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

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

Biologically Inspired Modelling for the Control of Upper Limb Movements: From Concept Studies to Future Applications

Modelling is continuously being deployed to gain knowledge on the mechanisms of motor control. Computational models, simulating the behaviour of complex systems, have often been used in combination with soft computing strategies, thus shifting the rationale of modelling from the description of a behaviour to the understanding of the mechanisms behind it. In this context, computational models are preferred to deterministic schemes because they deal better with complex systems. The literature offers some striking examples of biologically inspired modelling, which perform better than traditional approaches when dealing with both learning and adaptivity mechanisms. Can these theoretical studies be transferred into an application framework? That is, can biologically inspired models be used to implement rehabilitative devices? Some evidences, even if preliminary, are presented here, and support an affirmative answer to the previous question, thus opening new perspectives

The control of a manipulator using cerebellar model articulation controllers

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Mechanical Engineering, Izmir, 2003Includes bibliographical references (leaves: 72-74)Text in English; Abstract: Turkish and Englishviii, 91 leavesThe emergence of the theory of artificial neural networks has made it possible to develop neural learning schemes that can be used to obtain alternative solutions to complex problems such as inverse kinematic control for robotic systems. The cerebellar model articulation controller (CMAC) is a neural network topology commonly used in the field of robotic control which was formulated in the 1970s by Albus. In this thesis, CMAC neural networks are analyzed in detail. Optimum network parameters and training techniques are discussed. The relationship between CMAC network parameters and training techniques are presented. An appropriate CMAC network is designed for the inverse kinematic control of a two-link robot manipulator

Adaptive Control of Arm Movement based on Cerebellar Model

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

Adaptive saccade controller inspired by the primates' cerebellum

Saccades are fast eye movements that allow humans and robots to bring the visual target in the center of the visual field. Saccades are open loop with respect to the vision system, thus their execution require a precise knowledge of the internal model of the oculomotor system. In this work, we modeled the saccade control, taking inspiration from the recurrent loops between the cerebellum and the brainstem. In this model, the brainstem acts as a fixed-inverse model of the oculomotor system, while the cerebellum acts as an adaptive element that learns the internal model of the oculomotor system. The adaptive filter is implemented using a state-of-the-art neural network, called I-SSGPR. The proposed approach, namely recurrent architecture, was validated through experiments performed both in simulation and on an antropomorphic robotic head. Moreover, we compared the recurrent architecture with another model of the cerebellum, the feedback error learning. Achieved results show that the recurrent architecture outperforms the feedback error learning in terms of accuracy and insensitivity to the choice of the feedback controller

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

Adaptive saccade controller inspired by the primates' cerebellum

Saccades are fast eye movements that allow humans and robots to bring the visual target in the center of the visual field. Saccades are open loop with respect to the vision system, thus their execution require a precise knowledge of the internal model of the oculomotor system. In this work, we modeled the saccade control, taking inspiration from the recurrent loops between the cerebellum and the brainstem. In this model, the brainstem acts as a fixed-inverse model of the oculomotor system, while the cerebellum acts as an adaptive element that learns the internal model of the oculomotor system. The adaptive filter is implemented using a state-of-the-art neural network, called I-SSGPR. The proposed approach, namely recurrent architecture, was validated through experiments performed both in simulation and on an antropomorphic robotic head. Moreover, we compared the recurrent architecture with another model of the cerebellum, the feedback error learning. Achieved results show that the recurrent architecture outperforms the feedback error learning in terms of accuracy and insensitivity to the choice of the feedback controller