234 research outputs found

    Active haptic perception in robots: a review

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    In the past few years a new scenario for robot-based applications has emerged. Service and mobile robots have opened new market niches. Also, new frameworks for shop-floor robot applications have been developed. In all these contexts, robots are requested to perform tasks within open-ended conditions, possibly dynamically varying. These new requirements ask also for a change of paradigm in the design of robots: on-line and safe feedback motion control becomes the core of modern robot systems. Future robots will learn autonomously, interact safely and possess qualities like self-maintenance. Attaining these features would have been relatively easy if a complete model of the environment was available, and if the robot actuators could execute motion commands perfectly relative to this model. Unfortunately, a complete world model is not available and robots have to plan and execute the tasks in the presence of environmental uncertainties which makes sensing an important component of new generation robots. For this reason, today\u2019s new generation robots are equipped with more and more sensing components, and consequently they are ready to actively deal with the high complexity of the real world. Complex sensorimotor tasks such as exploration require coordination between the motor system and the sensory feedback. For robot control purposes, sensory feedback should be adequately organized in terms of relevant features and the associated data representation. In this paper, we propose an overall functional picture linking sensing to action in closed-loop sensorimotor control of robots for touch (hands, fingers). Basic qualities of haptic perception in humans inspire the models and categories comprising the proposed classification. The objective is to provide a reasoned, principled perspective on the connections between different taxonomies used in the Robotics and human haptic literature. The specific case of active exploration is chosen to ground interesting use cases. Two reasons motivate this choice. First, in the literature on haptics, exploration has been treated only to a limited extent compared to grasping and manipulation. Second, exploration involves specific robot behaviors that exploit distributed and heterogeneous sensory data

    An Approach to Integrated Tactile Perception

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    Abstrac

    Evolution of Grasping Behaviour in Anthropomorphic Robotic Arms with Embodied Neural Controllers

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    The works reported in this thesis focus upon synthesising neural controllers for anthropomorphic robots that are able to manipulate objects through an automatic design process based on artificial evolution. The use of Evolutionary Robotics makes it possible to reduce the characteristics and parameters specified by the designer to a minimum, and the robot’s skills evolve as it interacts with the environment. The primary objective of these experiments is to investigate whether neural controllers that are regulating the state of the motors on the basis of the current and previously experienced sensors (i.e. without relying on an inverse model) can enable the robots to solve such complex tasks. Another objective of these experiments is to investigate whether the Evolutionary Robotics approach can be successfully applied to scenarios that are significantly more complex than those to which it is typically applied (in terms of the complexity of the robot’s morphology, the size of the neural controller, and the complexity of the task). The obtained results indicate that skills such as reaching, grasping, and discriminating among objects can be accomplished without the need to learn precise inverse internal models of the arm/hand structure. This would also support the hypothesis that the human central nervous system (cns) does necessarily have internal models of the limbs (not excluding the fact that it might possess such models for other purposes), but can act by shifting the equilibrium points/cycles of the underlying musculoskeletal system. Consequently, the resulting controllers of such fundamental skills would be less complex. Thus, the learning of more complex behaviours will be easier to design because the underlying controller of the arm/hand structure is less complex. Moreover, the obtained results also show how evolved robots exploit sensory-motor coordination in order to accomplish their tasks

    Morphological Development in robotic learning: A survey

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    Advanced grasping with the Pisa/IIT softHand

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    This chapter presents the hardware, software and overall strategy used by the team UNIPI-IIT-QB to participate to the Robotic Grasping and Manipulation Competition. It relies on the PISA/IIT SoftHand, which is underactuated soft robotic hand that can adapt to the grasped object shape and is compliant with the environment. It was used for the hand-in-hand and for the simulation tracks, where the team reached first and third places respectively

    Design of an under-actuated wrist based on adaptive synergies

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    An effective robotic wrist represents a key enabling element in robotic manipulation, especially in prosthetics. In this paper, we propose an under-actuated wrist system, which is also adaptable and allows to implement different under-actuation schemes. Our approach leverages upon the idea of soft synergies - in particular the design method of adaptive synergies - as it derives from the field of robot hand design. First we introduce the design principle and its implementation and function in a configurable test bench prototype, which can be used to demonstrate the feasibility of our idea. Furthermore, we report on results from preliminary experiments with humans, aiming to identify the most probable wrist pose during the pre-grasp phase in activities of daily living. Based on these outcomes, we calibrate our wrist prototype accordingly and demonstrate its effectiveness to accomplish grasping and manipulation tasks

    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 fĂŒhrt 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 StĂ€rken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim VerstĂ€ndnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der KonnektivitĂ€t und der statistischen neuronalen AktivitĂ€t konzentrieren. Dies öffnet eine LĂŒcke 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 fĂŒr spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns fĂŒr das Lernen mittels neuronaler PlastizitĂ€t. 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 DurchfĂŒhrung von Bewegungss- teuerung fĂŒr 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 ĂŒbertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt ĂŒber 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 fĂŒr verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen fĂŒr den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkĂŒrliche, 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 AusfĂŒhrung 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 fĂŒr die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchfĂŒhrbare Bewegungen hat und keine ungĂŒltigen Konfigurationen enthĂ€lt. FĂŒr die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das AusfĂŒhren von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das AusfĂŒhren von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. ZusĂ€tzlich 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 fĂŒr 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. FĂŒr das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen fĂŒr eine FĂŒnf-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. FĂŒr jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefĂŒgt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme FlexibilitĂ€t, 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 DatensĂ€tze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz fĂŒr verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung fĂŒr die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs fĂŒr Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework Ă€hnlich dem fĂŒr 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 vollstĂ€ndig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darĂŒber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchfĂŒhrt 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
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