Intrinsic Motivation and Mental Replay enable Efficient Online Adaptation in Stochastic Recurrent Networks

Autonomous robots need to interact with unknown, unstructured and changing environments, constantly facing novel challenges. Therefore, continuous online adaptation for lifelong-learning and the need of sample-efficient mechanisms to adapt to changes in the environment, the constraints, the tasks, or the robot itself are crucial. In this work, we propose a novel framework for probabilistic online motion planning with online adaptation based on a bio-inspired stochastic recurrent neural network. By using learning signals which mimic the intrinsic motivation signalcognitive dissonance in addition with a mental replay strategy to intensify experiences, the stochastic recurrent network can learn from few physical interactions and adapts to novel environments in seconds. We evaluate our online planning and adaptation framework on an anthropomorphic KUKA LWR arm. The rapid online adaptation is shown by learning unknown workspace constraints sample-efficiently from few physical interactions while following given way points.Comment: accepted in Neural Network

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

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

Embodied neuromorphic intelligence

The design of robots that interact autonomously with the environment and exhibit complex behaviours is an open challenge that can benefit from understanding what makes living beings fit to act in the world. Neuromorphic engineering studies neural computational principles to develop technologies that can provide a computing substrate for building compact and low-power processing systems. We discuss why endowing robots with neuromorphic technologies – from perception to motor control – represents a promising approach for the creation of robots which can seamlessly integrate in society. We present initial attempts in this direction, highlight open challenges, and propose actions required to overcome current limitations

Generating pointing motions for a humanoid robot by combining motor primitives

The human motor system is robust, adaptive and very flexible. The underlying principles of human motion provide inspiration for robotics. Pointing at different targets is a common robotics task, where insights about human motion can be applied. Traditionally in robotics, when a motion is generated it has to be validated so that the robot configurations involved are appropriate. The human brain, in contrast, uses the motor cortex to generate new motions reusing and combining existing knowledge before executing the motion. We propose a method to generate and control pointing motions for a robot using a biological inspired architecture implemented with spiking neural networks. We outline a simplified model of the human motor cortex that generates motions using motor primitives. The network learns a base motor primitive for pointing at a target in the center, and four correction primitives to point at targets up, down, left and right from the base primitive, respectively. The primitives are combined to reach different targets. We evaluate the performance of the network with a humanoid robot pointing at different targets marked on a plane. The network was able to combine one, two or three motor primitives at the same time to control the robot in real-time to reach a specific target. We work on extending this work from pointing to a given target to performing a grasping or tool manipulation task. This has many applications for engineering and industry involving real robots

The Development of Bio-Inspired Cortical Feature Maps for Robot Sensorimotor Controllers

Full version unavailable due to 3rd party copyright restrictions.This project applies principles from the field of Computational Neuroscience to Robotics research, in particular to develop systems inspired by how nature manages to solve sensorimotor coordination tasks. The overall aim has been to build a self-organising sensorimotor system using biologically inspired techniques based upon human cortical development which can in the future be implemented in neuromorphic hardware. This can then deliver the benefits of low power consumption and real time operation but with flexible learning onboard autonomous robots. A core principle is the Self-Organising Feature Map which is based upon the theory of how 2D maps develop in real cortex to represent complex information from the environment. A framework for developing feature maps for both motor and visual directional selectivity representing eight different directions of motion is described as well as how they can be coupled together to make a basic visuomotor system. In contrast to many previous works which use artificially generated visual inputs (for example, image sequences of oriented moving bars or mathematically generated Gaussian bars) a novel feature of the current work is that the visual input is generated by a DVS 128 silicon retina camera which is a neuromorphic device and produces spike events in a frame-free way. One of the main contributions of this work has been to develop a method of autonomous regulation of the map development process which adapts the learning dependent upon input activity. The main results show that distinct directionally selective maps for both the motor and visual modalities are produced under a range of experimental scenarios. The adaptive learning process successfully controls the rate of learning in both motor and visual map development and is used to indicate when sufficient patterns have been presented, thus avoiding the need to define in advance the quantity and range of training data. The coupling training experiments show that the visual input learns to modulate the original motor map response, creating a new visual-motor topological map.EPSRC, University of Plymouth Graduate Schoo

On Neuromechanical Approaches for the Study of Biological Grasp and Manipulation

Biological and robotic grasp and manipulation are undeniably similar at the level of mechanical task performance. However, their underlying fundamental biological vs. engineering mechanisms are, by definition, dramatically different and can even be antithetical. Even our approach to each is diametrically opposite: inductive science for the study of biological systems vs. engineering synthesis for the design and construction of robotic systems. The past 20 years have seen several conceptual advances in both fields and the quest to unify them. Chief among them is the reluctant recognition that their underlying fundamental mechanisms may actually share limited common ground, while exhibiting many fundamental differences. This recognition is particularly liberating because it allows us to resolve and move beyond multiple paradoxes and contradictions that arose from the initial reasonable assumption of a large common ground. Here, we begin by introducing the perspective of neuromechanics, which emphasizes that real-world behavior emerges from the intimate interactions among the physical structure of the system, the mechanical requirements of a task, the feasible neural control actions to produce it, and the ability of the neuromuscular system to adapt through interactions with the environment. This allows us to articulate a succinct overview of a few salient conceptual paradoxes and contradictions regarding under-determined vs. over-determined mechanics, under- vs. over-actuated control, prescribed vs. emergent function, learning vs. implementation vs. adaptation, prescriptive vs. descriptive synergies, and optimal vs. habitual performance. We conclude by presenting open questions and suggesting directions for future research. We hope this frank assessment of the state-of-the-art will encourage and guide these communities to continue to interact and make progress in these important areas

An On-chip Spiking Neural Network for Estimation of the Head Pose of the iCub Robot

In this work, we present a neuromorphic architecture for head pose estimation and scene representation for the humanoid iCub robot. The spiking neuronal network is fully realized in Intel's neuromorphic research chip, Loihi, and precisely integrates the issued motor commands to estimate the iCub's head pose in a neuronal path-integration process. The neuromorphic vision system of the iCub is used to correct for drift in the pose estimation. Positions of objects in front of the robot are memorized using on-chip synaptic plasticity. We present real-time robotic experiments using 2 degrees of freedom (DoF) of the robot's head and show precise path integration, visual reset, and object position learning on-chip. We discuss the requirements for integrating the robotic system and neuromorphic hardware with current technologies