Synergy-based policy improvement with path integrals for anthropomorphic hands

In this work, a synergy-based reinforcement learning algorithm has been developed to confer autonomous grasping capabilities to anthropomorphic hands. In the presence of high degrees of freedom, classical machine learning techniques require a number of iterations that increases with the size of the problem, thus convergence of the solution is not ensured. The use of postural synergies determines dimensionality reduction of the search space and allows recent learning techniques, such as Policy Improvement with Path Integrals, to become easily applicable. A key point is the adoption of a suitable reward function representing the goal of the task and ensuring onestep performance evaluation. Force-closure quality of the grasp in the synergies subspace has been chosen as a cost function for performance evaluation. The experiments conducted on the SCHUNK 5-Finger Hand demonstrate the effectiveness of the algorithm showing skills comparable to human capabilities in learning new grasps and in performing a wide variety from power to high precision grasps of very small objects

Generalized Anthropomorphic Functional Grasping with Minimal Demonstrations

This article investigates the challenge of achieving functional tool-use grasping with high-DoF anthropomorphic hands, with the aim of enabling anthropomorphic hands to perform tasks that require human-like manipulation and tool-use. However, accomplishing human-like grasping in real robots present many challenges, including obtaining diverse functional grasps for a wide variety of objects, handling generalization ability for kinematically diverse robot hands and precisely completing object shapes from a single-view perception. To tackle these challenges, we propose a six-step grasp synthesis algorithm based on fine-grained contact modeling that generates physically plausible and human-like functional grasps for category-level objects with minimal human demonstrations. With the contact-based optimization and learned dense shape correspondence, the proposed algorithm is adaptable to various objects in same category and a board range of robot hand models. To further demonstrate the robustness of the framework, over 10K functional grasps are synthesized to train our neural network, named DexFG-Net, which generates diverse sets of human-like functional grasps based on the reconstructed object model produced by a shape completion module. The proposed framework is extensively validated in simulation and on a real robot platform. Simulation experiments demonstrate that our method outperforms baseline methods by a large margin in terms of grasp functionality and success rate. Real robot experiments show that our method achieved an overall success rate of 79\% and 68\% for tool-use grasp on 3-D printed and real test objects, respectively, using a 5-Finger Schunk Hand. The experimental results indicate a step towards human-like grasping with anthropomorphic hands.Comment: 20 pages, 23 figures and 7 table

Robonaut 2 and Watson: Cognitive Dexterity for Future Exploration

Future exploration missions will dictate a level of autonomy never before experienced in human spaceflight. Mission plans involving the uncrewed phases of complex human spacecraft in deep space will require a coordinated autonomous capability to be able to maintain the spacecraft when ground control is not available. One promising direction involves embedding intelligence into the system design both through the employment of state-of-the-art system engineering principles as well as through the creation of a cognitive network between a smart spacecraft or habitat and embodiments of cognitive agents. The work described here details efforts to integrate IBM's Watson and other cognitive computing services into NASA Johnson Space Center (JSC)'s Robonaut 2 (R2) anthropomorphic robot. This paper also discusses future directions this work will take. A cognitive spacecraft management system that is able to seamlessly collect data from subsystems, determine corrective actions, and provide commands to enable those actions is the end goal. These commands could be to embedded spacecraft systems or to a set of robotic assets that are tied into the cognitive system. An exciting collaboration with Woodside provides a promising Earth-bound testing analog, as controlling and maintaining not normally manned off-shore platforms have similar constraints to the space missions described

Data-Driven Grasp Synthesis - A Survey

We review the work on data-driven grasp synthesis and the methodologies for sampling and ranking candidate grasps. We divide the approaches into three groups based on whether they synthesize grasps for known, familiar or unknown objects. This structure allows us to identify common object representations and perceptual processes that facilitate the employed data-driven grasp synthesis technique. In the case of known objects, we concentrate on the approaches that are based on object recognition and pose estimation. In the case of familiar objects, the techniques use some form of a similarity matching to a set of previously encountered objects. Finally for the approaches dealing with unknown objects, the core part is the extraction of specific features that are indicative of good grasps. Our survey provides an overview of the different methodologies and discusses open problems in the area of robot grasping. We also draw a parallel to the classical approaches that rely on analytic formulations.Comment: 20 pages, 30 Figures, submitted to IEEE Transactions on Robotic

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

Learning and Composing Primitive Skills for Dual-Arm Manipulation

In an attempt to confer robots with complex manipulation capabilities, dual-arm anthropomorphic systems have become an important research topic in the robotics community. Most approaches in the literature rely upon a great understanding of the dynamics underlying the system's behaviour and yet offer limited autonomous generalisation capabilities. To address these limitations, this work proposes a modelisation for dual-arm manipulators based on dynamic movement primitives laying in two orthogonal spaces. The modularity and learning capabilities of this model are leveraged to formulate a novel end-to-end learning-based framework which (i) learns a library of primitive skills from human demonstrations, and (ii) composes such knowledge simultaneously and sequentially to confront novel scenarios. The feasibility of the proposal is evaluated by teaching the iCub humanoid the basic skills to succeed on simulated dual-arm pick-and-place tasks. The results suggest the learning and generalisation capabilities of the proposed framework extend to autonomously conduct undemonstrated dual-arm manipulation tasks.Comment: Annual Conference Towards Autonomous Robotic Systems (TAROS19

GraspGF: Learning Score-based Grasping Primitive for Human-assisting Dexterous Grasping

The use of anthropomorphic robotic hands for assisting individuals in situations where human hands may be unavailable or unsuitable has gained significant importance. In this paper, we propose a novel task called human-assisting dexterous grasping that aims to train a policy for controlling a robotic hand's fingers to assist users in grasping objects. Unlike conventional dexterous grasping, this task presents a more complex challenge as the policy needs to adapt to diverse user intentions, in addition to the object's geometry. We address this challenge by proposing an approach consisting of two sub-modules: a hand-object-conditional grasping primitive called Grasping Gradient Field~(GraspGF), and a history-conditional residual policy. GraspGF learns `how' to grasp by estimating the gradient from a success grasping example set, while the residual policy determines `when' and at what speed the grasping action should be executed based on the trajectory history. Experimental results demonstrate the superiority of our proposed method compared to baselines, highlighting the user-awareness and practicality in real-world applications. The codes and demonstrations can be viewed at "https://sites.google.com/view/graspgf"

A Continuous Grasp Representation for the Imitation Learning of Grasps on Humanoid Robots

Models and methods are presented which enable a humanoid robot to learn reusable, adaptive grasping skills. Mechanisms and principles in human grasp behavior are studied. The findings are used to develop a grasp representation capable of retaining specific motion characteristics and of adapting to different objects and tasks. Based on the representation a framework is proposed which enables the robot to observe human grasping, learn grasp representations, and infer executable grasping actions