Co-evolution of Structures and Controllers for Neubot Underwater Modular Robots

This article presents the first results of a project in underwater modular robotics, called Neubots. The goals of the projects are to explore, following Von Neumann’s ideas, potential mechanisms underlying self-organization and self-replication. We briefly explain the design features of the module units. We then present simulation results of the artificial co-evolution of body structures and neural controllers for locomotion. The neural controllers are inspired from the central pattern generators underlying locomotion in vertebrate animals. They are composed of multiple neural oscillators which are connected together by a specific type of coupling called synaptic spreading. The co-evolution of body and controller leads to interesting robots capable of efficient swimming. Interesting features of the neural controllers include the possibility to modulate the speed of locomotion by varying simple input signals, the robustness against perturbations, and the distributed nature of the controllers which makes them well suited for modular robotics

Automatic Gait Generation in Modular Robots: to Oscillate or to Rotate? that is the question

Modular robots offer the possibility to design robots with a high diversity of shapes and functionalities. This nice feature also brings an important challenge: namely how to design efficient locomotion gaits for arbitrary robot structures with many degrees of freedom. In this paper, we present a framework that allows one to explore and identify highly different gaits for a given arbitraryshaped modular robot. For this, we use simulated robots made of several Roombots modules that have three rotational joints each. These modules have as interesting feature that they can produce both oscillatory movements (i.e. periodic movements around a rest position) and rotational movements (i.e. with continuously increasing angle), leading to very rich locomotion patterns. Here we ask ourselves which types of movements — purely oscillatory, purely rotational, or a combination of both— lead to the fastest gaits. To address this question we designed a control architecture based on a distributed system of coupled phase oscillators that can produce synchronized rotations and oscillations in many degrees of freedom. We also designed a specific optimization algorithm that can automatically design hybrid controllers, i.e. controllers that use oscillations in some joints and rotations in others, for fast gaits. The proposed framework is verified through multiple simulations for several robot morphologies. The results show that (i) the question whether it is better to oscillate or to rotate depends on the morphology of the robot, and that in general it is best to do both, (ii) the optimization framework can successfully generate hybrid controllers that outperform purely oscillatory and purely rotational ones, and (iii) the resulting gaits are fast, innovative, and would have been hard to design by han

Automatic Generation of Reduced CPG Control Networks for Locomotion of Arbitrary Modular Robot Structures

The design of efficient locomotion controllers for arbitrary structures of reconfigurable modular robots is challenging because the morphology of the structure can change dynamically during the completion of a task. In this paper, we propose a new method to automatically generate reduced Central Pattern Generator (CPG) networks for locomotion control based on the detection of bio-inspired sub-structures, like body and limbs, and articulation joints inside the robotic structure. We demonstrate how that information, coupled with the potential symmetries in the structure, can be used to speed up the optimization of the gaits and investigate its impact on the solution quality (i.e. the velocity of the robotic structure and the potential internal collisions between robotic modules). We tested our approach on three simulated structures and observed that the reduced network topologies in the first iterations of the optimization process performed significantly better than the fully open ones

Locomotion through morphology, evolution and learning for legged and limbless robots

Mención Internacional en el título de doctorRobot locomotion is concerned with providing autonomous locomotion capabilities to mobile robots. Most current day robots feature some form of locomotion for navigating in their environment. Modalities of robot locomotion includes: (i) aerial locomotion, (ii) terrestrial locomotion, and (iii) aquatic locomotion (on or under water). Three main forms of terrestrial locomotion are, legged locomotion, limbless locomotion and wheel-based locomotion. A Modular Robot (MR), on the other hand, is a robotic system composed of several independent unit modules, where, each module is a robot by itself. The objective in this thesis is to develop legged locomotion in a humanoid robot, as well as, limbless locomotion in modular robotic configurations. Taking inspiration from biology, robot locomotion from the perspective of robot’s morphology, through evolution, and through learning are investigated in this thesis. Locomotion is one of the key distinguishing characteristics of a zoological organism. Almost all animal species, and even some plant species, produce some form of locomotion. In the past few years, robots have been “moving out” of the factory floor and research labs, and are becoming increasingly common in everyday life. So, providing stable and agile locomotion capabilities for robots to navigate a wide range of environments becomes pivotal. Developing locomotion in robots through biologically inspired methods, also facilitates furthering our understanding on how biological processes may function. Connected modules in a configuration, exert force on each other as a result of interaction between each other and their environment. This phenomenon is studied and quantified, and then used as implicit communication between robot modules for producing locomotion coordination in MRs. Through this, a strong link between robot morphology and the gait that emerge in it is established. A variety of locomotion controller, some periodic-function based and some morphology based, are developed for MR locomotion and bipedal gait generation. A hybrid Evolutionary Algorithm (EA) is implemented for evolving gaits, both in simulation as well as in the real-world on a physical modular robotic configuration. Limbless gaits in MRs are also learnt by learning optimal control policies, through Reinforcement Learning (RL).En robótica, la locomoción trata de proporcionar capacidades de locomoción autónoma a robots móviles. La mayoría de los robots actuales tiene alguna forma de locomoción para navegar en su entorno. Los modos de locomoción robótica se pueden repartir entre: (i) locomoción aérea, (ii) locomoción terrestre, y (iii) locomoción acuática (sobre o bajo el agua). Las tres formas básicas de locomoción terrestre son la locomoción mediante piernas, la locomoción sin miembros, y la locomoción basada en ruedas. Un Robot Modular, por otra parte, es un sistema robótico compuesto por varios módulos independientes, donde cada módulo es un robot en sí mismo. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de la locomoción mediante piernas para un robot humanoide, así como el de la locomoción sin miembros para varias configuraciones de robots modulares. Inspirándose en la biología, también se investiga en esta tesis el desarrollo de la locomoción del robot según su morfología, gracias a técnicas de evolución y de aprendizaje. La locomoción es una de las características distintivas de un organismo zoológico. Casi todas las especies animales, e incluso algunas especies de plantas, poseen algún tipo de locomoción. En los últimos años, los robots han “migrado” desde las fábricas y los laboratorios de investigación, y se están integrando cada vez más en nuestra vida diaria. Por estas razones, es crucial proporcionar capacidades de locomoción estables y ágiles a los robots para que puedan navegar por todo tipo de entornos. El uso de métodos de inspiración biológica para alcanzar esta meta también nos ayuda a entender mejor cómo pueden funcionar los procesos biológicos equivalentes. En una configuración de módulos conectados, puesto que cada uno interacciona con su entorno, los módulos ejercen fuerza los unos sobre los otros. Este fenómeno se ha estudiado y cuantificado, y luego se ha usado como comunicación implícita entre los módulos para producir la coordinación en la locomoción de este robot. De esta manera, se establece un fuerte vínculo entre la morfología de un robot y el modo de andar que este desarrolla. Se han desarrollado varios controladores de locomoción para robots modulares y robots bípedos, algunos basados en funciones periódicas, otros en la morfología del robot. Un algoritmo evolutivo híbrido se ha implementado para la evolución de locomociones, tanto en simulación como en el mundo real en una configuración física de robot modular. También se pueden generar locomociones sin miembros para robots modulares, determinando las políticas de control óptimo gracias a técnicas de aprendizaje por refuerzo. Se presenta en primer lugar en esta tesis el estado del arte de la robótica modular, enfocándose en la locomoción de robots modulares, los controladores, la locomoción bípeda y la computación morfológica. A continuación se describen cinco configuraciones diferentes de robot modular que se utilizan en esta tesis, seguido de cuatro controladores de locomoción. Estos controladores son el controlador heterogéneo, el controlador basado en funciones periódicas, el controlador homogéneo y el controlador basado en la morfología del robot. Se desarrolla como parte de este trabajo un controlador de locomoción lineal, periódico, basado en features, para la locomoción bípeda de robots humanoides. Los parámetros de control se ajustan primero a mano para reproducir un modelo cart-table, y el controlador se evalúa en un robot humanoide simulado. A continuación, gracias a un algoritmo evolutivo, la optimización de los parámetros de control permite desarrollar una locomoción sin modelo predeterminado. Se desarrolla como parte de esta tesis un enfoque sobre algoritmos de Embodied Evolución, en otras palabras el uso de robots modulares físicos en la fase de evolución. La implementación material, la configuración experimental, y el Algoritmo Evolutivo implementado para Embodied Evolución, se explican detalladamente. El trabajo también incluye una visión general de las técnicas de aprendizaje por refuerzo y de los Procesos de Decisión de Markov. A continuación se presenta un algoritmo popular de aprendizaje por refuerzo, llamado Q-Learning, y su adaptación para aprender locomociones de robots modulares. Se proporcionan una implementación del algoritmo de aprendizaje y la evaluación experimental de la locomoción generada.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Antonio Barrientos Cruz.- Secretario: Luis Santiago Garrido Bullón.- Vocal: Giuseppe Carbon

SELF RECONFIGURABLE MODULAR ROBOT.

Master'sMASTER OF ENGINEERIN