Event-Driven Technologies for Reactive Motion Planning: Neuromorphic Stereo Vision and Robot Path Planning and Their Application on Parallel Hardware

Die Robotik wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor des technischen Aufschwungs. Trotz beeindruckender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, übertreffen Gehirne von Säugetieren in den Bereichen Sehen und Bewegungsplanung noch immer selbst die leistungsfähigsten Maschinen. Industrieroboter sind sehr schnell und präzise, aber ihre Planungsalgorithmen sind in hochdynamischen Umgebungen, wie sie für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erforderlich sind, nicht leistungsfähig genug. Ohne schnelle und adaptive Bewegungsplanung kann sichere MRK nicht garantiert werden. Neuromorphe Technologien, einschließlich visueller Sensoren und Hardware-Chips, arbeiten asynchron und verarbeiten so raum-zeitliche Informationen sehr effizient. Insbesondere ereignisbasierte visuelle Sensoren sind konventionellen, synchronen Kameras bei vielen Anwendungen bereits überlegen. Daher haben ereignisbasierte Methoden ein großes Potenzial, schnellere und energieeffizientere Algorithmen zur Bewegungssteuerung in der MRK zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur flexiblen reaktiven Bewegungssteuerung eines Roboterarms vorgestellt. Dabei wird die Exterozeption durch ereignisbasiertes Stereosehen erreicht und die Pfadplanung ist in einer neuronalen Repräsentation des Konfigurationsraums implementiert. Die Multiview-3D-Rekonstruktion wird durch eine qualitative Analyse in Simulation evaluiert und auf ein Stereo-System ereignisbasierter Kameras übertragen. Zur Evaluierung der reaktiven kollisionsfreien Online-Planung wird ein Demonstrator mit einem industriellen Roboter genutzt. Dieser wird auch für eine vergleichende Studie zu sample-basierten Planern verwendet. Ergänzt wird dies durch einen Benchmark von parallelen Hardwarelösungen wozu als Testszenario Bahnplanung in der Robotik gewählt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen neuronalen Lösungen einen effektiven Weg zur Realisierung einer Robotersteuerung für dynamische Szenarien darstellen. Diese Arbeit schafft eine Grundlage für neuronale Lösungen bei adaptiven Fertigungsprozesse, auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen, ohne Einbußen bei Geschwindigkeit und Sicherheit. Damit ebnet sie den Weg für die Integration von dem Gehirn nachempfundener Hardware und Algorithmen in die Industrierobotik und MRK

Toward Robots with Peripersonal Space Representation for Adaptive Behaviors

The abilities to adapt and act autonomously in an unstructured and human-oriented environment are necessarily vital for the next generation of robots, which aim to safely cooperate with humans. While this adaptability is natural and feasible for humans, it is still very complex and challenging for robots. Observations and findings from psychology and neuroscience in respect to the development of the human sensorimotor system can inform the development of novel approaches to adaptive robotics. Among these is the formation of the representation of space closely surrounding the body, the Peripersonal Space (PPS) , from multisensory sources like vision, hearing, touch and proprioception, which helps to facilitate human activities within their surroundings. Taking inspiration from the virtual safety margin formed by the PPS representation in humans, this thesis first constructs an equivalent model of the safety zone for each body part of the iCub humanoid robot. This PPS layer serves as a distributed collision predictor, which translates visually detected objects approaching a robot\u2019s body parts (e.g., arm, hand) into the probabilities of a collision between those objects and body parts. This leads to adaptive avoidance behaviors in the robot via an optimization-based reactive controller. Notably, this visual reactive control pipeline can also seamlessly incorporate tactile input to guarantee safety in both pre- and post-collision phases in physical Human-Robot Interaction (pHRI). Concurrently, the controller is also able to take into account multiple targets (of manipulation reaching tasks) generated by a multiple Cartesian point planner. All components, namely the PPS, the multi-target motion planner (for manipulation reaching tasks), the reaching-with-avoidance controller and the humancentred visual perception, are combined harmoniously to form a hybrid control framework designed to provide safety for robots\u2019 interactions in a cluttered environment shared with human partners. Later, motivated by the development of manipulation skills in infants, in which the multisensory integration is thought to play an important role, a learning framework is proposed to allow a robot to learn the processes of forming sensory representations, namely visuomotor and visuotactile, from their own motor activities in the environment. Both multisensory integration models are constructed with Deep Neural Networks (DNNs) in such a way that their outputs are represented in motor space to facilitate the robot\u2019s subsequent actions

GPU Computing for Cognitive Robotics

This thesis presents the first investigation of the impact of GPU computing on cognitive robotics by providing a series of novel experiments in the area of action and language acquisition in humanoid robots and computer vision. Cognitive robotics is concerned with endowing robots with high-level cognitive capabilities to enable the achievement of complex goals in complex environments. Reaching the ultimate goal of developing cognitive robots will require tremendous amounts of computational power, which was until recently provided mostly by standard CPU processors. CPU cores are optimised for serial code execution at the expense of parallel execution, which renders them relatively inefficient when it comes to high-performance computing applications. The ever-increasing market demand for high-performance, real-time 3D graphics has evolved the GPU into a highly parallel, multithreaded, many-core processor extraordinary computational power and very high memory bandwidth. These vast computational resources of modern GPUs can now be used by the most of the cognitive robotics models as they tend to be inherently parallel. Various interesting and insightful cognitive models were developed and addressed important scientific questions concerning action-language acquisition and computer vision. While they have provided us with important scientific insights, their complexity and application has not improved much over the last years. The experimental tasks as well as the scale of these models are often minimised to avoid excessive training times that grow exponentially with the number of neurons and the training data. This impedes further progress and development of complex neurocontrollers that would be able to take the cognitive robotics research a step closer to reaching the ultimate goal of creating intelligent machines. This thesis presents several cases where the application of the GPU computing on cognitive robotics algorithms resulted in the development of large-scale neurocontrollers of previously unseen complexity enabling the conducting of the novel experiments described herein.European Commission Seventh Framework Programm

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

NASA space station automation: AI-based technology review

Research and Development projects in automation for the Space Station are discussed. Artificial Intelligence (AI) based automation technologies are planned to enhance crew safety through reduced need for EVA, increase crew productivity through the reduction of routine operations, increase space station autonomy, and augment space station capability through the use of teleoperation and robotics. AI technology will also be developed for the servicing of satellites at the Space Station, system monitoring and diagnosis, space manufacturing, and the assembly of large space structures

Soft Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery and Interventions: Advances and Outlook

Since the emergence of soft robotics around two decades ago, research interest in the field has escalated at a pace. It is fuelled by the industry's appreciation of the wide range of soft materials available that can be used to create highly dexterous robots with adaptability characteristics far beyond that which can be achieved with rigid component devices. The ability, inherent in soft robots, to compliantly adapt to the environment, has significantly sparked interest from the surgical robotics community. This article provides an in-depth overview of recent progress and outlines the remaining challenges in the development of soft robotics for minimally invasive surgery

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

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

Sensitive manipulation

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2007.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (p. 161-172).This thesis presents an effective alternative to the traditional approach to robotic manipulation. In our approach, manipulation is mainly guided by tactile feedback as opposed to vision. The motivation comes from the fact that manipulating an object implies coming in contact with it, consequently, directly sensing physical contact seems more important than vision to control the interaction of the object and the robot. In this work, the traditional approach of a highly precise arm and vision system controlled by a model-based architecture is replaced by one that uses a low mechanical impedance arm with dense tactile sensing and exploration capabilities run by a behavior-based architecture. The robot OBRERO has been built to implement this approach. New tactile sensing technology has been developed and mounted on the robot's hand. These sensors are biologically inspired and present more adequate features for manipulation than those of state of the art tactile sensors. The robot's limb was built with compliant actuators, which present low mechanical impedance, to make the interaction between the robot and the environment safer than that of a traditional high-stiffness arm. A new actuator was created to fit in the hand size constraints.(cont.) The reduced precision of OBRERO's limb is compensated by the capability of exploration given by the tactile sensors, actuators and the software architecture. The success of this approach is shown by picking up objects in an unmodelled environment. This task, simple for humans, has been a challenge for robots. The robot can deal with new, unmodelled objects. OBRERO can come gently in contact, explore, lift, and place the object in a different location. It can also detect slippage and external forces acting on an object while it is held. Each one of these steps are done by using tactile feedback. This task can be done with very light objects with no fixtures and on slippery surfaces.by Eduardo Rafael Torres Jara.Ph.D

Space exploration: The interstellar goal and Titan demonstration

Automated interstellar space exploration is reviewed. The Titan demonstration mission is discussed. Remote sensing and automated modeling are considered. Nuclear electric propulsion, main orbiting spacecraft, lander/rover, subsatellites, atmospheric probes, powered air vehicles, and a surface science network comprise mission component concepts. Machine, intelligence in space exploration is discussed