Mechanisms of Human Arm Motion Planning in the Presence of Multiple Solutions

How do humans choose their movement and what are the mechanisms involved in motion planning? This thesis explores the interaction of the central nervous system (CNS) and the external environment, focusing on mechanism it employs for successful execution of fast, complex hand movements. Previous studies have generally assumed that the motion results from the optimisation of a cost function with single optimum. However, this task, similar to many day-to-day tasks, can be performed by more than just one solution. An environment was created that allowed for investigation of complex fast movements. Initially the subjects had to navigate through number of target confi gurations and their respective orientations. The results indicated that the subjects generally utilise multiple plans to achieve the same task. Further experiments presented subjects with alternative trajectories. The results show that the memory of previous motor exploration influences the choice of particular trajectory for explored and unexplored orientations, providing evidence for a motor plan. Analysis of solutions in diff erent directions shows that the choice of a plan depends on previous experience as well as characteristics of motion execution. This choice can be modelled as a Markov process that describes CNS' selection process and how exploration affects it. Considering the results, a computational model was developed, incorporating a set of patterns, which allow generation of successful movements despite large motor variability. A sequence of patterns, a plan, is first prepared and when the movement is executed, accuracy is realised by online prediction of the motion through forward model that utilises derived families of strokes for each pattern. The model takes the visual feedback and by interpolating the corresponding pattern strokes onto the completed trajectory predicts the future trajectory, applying corrective movements if necessary. Despite the feedback delay the outputs demonstrate successful recreation of the observed experimental results

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

Probabilistic segmentation applied to an assembly task

Movement primitives are a well established approach for encoding and executing robot movements. While the primitives themselves have been extensively researched, the concept of movement primitive libraries has not received as much attention. Libraries of movement primitives represent the skill set of an agent and can be queried and sequenced in order to solve specific tasks. The goal of this work is to segment unlabeled demonstrations into an optimal set of skills. Our novel approach segments the demonstrations while learning a probabilistic representation of movement primitives. The method differs from current approaches by taking advantage of the often neglected, mutual dependencies between the segments contained in the demonstrations and the primitives to be encoded. Therefore, improving the combined quality of both segmentation and skill learning. Furthermore, our method allows incorporating domain specific insights using heuristics, which are subsequently evaluated and assessed through probabilistic inference methods. We demonstrate our method on a real robot application, where the robot segments demonstrations of a chair assembly task into a skill library. The library is subsequently used to assemble the chair in an order not present in the demonstrations

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

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

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

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