Design Issues for Hexapod Walking Robots

Hexapod walking robots have attracted considerable attention for several decades. Many studies have been carried out in research centers, universities and industries. However, only in the recent past have efficient walking machines been conceived, designed and built with performances that can be suitable for practical applications. This paper gives an overview of the state of the art on hexapod walking robots by referring both to the early design solutions and the most recent achievements. Careful attention is given to the main design issues and constraints that influence the technical feasibility and operation performance. A design procedure is outlined in order to systematically design a hexapod walking robot. In particular, the proposed design procedure takes into account the main features, such as mechanical structure and leg configuration, actuating and driving systems, payload, motion conditions, and walking gait. A case study is described in order to show the effectiveness and feasibility of the proposed design procedure

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

MOTION CONTROL SIMULATION OF A HEXAPOD ROBOT

This thesis addresses hexapod robot motion control. Insect morphology and locomotion patterns inform the design of a robotic model, and motion control is achieved via trajectory planning and bio-inspired principles. Additionally, deep learning and multi-agent reinforcement learning are employed to train the robot motion control strategy with leg coordination achieves using a multi-agent deep reinforcement learning framework. The thesis makes the following contributions: First, research on legged robots is synthesized, with a focus on hexapod robot motion control. Insect anatomy analysis informs the hexagonal robot body and three-joint single robotic leg design, which is assembled using SolidWorks. Different gaits are studied and compared, and robot leg kinematics are derived and experimentally verified, culminating in a three-legged gait for motion control. Second, an animal-inspired approach employs a central pattern generator (CPG) control unit based on the Hopf oscillator, facilitating robot motion control in complex environments such as stable walking and climbing. The robot\u27s motion process is quantitatively evaluated in terms of displacement change and body pitch angle. Third, a value function decomposition algorithm, QPLEX, is applied to hexapod robot motion control. The QPLEX architecture treats each leg as a separate agent with local control modules, that are trained using reinforcement learning. QPLEX outperforms decentralized approaches, achieving coordinated rhythmic gaits and increased robustness on uneven terrain. The significant of terrain curriculum learning is assessed, with QPLEX demonstrating superior stability and faster consequence. The foot-end trajectory planning method enables robot motion control through inverse kinematic solutions but has limited generalization capabilities for diverse terrains. The animal-inspired CPG-based method offers a versatile control strategy but is constrained to core aspects. In contrast, the multi-agent deep reinforcement learning-based approach affords adaptable motion strategy adjustments, rendering it a superior control policy. These methods can be combined to develop a customized robot motion control policy for specific scenarios

A Framework for Coupled Simulations of Robots and Spiking Neuronal Networks

Bio-inspired robots still rely on classic robot control although advances in neurophysiology allow adaptation to control as well. However, the connection of a robot to spiking neuronal networks needs adjustments for each purpose and requires frequent adaptation during an iterative development. Existing approaches cannot bridge the gap between robotics and neuroscience or do not account for frequent adaptations. The contribution of this paper is an architecture and domain-specific language (DSL) for connecting robots to spiking neuronal networks for iterative testing in simulations, allowing neuroscientists to abstract from implementation details. The framework is implemented in a web-based platform. We validate the applicability of our approach with a case study based on image processing for controlling a four-wheeled robot in an experiment setting inspired by Braitenberg vehicles

Gait Coordination of Hexapod Walking Robots Using Mutual-Coupled Immune Networks

PROCEEDINGS OF THE IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON EVOLUTIONARY COMPUTATIO

Synaptic plasticity in a recurrent neural network for versatile and adaptive behaviors of a walking robot

Walking animals, like insects, with little neural computing can effectively perform complex behaviors. They can walk around their environment, escape from corners/deadlocks, and avoid or climb over obstacles. While performing all these behaviors, they can also adapt their movements to deal with an unknown situation. As a consequence, they successfully navigate through their complex environment. The versatile and adaptive abilities are the result of an integration of several ingredients embedded in their sensorimotor loop. Biological studies reveal that the ingredients include neural dynamics, plasticity, sensory feedback, and biomechanics. Generating such versatile and adaptive behaviors for a walking robot is a challenging task. In this study, we present a bio-inspired approach to solve this task. Specifically, the approach combines neural mechanisms with plasticity, sensory feedback, and biomechanics. The neural mechanisms consist of adaptive neural sensory processing and modular neural locomotion control. The sensory processing is based on a small recurrent network consisting of two fully connected neurons. Online correlation-based learning with synaptic scaling is applied to adequately change the connections of the network. By doing so, we can effectively exploit neural dynamics (i.e., hysteresis effects and single attractors) in the network to generate different turning angles with short-term memory for a biomechanical walking robot. The turning information is transmitted as descending steering signals to the locomotion control which translates the signals into motor actions. As a result, the robot can walk around and adapt its turning angle for avoiding obstacles in different situations as well as escaping from sharp corners or deadlocks. Using backbone joint control embedded in the locomotion control allows the robot to climb over small obstacles. Consequently, it can successfully explore and navigate in complex environments

Legged Robots for Object Manipulation: A Review

Legged robots can have a unique role in manipulating objects in dynamic, human-centric, or otherwise inaccessible environments. Although most legged robotics research to date typically focuses on traversing these challenging environments, many legged platform demonstrations have also included "moving an object" as a way of doing tangible work. Legged robots can be designed to manipulate a particular type of object (e.g., a cardboard box, a soccer ball, or a larger piece of furniture), by themselves or collaboratively. The objective of this review is to collect and learn from these examples, to both organize the work done so far in the community and highlight interesting open avenues for future work. This review categorizes existing works into four main manipulation methods: object interactions without grasping, manipulation with walking legs, dedicated non-locomotive arms, and legged teams. Each method has different design and autonomy features, which are illustrated by available examples in the literature. Based on a few simplifying assumptions, we further provide quantitative comparisons for the range of possible relative sizes of the manipulated object with respect to the robot. Taken together, these examples suggest new directions for research in legged robot manipulation, such as multifunctional limbs, terrain modeling, or learning-based control, to support a number of new deployments in challenging indoor/outdoor scenarios in warehouses/construction sites, preserved natural areas, and especially for home robotics.Comment: Preprint of the paper submitted to Frontiers in Mechanical Engineerin

Consider the robot - Abstraction of bioinspired leg coordination and its application to a hexapod robot under consideration of technical constraints

Paskarbeit J. Consider the robot - Abstraction of bioinspired leg coordination and its application to a hexapod robot under consideration of technical constraints. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017.To emulate the movement agility and adaptiveness of stick insects in technical systems such as piezo actuators (Szufnarowski et al. 2014) or hexapod robots (Schneider, Cruse et al. 2006), a direct adaptation of bioinspired walking controllers like WALKNET has often been suggested. However, stick insects have very specific features such as adhesive foot pads that allow them to cling to the ground. Typically, robots do not possess such features. Besides, robots tend to be bigger and heavier than their biological models, usually possessing a different mass distribution as well. This leads to different mechanical and functional properties that need to be addressed in control. Based on the model of the stick insect *Carausius morosus*, the six-legged robot HECTOR was developed in this work to test and evaluate bioinspired controllers. The robot's geometrical layout corresponds to that of the stick insect, scaled up by a factor of 20. Moreover, like the stick insect, the robot features an inherent compliance in its joints. This compliance facilitates walking in uneven terrain since small irregularities can be compensated passively without controller intervention. However, the robot differs from the biological model, e.g., in terms of its size, mass, and mass distribution. Also, it does not possess any means to cling to the ground and therefore must maintain static stability to avoid tilting. To evaluate the ability of stick insects to maintain static stability, experimental data (published by Theunissen et al. (2014)) was examined. It can be shown that stick insects do not maintain static stability at all times. Still, due to their adhesive foot pads, they do not tumble. Therefore, a direct replication of the biological walking controller would not be suitable for the control of HECTOR. In a next step, the bioinspired walking controller WALKNET (Cruse, Kindermann, et al. 1998) was evaluated regarding its applicability for the control of HECTOR. For this purpose, different parametrizations of WALKNET were tested in a simulation environment. For forward walking, parameter sets were found that achieve a high, although not permanent stability. Thus, for the control of HECTOR, which requires continuous stability, a more abstract adaption of the bioinspired coordination had to be found. Based on the original coordination concepts of WALKNET, new coordination mechanisms were developed that incorporate the technical requirements (static stability, angular joint limits, torque constraints, etc.). The ability of the resulting controller to generate insect-like gaits is demonstrated for different walking scenarios in simulation. Moreover, locomotion that is unlikely for insects such as backwards and sidewards walking is shown to be feasible using the novel control approach. At the end of this work the applicability of the approach for the control of the real robot is proved in experiments on visual collision avoidance and basic climbing ability