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

A spiking network classifies human sEMG signals and triggers finger reflexes on a robotic hand

The interaction between robots and humans is of great relevance for the field of neurorobotics as it can provide insights on how humans perform motor control and sensor processing and on how it can be applied to robotics. We propose a spiking neural network (SNN) to trigger finger motion reflexes on a robotic hand based on human surface Electromyography (sEMG) data. The first part of the network takes sEMG signals to measure muscle activity, then classify the data to detect which finger is being flexed in the human hand. The second part triggers single finger reflexes on the robot using the classification output. The finger reflexes are modeled with motion primitives activated with an oscillator and mapped to the robot kinematic. We evaluated the SNN by having users wear a non-invasive sEMG sensor, record a training dataset, and then flex different fingers, one at a time. The muscle activity was recorded using a Myo sensor with eight different channels. The sEMG signals were successfully encoded into spikes as input for the SNN. The classification could detect the active finger and trigger the motion generation of finger reflexes. The SNN was able to control a real Schunk SVH 5-finger robotic hand online. Being able to map myo-electric activity to functions of motor control for a task, can provide an interesting interface for robotic applications, and a platform to study brain functioning. SNN provide a challenging but interesting framework to interact with human data. In future work the approach will be extended to control also a robot arm at the same time

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

A multi-agent evolutionary robotics framework to train spiking neural networks

A novel multi-agent evolutionary robotics (ER) based framework, inspired by competitive evolutionary environments in nature, is demonstrated for training Spiking Neural Networks (SNN). The weights of a population of SNNs along with morphological parameters of bots they control in the ER environment are treated as phenotypes. Rules of the framework select certain bots and their SNNs for reproduction and others for elimination based on their efficacy in capturing food in a competitive environment. While the bots and their SNNs are given no explicit reward to survive or reproduce via any loss function, these drives emerge implicitly as they evolve to hunt food and survive within these rules. Their efficiency in capturing food as a function of generations exhibit the evolutionary signature of punctuated equilibria. Two evolutionary inheritance algorithms on the phenotypes, Mutation and Crossover with Mutation, are demonstrated. Performances of these algorithms are compared using ensembles of 100 experiments for each algorithm. We find that Crossover with Mutation promotes 40% faster learning in the SNN than mere Mutation with a statistically significant margin.Comment: 9 pages, 11 figure

Neuromorphic Computing for Interactive Robotics: A Systematic Review

Modelling functionalities of the brain in human-robot interaction contexts requires a real-time understanding of how each part of a robot (motors, sensors, emotions, etc.) works and how they interact all together to accomplish complex behavioural tasks while interacting with the environment. Human brains are very efficient as they process the information using event-based impulses also known as spikes, which make living creatures very efficient and able to outperform current mainstream robotic systems in almost every task that requires real-time interaction. In recent years, combined efforts by neuroscientists, biologists, computer scientists and engineers make it possible to design biologically realistic hardware and models that can endow the robots with the required human-like processing capability based on neuromorphic computing and Spiking Neural Network (SNN). However, while some attempts have been made, a comprehensive combination of neuromorphic computing and robotics is still missing. In this article, we present a systematic review of neuromorphic computing applications for socially interactive robotics.We first introduce the basic principles, models and architectures of neuromorphic computation. The remaining articles are classified according to the applications they focus on. Finally, we identify the potential research topics for fully integrated socially interactive neuromorphic robots