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

Using evolutionary artificial neural networks to design hierarchical animat nervous systems.

The research presented in this thesis examines the area of control systems for robots or animats (animal-like robots). Existing systems have problems in that they require a great deal of manual design or are limited to performing jobs of a single type. For these reasons, a better solution is desired. The system studied here is an Artificial Nervous System (ANS) which is biologically inspired; it is arranged as a hierarchy of layers containing modules operating in parallel. The ANS model has been developed to be flexible, scalable, extensible and modular. The ANS can be implemented using any suitable technology, for many different environments. The implementation focused on the two lowest layers (the reflex and action layers) of the ANS, which are concerned with control and rhythmic movement. Both layers were realised as Artificial Neural Networks (ANN) which were created using Evolutionary Algorithms (EAs). The task of the reflex layer was to control the position of an actuator (such as linear actuators or D.C. motors). The action layer performed the task of Central Pattern Generators (CPG), which produce rhythmic patterns of activity. In particular, different biped and quadruped gait patterns were created. An original neural model was specifically developed for assisting in the creation of these time-based patterns. It is shown in the thesis that Artificial Reflexes and CPGs can be configured successfully using this technique. The Artificial Reflexes were better at generalising across different actuators, without changes, than traditional controllers. Gaits such as pace, trot, gallop and pronk were successfully created using the CPGs. Experiments were conducted to determine whether modularity in the networks had an impact. It has been demonstrated that the degree of modularization in the network influences its evolvability, with more modular networks evolving more efficiently

A Posture Sequence Learning System for an Anthropomorphic Robotic Hand

The paper presents a cognitive architecture for posture learning of an anthropomorphic robotic hand. Our approach is aimed to allow the robotic system to perform complex perceptual operations, to interact with a human user and to integrate the perceptions by a cognitive representation of the scene and the observed actions. The anthropomorphic robotic hand imitates the gestures acquired by the vision system in order to learn meaningful movements, to build its knowledge by different conceptual spaces and to perform complex interaction with the human operator

Engineering derivatives from biological systems for advanced aerospace applications

The present study consisted of a literature survey, a survey of researchers, and a workshop on bionics. These tasks produced an extensive annotated bibliography of bionics research (282 citations), a directory of bionics researchers, and a workshop report on specific bionics research topics applicable to space technology. These deliverables are included as Appendix A, Appendix B, and Section 5.0, respectively. To provide organization to this highly interdisciplinary field and to serve as a guide for interested researchers, we have also prepared a taxonomy or classification of the various subelements of natural engineering systems. Finally, we have synthesized the results of the various components of this study into a discussion of the most promising opportunities for accelerated research, seeking solutions which apply engineering principles from natural systems to advanced aerospace problems. A discussion of opportunities within the areas of materials, structures, sensors, information processing, robotics, autonomous systems, life support systems, and aeronautics is given. Following the conclusions are six discipline summaries that highlight the potential benefits of research in these areas for NASA's space technology programs

Computational aspects of cellular intelligence and their role in artificial intelligence.

The work presented in this thesis is concerned with an exploration of the computational aspects of the primitive intelligence associated with single-celled organisms. The main aim is to explore this Cellular Intelligence and its role within Artificial Intelligence. The findings of an extensive literature search into the biological characteristics, properties and mechanisms associated with Cellular Intelligence, its underlying machinery - Cell Signalling Networks and the existing computational methods used to capture it are reported. The results of this search are then used to fashion the development of a versatile new connectionist representation, termed the Artificial Reaction Network (ARN). The ARN belongs to the branch of Artificial Life known as Artificial Chemistry and has properties in common with both Artificial Intelligence and Systems Biology techniques, including: Artificial Neural Networks, Artificial Biochemical Networks, Gene Regulatory Networks, Random Boolean Networks, Petri Nets, and S-Systems. The thesis outlines the following original work: The ARN is used to model the chemotaxis pathway of Escherichia coli and is shown to capture emergent characteristics associated with this organism and Cellular Intelligence more generally. The computational properties of the ARN and its applications in robotic control are explored by combining functional motifs found in biochemical network to create temporal changing waveforms which control the gaits of limbed robots. This system is then extended into a complete control system by combining pattern recognition with limb control in a single ARN. The results show that the ARN can offer increased flexibility over existing methods. Multiple distributed cell-like ARN based agents termed Cytobots are created. These are first used to simulate aggregating cells based on the slime mould Dictyostelium discoideum. The Cytobots are shown to capture emergent behaviour arising from multiple stigmergic interactions. Applications of Cytobots within swarm robotics are investigated by applying them to benchmark search problems and to the task of cleaning up a simulated oil spill. The results are compared to those of established optimization algorithms using similar cell inspired strategies, and to other robotic agent strategies. Consideration is given to the advantages and disadvantages of the technique and suggestions are made for future work in the area. The report concludes that the Artificial Reaction Network is a versatile and powerful technique which has application in both simulation of chemical systems, and in robotic control, where it can offer a higher degree of flexibility and computational efficiency than benchmark alternatives. Furthermore, it provides a tool which may possibly throw further light on the origins and limitations of the primitive intelligence associated with cells

Integrative Biomimetics of Autonomous Hexapedal Locomotion

Dürr V, Arena PP, Cruse H, et al. Integrative Biomimetics of Autonomous Hexapedal Locomotion. Frontiers in Neurorobotics. 2019;13: 88.Despite substantial advances in many different fields of neurorobotics in general, and biomimetic robots in particular, a key challenge is the integration of concepts: to collate and combine research on disparate and conceptually disjunct research areas in the neurosciences and engineering sciences. We claim that the development of suitable robotic integration platforms is of particular relevance to make such integration of concepts work in practice. Here, we provide an example for a hexapod robotic integration platform for autonomous locomotion. In a sequence of six focus sections dealing with aspects of intelligent, embodied motor control in insects and multipedal robots—ranging from compliant actuation, distributed proprioception and control of multiple legs, the formation of internal representations to the use of an internal body model—we introduce the walking robot HECTOR as a research platform for integrative biomimetics of hexapedal locomotion. Owing to its 18 highly sensorized, compliant actuators, light-weight exoskeleton, distributed and expandable hardware architecture, and an appropriate dynamic simulation framework, HECTOR offers many opportunities to integrate research effort across biomimetics research on actuation, sensory-motor feedback, inter-leg coordination, and cognitive abilities such as motion planning and learning of its own body size

Chaotic exploration and learning of locomotor behaviours

Recent developments in the embodied approach to understanding the generation of adaptive behaviour, suggests that the design of adaptive neural circuits for rhythmic motor patterns should not be done in isolation from an appreciation, and indeed exploitation, of neural-body-environment interactions. Utilising spontaneous mutual entrainment between neural systems and physical bodies provides a useful passage to the regions of phase space which are naturally structured by the neuralbody- environmental interactions. A growing body of work has provided evidence that chaotic dynamics can be useful in allowing embodied systems to spontaneously explore potentially useful motor patterns. However, up until now there has been no general integrated neural system that allows goal-directed, online, realtime exploration and capture of motor patterns without recourse to external monitoring, evaluation or training methods. For the first time, we introduce such a system in the form of a fully dynamic neural system, exploiting intrinsic chaotic dynamics, for the exploration and learning of the possible locomotion patterns of an articulated robot of an arbitrary morphology in an unknown environment. The controller is modelled as a network of neural oscillators which are coupled only through physical embodiment, and goal directed exploration of coordinated motor patterns is achieved by a chaotic search using adaptive bifurcation. The phase space of the indirectly coupled neural-body-environment system contains multiple transient or permanent self-organised dynamics each of which is a candidate for a locomotion behaviour. The adaptive bifurcation enables the system orbit to wander through various phase-coordinated states using its intrinsic chaotic dynamics as a driving force and stabilises the system on to one of the states matching the given goal criteria. In order to improve the sustainability of useful transient patterns, sensory homeostasis has been introduced which results in an increased diversity of motor outputs, thus achieving multi-scale exploration. A rhythmic pattern discovered by this process is memorised and sustained by changing the wiring between initially disconnected oscillators using an adaptive synchronisation method. The dynamical nature of the weak coupling through physical embodiment allows this adaptive weight learning to be easily integrated, thus forming a continuous exploration-learning system. Our result shows that the novel neuro-robotic system is able to create and learn a number of emergent locomotion behaviours for a wide range of body configurations and physical environment, and can re-adapt after sustaining damage. The implications and analyses of these results for investigating the generality and limitations of the proposed system are discussed