342 research outputs found

    The cerebellum could solve the motor error problem through error increase prediction

    Get PDF
    We present a cerebellar architecture with two main characteristics. The first one is that complex spikes respond to increases in sensory errors. The second one is that cerebellar modules associate particular contexts where errors have increased in the past with corrective commands that stop the increase in error. We analyze our architecture formally and computationally for the case of reaching in a 3D environment. In the case of motor control, we show that there are synergies of this architecture with the Equilibrium-Point hypothesis, leading to novel ways to solve the motor error problem. In particular, the presence of desired equilibrium lengths for muscles provides a way to know when the error is increasing, and which corrections to apply. In the context of Threshold Control Theory and Perceptual Control Theory we show how to extend our model so it implements anticipative corrections in cascade control systems that span from muscle contractions to cognitive operations.Comment: 34 pages (without bibliography), 13 figure

    A Combination of Machine Learning and Cerebellar-like Neural Networks for the Motor Control and Motor Learning of the Fable Modular Robot

    Get PDF
    We scaled up a bio-inspired control architecture for the motor control and motor learning of a real modular robot. In our approach, the Locally Weighted Projection Regression algorithm (LWPR) and a cerebellar microcircuit coexist, in the form of a Unit Learning Machine. The LWPR algorithm optimizes the input space and learns the internal model of a single robot module to command the robot to follow a desired trajectory with its end-effector. The cerebellar-like microcircuit refines the LWPR output delivering corrective commands. We contrasted distinct cerebellar-like circuits including analytical models and spiking models implemented on the SpiNNaker platform, showing promising performance and robustness results

    Adaptive Control of Arm Movement based on Cerebellar Model

    Get PDF
    This study is an attempt to take advantage of a cerebellar model to control a biomimetic arm. Aware that a variety of cerebellar models with different levels of details has been developed, we focused on a high-level model called MOSAIC. This model is thought to be able to describe the cerebellar functionality without getting into the details of the neural circuitry. To understand where this model exactly fits, we glanced over the biology of the cerebellum and a few alternative models. Certainly, the arm control loop is composed of other components. We reviewed those elements with emphasis on modeling for our simulation. Among these models, the arm and the muscle system received the most attention. The musculoskeletal model tested independently and by means of optimization techniques, a human-like control of arm through muscle activations achieved. We have discussed how MOSAIC can solve a control problem and what drawbacks it has. Consequently, toward making a practical use of MOSAIC model, several ideas developed and tested. In this process, we borrowed concepts and methods from the control theory. Specifically, known schemes of adaptive control of a manipulator, linearization and approximation were utilized. Our final experiment dealt with a modified/adjusted MOSAIC model to adaptively control the arm. We call this model ORF-MOSAIC (Organized by Receptive Fields MOdular Selection And Identification for Control). With as few as 16 modules, we were able to control the arm in a workspace of 30 x 30 cm. The system was able to adapt to an external field as well as handling new objects despite delays. The discussion section suggests that there are similarities between microzones in the cerebellum and the modules of this new model

    Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

    Get PDF
    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

    Get PDF
    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

    MODEM: a multi-agent hierarchical structure to model the human motor control system

    Get PDF
    In this study, based on behavioral and neurophysiological facts, a new hierarchical multi-agent architecture is proposed to model the human motor control system. Performance of the proposed structure is investigated by simulating the control of sit to stand movement. To develop the model, concepts of mixture of experts, modular structure, and some aspects of equilibrium point hypothesis were brought together. We have called this architecture MODularized Experts Model (MODEM). Human motor system is modeled at the joint torque level and the role of the muscles has been embedded in the function of the joint compliance characteristics. The input to the motor system, i.e., the central command, is the reciprocal command. At the lower level, there are several experts to generate the central command to control the task according to the details of the movement. The number of experts depends on the task to be performed. At the higher level, a "gate selector” block selects the suitable subordinate expert considering the context of the task. Each expert consists of a main controller and a predictor as well as several auxiliary modules. The main controller of an expert learns to control the performance of a given task by generating appropriate central commands under given conditions and/or constraints. The auxiliary modules of this expert learn to scrutinize the generated central command by the main controller. Auxiliary modules increase their intervention to correct the central command if the movement error is increased due to an external disturbance. Each auxiliary module acts autonomously and can be interpreted as an agent. Each agent is responsible for one joint and, therefore, the number of the agents of each expert is equal to the number of joints. Our results indicate that this architecture is robust against external disturbances, signal-dependent noise in sensory information, and changes in the environment. We also discuss the neurophysiological and behavioral basis of the proposed model (MODEM
    corecore