion dynamics indicates that a hierarchical controller is required to control the behavior of a legged robot. A structured control strategy is suggested which includes navigator, motion planner, biped coordinator and uniped controllers. A three-link uniped robot simulation is developed to be used as the plant. Neurocontrollers were trained both online and offline. In the case of on-line training, a reinforcement learning technique was used to train the neurocontroller to make the robot jump to a specified height. After several hundred iterations of training, the plant output achieved an accuracy of 7.4%. However, when jump distance and body angular momentum were also included in the control objectives, training time became impractically long. In the case of off-line training, a three-layered backpropagation (BP) network was first used with three inputs, three outputs and 15 to 40 hidden nodes. Pre-generated data were presented to the network with a learning rate as low as 0.003 in order to reach convergence. The low learning rate required for convergence resulted in a very slow training process which took weeks to learn 460 examples. After training, performance of the neurocontroller was rather poor. Consequently, the BP network was replaced by a Cerebeller Model Articulation Controller (CMAC) network. Subsequent experiments described in this document show that the CMAC network is more suitable to the solution of uniped locomotion control problems in terms of both learning efficiency and performance. A new approach is introduced in this report, viz., a self-organizing multiagent cerebeller model for fuzzy-neural control of uniped locomotion is suggested to improve training efficiency. This is currently being evaluated for a possible patent by NASA, Johnson Space Center. An alternative modular approach is also developed which uses separate controllers for each stage of the running stride. A self-organizing fuzzy-neural controller controls the height, distance and angular momentum of the stride. A CMAC-based controller controls the movement of the leg from the time the foot leaves the ground to the time of landing. Because the leg joints are controlled at each time step during flight, movement is smooth and obstacles can be avoided. Initial results indicate that this approach can yield fast, accurate results

Adaptive, fast walking in a biped robot under neuronal control and learning

Human walking is a dynamic, partly self-stabilizing process relying on the interaction of the biomechanical design with its neuronal control. The coordination of this process is a very difficult problem, and it has been suggested that it involves a hierarchy of levels, where the lower ones, e.g., interactions between muscles and the spinal cord, are largely autonomous, and where higher level control (e.g., cortical) arises only pointwise, as needed. This requires an architecture of several nested, sensori–motor loops where the walking process provides feedback signals to the walker's sensory systems, which can be used to coordinate its movements. To complicate the situation, at a maximal walking speed of more than four leg-lengths per second, the cycle period available to coordinate all these loops is rather short. In this study we present a planar biped robot, which uses the design principle of nested loops to combine the self-stabilizing properties of its biomechanical design with several levels of neuronal control. Specifically, we show how to adapt control by including online learning mechanisms based on simulated synaptic plasticity. This robot can walk with a high speed (> 3.0 leg length/s), self-adapting to minor disturbances, and reacting in a robust way to abruptly induced gait changes. At the same time, it can learn walking on different terrains, requiring only few learning experiences. This study shows that the tight coupling of physical with neuronal control, guided by sensory feedback from the walking pattern itself, combined with synaptic learning may be a way forward to better understand and solve coordination problems in other complex motor tasks

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

Stance Control Inspired by Cerebellum Stabilizes Reflex-Based Locomotion on HyQ Robot

Advances in legged robotics are strongly rooted in animal observations. A clear illustration of this claim is the generalization of Central Pattern Generators (CPG), first identified in the cat spinal cord, to generate cyclic motion in robotic locomotion. Despite a global endorsement of this model, physiological and functional experiments in mammals have also indicated the presence of descending signals from the cerebellum, and reflex feedback from the lower limb sensory cells, that closely interact with CPGs. To this day, these interactions are not fully understood. In some studies, it was demonstrated that pure reflex-based locomotion in the absence of oscillatory signals could be achieved in realistic musculoskeletal simulation models or small compliant quadruped robots. At the same time, biological evidence has attested the functional role of the cerebellum for predictive control of balance and stance within mammals. In this paper, we promote both approaches and successfully apply reflex-based dynamic locomotion, coupled with a balance and gravity compensation mechanism, on the state-of-art HyQ robot. We discuss the importance of this stability module to ensure a correct foot lift-off and maintain a reliable gait. The robotic platform is further used to test two different architectural hypotheses inspired by the cerebellum. An analysis of experimental results demonstrates that the most biologically plausible alternative also leads to better results for robust locomotion

A future of living machines? International trends and prospects in biomimetic and biohybrid systems

Research in the fields of biomimetic and biohybrid systems is developing at an accelerating rate. Biomimetics can be understood as the development of new technologies using principles abstracted from the study of biological systems, however, biomimetics can also be viewed from an alternate perspective as an important methodology for improving our understanding of the world we live in and of ourselves as biological organisms. A biohybrid entity comprises at least one artificial (engineered) component combined with a biological one. With technologies such as microscale mobile computing, prosthetics and implants, humankind is moving towards a more biohybrid future in which biomimetics helps us to engineer biocompatible technologies. This paper reviews recent progress in the development of biomimetic and biohybrid systems focusing particularly on technologies that emulate living organisms—living machines. Based on our recent bibliographic analysis [1] we examine how biomimetics is already creating life-like robots and identify some key unresolved challenges that constitute bottlenecks for the field. Drawing on our recent research in biomimetic mammalian robots, including humanoids, we review the future prospects for such machines and consider some of their likely impacts on society, including the existential risk of creating artifacts with significant autonomy that could come to match or exceed humankind in intelligence. We conclude that living machines are more likely to be a benefit than a threat but that we should also ensure that progress in biomimetics and biohybrid systems is made with broad societal consent. © (2014) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only

Learning control of bipedal dynamic walking robots with neural networks

Thesis (Elec.E.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1998.Includes bibliographical references (p. 90-94).Stability and robustness are two important performance requirements for a dynamic walking robot. Learning and adaptation can improve stability and robustness. This thesis explores such an adaptation capability through the use of neural networks. Three neural network models (BP, CMAC and RBF networks) are studied. The RBF network is chosen as best, despite its weakness at covering high dimensional input spaces. To overcome this problem, a self-organizing scheme of data clustering is explored. This system is applied successfully in a biped walking robot system with a supervised learning mode. Generalized Virtual Model Control (GVMC) is also proposed in this thesis, which is inspired by a bio-mechanical model of locomotion, and is an extension of ordinary Virtual Model Control. Instead of adding virtual impedance components to the biped skeletal system in virtual Cartesian space, GVMC uses adaptation to approximately reconstruct the dynamics of the biped. The effectiveness of these approaches is proved both theoretically and experimentally (in simulation).by Jianjuen Hu.Elec.E

Fast Damage Recovery in Robotics with the T-Resilience Algorithm

Damage recovery is critical for autonomous robots that need to operate for a long time without assistance. Most current methods are complex and costly because they require anticipating each potential damage in order to have a contingency plan ready. As an alternative, we introduce the T-resilience algorithm, a new algorithm that allows robots to quickly and autonomously discover compensatory behaviors in unanticipated situations. This algorithm equips the robot with a self-model and discovers new behaviors by learning to avoid those that perform differently in the self-model and in reality. Our algorithm thus does not identify the damaged parts but it implicitly searches for efficient behaviors that do not use them. We evaluate the T-Resilience algorithm on a hexapod robot that needs to adapt to leg removal, broken legs and motor failures; we compare it to stochastic local search, policy gradient and the self-modeling algorithm proposed by Bongard et al. The behavior of the robot is assessed on-board thanks to a RGB-D sensor and a SLAM algorithm. Using only 25 tests on the robot and an overall running time of 20 minutes, T-Resilience consistently leads to substantially better results than the other approaches