Viewfinder: final activity report

The VIEW-FINDER project (2006-2009) is an 'Advanced Robotics' project that seeks to apply a semi-autonomous robotic system to inspect ground safety in the event of a fire. Its primary aim is to gather data (visual and chemical) in order to assist rescue personnel. A base station combines the gathered information with information retrieved from off-site sources. The project addresses key issues related to map building and reconstruction, interfacing local command information with external sources, human-robot interfaces and semi-autonomous robot navigation. The VIEW-FINDER system is a semi-autonomous; the individual robot-sensors operate autonomously within the limits of the task assigned to them, that is, they will autonomously navigate through and inspect an area. Human operators monitor their operations and send high level task requests as well as low level commands through the interface to any nodes in the entire system. The human interface has to ensure the human supervisor and human interveners are provided a reduced but good and relevant overview of the ground and the robots and human rescue workers therein

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

A Novel Bio-Inspired Insertion Method for Application to Next Generation Percutaneous Surgical Tools

The use of minimally invasive techniques can dramatically improve patient outcome from neurosurgery, with less risk, faster recovery, and better cost effectiveness when compared to conventional surgical intervention. To achieve this, innovative surgical techniques and new surgical instruments have been developed. Nevertheless, the simplest and most common interventional technique for brain surgery is needle insertion for either diagnostic or therapeutic purposes. The work presented in this thesis shows a new approach to needle insertion into soft tissue, focussing on soft tissue-needle interaction by exploiting microtextured topography and the unique mechanism of a reciprocating motion inspired by the ovipositor of certain parasitic wasps. This thesis starts by developing a brain-like phantom which I was shown to have mechanical properties similar to those of neurological tissue during needle insertion. Secondly, a proof-of-concept of the bio-inspired insertion method was undertaken. Based on this finding, the novel method of a multi-part probe able to penetrate a soft substrate by reciprocal motion of each segment is derived. The advantages of the new insertion method were investigated and compared with a conventional needle insertion in terms of needle-tissue interaction. The soft tissue deformation and damage were also measured by exploiting the method of particle image velocimetry. Finally, the thesis proposes the possible clinical application of a biologically-inspired surface topography for deep brain electrode implantation. As an adjunct to this work, the reciprocal insertion method described here fuelled the research into a novel flexible soft tissue probe for percutaneous intervention, which is able to steer along curvilinear trajectories within a compliant medium. Aspects of this multi-disciplinary research effort on steerable robotic surgery are presented, followed by a discussion of the implications of these findings within the context of future work

Towards adaptive and autonomous humanoid robots: from vision to actions

Although robotics research has seen advances over the last decades robots are still not in widespread use outside industrial applications. Yet a range of proposed scenarios have robots working together, helping and coexisting with humans in daily life. In all these a clear need to deal with a more unstructured, changing environment arises. I herein present a system that aims to overcome the limitations of highly complex robotic systems, in terms of autonomy and adaptation. The main focus of research is to investigate the use of visual feedback for improving reaching and grasping capabilities of complex robots. To facilitate this a combined integration of computer vision and machine learning techniques is employed. From a robot vision point of view the combination of domain knowledge from both imaging processing and machine learning techniques, can expand the capabilities of robots. I present a novel framework called Cartesian Genetic Programming for Image Processing (CGP-IP). CGP-IP can be trained to detect objects in the incoming camera streams and successfully demonstrated on many different problem domains. The approach requires only a few training images (it was tested with 5 to 10 images per experiment) is fast, scalable and robust yet requires very small training sets. Additionally, it can generate human readable programs that can be further customized and tuned. While CGP-IP is a supervised-learning technique, I show an integration on the iCub, that allows for the autonomous learning of object detection and identification. Finally this dissertation includes two proof-of-concepts that integrate the motion and action sides. First, reactive reaching and grasping is shown. It allows the robot to avoid obstacles detected in the visual stream, while reaching for the intended target object. Furthermore the integration enables us to use the robot in non-static environments, i.e. the reaching is adapted on-the- fly from the visual feedback received, e.g. when an obstacle is moved into the trajectory. The second integration highlights the capabilities of these frameworks, by improving the visual detection by performing object manipulation actions

A developmental approach to robotic pointing via human-robot interaction

The ability of pointing is recognised as an essential skill of a robot in its communication and social interaction. This paper introduces a developmental learning approach to robotic pointing, by exploiting the interactions between a human and a robot. The approach is inspired through observing the process of human infant development. It works by first applying a reinforcement learning algorithm to guide the robot to create attempt movements towards a salient object that is out of the robot's initial reachable space. Through such movements, a human demonstrator is able to understand the robot desires to touch the target and consequently, to assist the robot to eventually reach the object successfully. The human-robot interaction helps establish the understanding of pointing gestures in the perception of both the human and the robot. From this, the robot can collect the successful pointing gestures in an effort to learn how to interact with humans. Developmental constraints are utilised to drive the entire learning procedure. The work is supported by experimental evaluation, demonstrating that the proposed approach can lead the robot to gradually gain the desirable pointing ability. It also allows that the resulting robot system exhibits similar developmental progress and features as with human infants

A developmental approach to robotic pointing via human–robot interaction

This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)The ability of pointing is recognised as an essential skill of a robot in its communication and social interaction. This paper introduces a developmental learning approach to robotic pointing, by exploiting the interactions between a human and a robot. The approach is inspired through observing the process of human infant development. It works by first applying a reinforcement learning algorithm to guide the robot to create attempt movements towards a salient object that is out of the robot's initial reachable space. Through such movements, a human demonstrator is able to understand the robot desires to touch the target and consequently, to assist the robot to eventually reach the object successfully. The human-robot interaction helps establish the understanding of pointing gestures in the perception of both the human and the robot. From this, the robot can collect the successful pointing gestures in an effort to learn how to interact with humans. Developmental constraints are utilised to drive the entire learning procedure. The work is supported by experimental evaluation, demonstrating that the proposed approach can lead the robot to gradually gain the desirable pointing ability. It also allows that the resulting robot system exhibits similar developmental progress and features as with human infants