153 research outputs found

    Prescription of rhythmic patterns for legged locomotion

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    As the engine behind many life phenomena, motor information generated by the central nervous system (CNS) plays a critical role in the activities of all animals. In this work, a novel, macroscopic and model-independent approach is presented for creating different patterns of coupled neural oscillations observed in biological central pattern generators (CPG) during the control of legged locomotion. Based on a simple distributed state machine, which consists of two nodes sharing pre-defined number of resources, the concept of oscillatory building blocks (OBBs) is summarised for the production of elaborated rhythmic patterns. Various types of OBBs can be designed to construct a motion joint of one degree-of-freedom (DOF) with adjustable oscillatory frequencies and duty cycles. An OBBs network can thus be potentially built to generate a full range of locomotion patterns of a legged animal with controlled transitions between different rhythmic patterns. It is shown that gait pattern transition can be achieved by simply changing a single parameter of an OBB module. Essentially this simple mechanism allows for the consolidation of a methodology for the construction of artificial CPG architectures behaving as an asymmetric Hopfield neural network. Moreover, the proposed CPG model introduced here is amenable to analogue and/or digital circuit integration

    In silico case studies of compliant robots: AMARSI deliverable 3.3

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    In the deliverable 3.2 we presented how the morphological computing ap- proach can significantly facilitate the control strategy in several scenarios, e.g. quadruped locomotion, bipedal locomotion and reaching. In particular, the Kitty experimental platform is an example of the use of morphological computation to allow quadruped locomotion. In this deliverable we continue with the simulation studies on the application of the different morphological computation strategies to control a robotic system

    Neuromorphic building blocks for locomotion pattern generation

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    The central pattern generators network (CPGs) plays an important role in motion control which enables creatures to interact with the world. A novel neuromorphic circuit model presented in this work can be used as the simple building blocks for prescribing more complex, coordinated motor patterns. The circuit demonstrates its capability in generating the activity frequency and duty cycle, independently adjustable by a small set of model parameters. The simulation outcomes also show that the circuit can implement the parallel and distributed algorithms for building the artificial CPGs to drive motors

    Parameter identification in networks of dynamical systems

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    Mathematical models of real systems allow to simulate their behavior in conditions that are not easily or affordably reproducible in real life. Defining accurate models, however, is far from trivial and there is no one-size-fits-all solution. This thesis focuses on parameter identification in models of networks of dynamical systems, considering three case studies that fall under this umbrella: two of them are related to neural networks and one to power grids. The first case study is concerned with central pattern generators, i.e. small neural networks involved in animal locomotion. In this case, a design strategy for optimal tuning of biologically-plausible model parameters is developed, resulting in network models able to reproduce key characteristics of animal locomotion. The second case study is in the context of brain networks. In this case, a method to derive the weights of the connections between brain areas is proposed, utilizing both imaging data and nonlinear dynamics principles. The third and last case study deals with a method for the estimation of the inertia constant, a key parameter in determining the frequency stability in power grids. In this case, the method is customized to different challenging scenarios involving renewable energy sources, resulting in accurate estimations of this parameter

    Genetically evolved dynamic control for quadruped walking

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    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

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    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

    A modular architecture for transparent computation in recurrent neural networks

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    publisher: Elsevier articletitle: A modular architecture for transparent computation in recurrent neural networks journaltitle: Neural Networks articlelink: http://dx.doi.org/10.1016/j.neunet.2016.09.001 content_type: article copyright: © 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved
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