Locomoção bípede adaptativa a partir de uma única demonstração usando primitivas de movimento

Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaEste trabalho aborda o problema de capacidade de imitação da locomoção humana através da utilização de trajetórias de baixo nível codificadas com primitivas de movimento e utilizá-las para depois generalizar para novas situações, partindo apenas de uma demonstração única. Assim, nesta linha de pensamento, os principais objetivos deste trabalho são dois: o primeiro é analisar, extrair e codificar demonstrações efetuadas por um humano, obtidas por um sistema de captura de movimento de forma a modelar tarefas de locomoção bípede. Contudo, esta transferência não está limitada à simples reprodução desses movimentos, requerendo uma evolução das capacidades para adaptação a novas situações, assim como lidar com perturbações inesperadas. Assim, o segundo objetivo é o desenvolvimento e avaliação de uma estrutura de controlo com capacidade de modelação das ações, de tal forma que a demonstração única apreendida possa ser modificada para o robô se adaptar a diversas situações, tendo em conta a sua dinâmica e o ambiente onde está inserido. A ideia por detrás desta abordagem é resolver o problema da generalização a partir de uma demonstração única, combinando para isso duas estruturas básicas. A primeira consiste num sistema gerador de padrões baseado em primitivas de movimento utilizando sistemas dinâmicos (DS). Esta abordagem de codificação de movimentos possui propriedades desejáveis que a torna ideal para geração de trajetórias, tais como a possibilidade de modificar determinados parâmetros em tempo real, tais como a amplitude ou a frequência do ciclo do movimento e robustez a pequenas perturbações. A segunda estrutura, que está embebida na anterior, é composta por um conjunto de osciladores acoplados em fase que organizam as ações de unidades funcionais de forma coordenada. Mudanças em determinadas condições, como o instante de contacto ou impactos com o solo, levam a modelos com múltiplas fases. Assim, em vez de forçar o movimento do robô a situações pré-determinadas de forma temporal, o gerador de padrões de movimento proposto explora a transição entre diferentes fases que surgem da interação do robô com o ambiente, despoletadas por eventos sensoriais. A abordagem proposta é testada numa estrutura de simulação dinâmica, sendo que várias experiências são efetuadas para avaliar os métodos e o desempenho dos mesmos.This work addresses the problem of learning to imitate human locomotion actions through low-level trajectories encoded with motion primitives and generalizing them to new situations from a single demonstration. In this line of thought, the main objectives of this work are twofold: The first is to analyze, extract and encode human demonstrations taken from motion capture data in order to model biped locomotion tasks. However, transferring motion skills from humans to robots is not limited to the simple reproduction, but requires the evaluation of their ability to adapt to new situations, as well as to deal with unexpected disturbances. Therefore, the second objective is to develop and evaluate a control framework for action shaping such that the single-demonstration can be modulated to varying situations, taking into account the dynamics of the robot and its environment. The idea behind the approach is to address the problem of generalization from a single-demonstration by combining two basic structures. The first structure is a pattern generator system consisting of movement primitives learned and modelled by dynamical systems (DS). This encoding approach possesses desirable properties that make them well-suited for trajectory generation, namely the possibility to change parameters online such as the amplitude and the frequency of the limit cycle and the intrinsic robustness against small perturbations. The second structure, which is embedded in the previous one, consists of coupled phase oscillators that organize actions into functional coordinated units. The changing contact conditions plus the associated impacts with the ground lead to models with multiple phases. Instead of forcing the robot’s motion into a predefined fixed timing, the proposed pattern generator explores transition between phases that emerge from the interaction of the robot system with the environment, triggered by sensor-driven events. The proposed approach is tested in a dynamics simulation framework and several experiments are conducted to validate the methods and to assess the performance of a humanoid robot

VALIDATION OF A MODEL OF SENSORIMOTOR INTEGRATION WITH CLINICAL BENEFITS

Healthy sensorimotor integration – or how our touch influences our movements – is critical to efficiently interact with our environment. Yet, many aspects of this process are still poorly understood. Importantly, several movement disorders are often considered as originating from purely motor impairments, while a sensory origin could also lead to a similar set of symptoms. To alleviate these issues, we hereby propose a novel biologically-based model of the sensorimotor loop, known as the SMILE model. After describing both the functional, and the corresponding neuroanatomical versions of the SMILE, we tested several aspects of its motor component through functional magnetic resonance imaging (fMRI) and transcranial magnetic stimulation (TMS). Both experimental studies resulted in coherent outcomes with respect to the SMILE predictions, but they also provided novel scientific outcomes about such broad topics as the sub-phases of motor imagery, the neural processing of bodily representations, or the extend of the role of the extrastriate body area. In the final sections of this manuscript, we describe some potential clinical application of the SMILE. The first one presents the identification of plausible neuroanatomical origins for focal hand dystonia, a yet poorly understood sensorimotor disorder. The last chapter then covers possible improvements on brain-machine interfaces, driven by a better understanding of the sensorimotor system. -- La façon dont votre sens du toucher et vos mouvements interagissent est connue sous le nom d’intégration sensorimotrice. Ce procédé est essentiel pour une interaction normale avec tout ce qui nous entoure. Cependant, plusieurs aspects de ce processus sont encore méconnus. Plus important encore, l’origine de certaines déficiences motrices encore trop peu comprises sont parfois considérées comme purement motrice, alors qu’une origine sensorielle pourrait mener à un même ensemble de symptômes. Afin d’améliorer cette situation, nous proposons ici un nouveau modèle d’intégration sensorimotrice, dénommé « SMILE », basé sur les connaissances de neurobiologie actuelles. Dans ce manuscrit, nous commençons par décrire les caractéristiques fonctionnelles et neuroanatomiques du SMILE. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées, via l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et la stimulation magnétique transcranienne (SMT), afin de tester différents aspects de la composante motrice du SMILE. Si les résultats de ces expériences corroborent les prédictions du SMILE, elles ont aussi mis en évidences d’autres résultats scientifiques intéressants et novateurs, dans des domaines aussi divers que les sous-phases de l’imagination motrice, les processus cérébraux liés aux représentations corporelles, ou encore l’extension du rôle de l’extrastriate body area. Dans les dernières parties de ce manuscrit, nous dévoilons quelques applications cliniques potentielles de notre modèle. Nous utilisons le SMILE afin de proposer deux origines cérébrales plausibles de la dystonie focale de la main. Le dernier chapitre présente comment certaines technologies existantes, telles que les interfaces cerveaux-machines, pourraient bénéficier d’une meilleure compréhension du système sensorimoteur

Robotics 2010

Without a doubt, robotics has made an incredible progress over the last decades. The vision of developing, designing and creating technical systems that help humans to achieve hard and complex tasks, has intelligently led to an incredible variety of solutions. There are barely technical fields that could exhibit more interdisciplinary interconnections like robotics. This fact is generated by highly complex challenges imposed by robotic systems, especially the requirement on intelligent and autonomous operation. This book tries to give an insight into the evolutionary process that takes place in robotics. It provides articles covering a wide range of this exciting area. The progress of technical challenges and concepts may illuminate the relationship between developments that seem to be completely different at first sight. The robotics remains an exciting scientific and engineering field. The community looks optimistically ahead and also looks forward for the future challenges and new development

Metodología de diseño de manos robóticas basada en los estados de su sistema accionador

La mano humana es una de las herramientas más asombrosas de la naturaleza, tanto que no ha podido ser superada en ningún aspecto hasta el momento. Siendo el principal medio por el cual se ha creado y construido, directa o indirectamente, todo lo artificial que actualmente nos rodea, es natural pensar de que gran parte de la comunidad científica relacionada con la robótica dedique grandes esfuerzos por imitarla. En la actualidad se puede realizar un extenso catálogo de manos robóticas desarrolladas y todas buscan resolver un determinado comportamiento de la mano humana, aún así, éstas se pueden dividir en tres grupos bien definidos: las pinzas robóticas, las cuales se caracterizan por su aplicación industrial en tareas de agarre firme de elementos específicos y por su robustez, precio y vida útil; por otro lado, están las manos robóticas subactuadas en las que se buscan mecanismos cada vez más complejos que hagan disminuir la cantidad de actuadores y la complejidad de su sistema de control a favor de mejorar la funcionalidad de las pinzas robóticas en lo que se refiere a extender su capacidad de agarre a objetos con formas y tamaños cada vez más diferentes; y finalmente encontramos las demás manos robóticas en las que su objetivo es la experimentación de un determinado comportamiento de la mano humana más centrada en las tareas de manipulación. Esta tesis propone una metodología de diseño de manos robóticas desde un punto de vista particular, que es el de los estados que puede ofrecer su sistema de accionamiento, teniendo en cuenta la capacidad de combinarlos y hacerlos independientes. Los elementos móviles que componen una mano robótica son accionados por un actuador o conjunto de actuadores. El sistema accionador es el órgano principal que da vida a un determinado sistema robótico como una mano robótica, por lo tanto es preciso identificar la capacidad que tiene el mismo de hacer que ese movimiento pueda generar tareas cada vez más complejas. La forma de identificar esta capacidad se resume en los estados y la calidad de los mismos que el sistema accionador puede ofrecer. Esta metodología de diseño se basa fundamentalmente en este concepto y que si bien en este trabajo es aplicado a manos robóticas, puede ser extendido a cualquier sistema robótico que disponga de un sistema accionador y de esta forma optimizar sus recursos no sólo a nivel funcional, sino también en el ahorro de energía. En el transcurso de este trabajo se han diseñado dos manos robóticas con esta metodología y se ha realizado un ensayo de viabilidad técnica de un actuador capaz de ofrecer un número finito de estados mayor a los tres que ofrece actualmente cualquier actuador. Estos diseños han demostrado que este tipo de metodología puede ofrecer una alternativa para la optimización del sistema accionador de una mano robótica. Por otro lado, la misma también puede ser aplicada a cualquier tipo de mano robótica y para cualquier aplicación y servir como una herramienta útil para el análisis del diseño de las manos robóticas actuales y buscar puntos de optimización para futuros desarrollos