Muscle synergies in neuroscience and robotics: from input-space to task-space perspectives

In this paper we review the works related to muscle synergies that have been carried-out in neuroscience and control engineering. In particular, we refer to the hypothesis that the central nervous system (CNS) generates desired muscle contractions by combining a small number of predefined modules, called muscle synergies. We provide an overview of the methods that have been employed to test the validity of this scheme, and we show how the concept of muscle synergy has been generalized for the control of artificial agents. The comparison between these two lines of research, in particular their different goals and approaches, is instrumental to explain the computational implications of the hypothesized modular organization. Moreover, it clarifies the importance of assessing the functional role of muscle synergies: although these basic modules are defined at the level of muscle activations (input-space), they should result in the effective accomplishment of the desired task. This requirement is not always explicitly considered in experimental neuroscience, as muscle synergies are often estimated solely by analyzing recorded muscle activities. We suggest that synergy extraction methods should explicitly take into account task execution variables, thus moving from a perspective purely based on input-space to one grounded on task-space as well

Learning and Transfer of Modulated Locomotor Controllers

We study a novel architecture and training procedure for locomotion tasks. A high-frequency, low-level "spinal" network with access to proprioceptive sensors learns sensorimotor primitives by training on simple tasks. This pre-trained module is fixed and connected to a low-frequency, high-level "cortical" network, with access to all sensors, which drives behavior by modulating the inputs to the spinal network. Where a monolithic end-to-end architecture fails completely, learning with a pre-trained spinal module succeeds at multiple high-level tasks, and enables the effective exploration required to learn from sparse rewards. We test our proposed architecture on three simulated bodies: a 16-dimensional swimming snake, a 20-dimensional quadruped, and a 54-dimensional humanoid. Our results are illustrated in the accompanying video at https://youtu.be/sboPYvhpraQComment: Supplemental video available at https://youtu.be/sboPYvhpra

Planning hand-arm grasping motions with human-like appearance

© 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting /republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksFinalista de l’IROS Best Application Paper Award a la 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, ICROS.This paper addresses the problem of obtaining human-like motions on hand-arm robotic systems performing pick-and-place actions. The focus is set on the coordinated movements of the robotic arm and the anthropomorphic mechanical hand, with which the arm is equipped. For this, human movements performing different grasps are captured and mapped to the robot in order to compute the human hand synergies. These synergies are used to reduce the complexity of the planning phase by reducing the dimension of the search space. In addition, the paper proposes a sampling-based planner, which guides the motion planning ollowing the synergies. The introduced approach is tested in an application example and thoroughly compared with other state-of-the-art planning algorithms, obtaining better results.Peer ReviewedAward-winningPostprint (author's final draft

SAR: Generalization of Physiological Agility and Dexterity via Synergistic Action Representation

Learning effective continuous control policies in high-dimensional systems, including musculoskeletal agents, remains a significant challenge. Over the course of biological evolution, organisms have developed robust mechanisms for overcoming this complexity to learn highly sophisticated strategies for motor control. What accounts for this robust behavioral flexibility? Modular control via muscle synergies, i.e. coordinated muscle co-contractions, is considered to be one putative mechanism that enables organisms to learn muscle control in a simplified and generalizable action space. Drawing inspiration from this evolved motor control strategy, we use physiologically accurate human hand and leg models as a testbed for determining the extent to which a Synergistic Action Representation (SAR) acquired from simpler tasks facilitates learning more complex tasks. We find in both cases that SAR-exploiting policies significantly outperform end-to-end reinforcement learning. Policies trained with SAR were able to achieve robust locomotion on a wide set of terrains with high sample efficiency, while baseline approaches failed to learn meaningful behaviors. Additionally, policies trained with SAR on a multiobject manipulation task significantly outperformed (>70% success) baseline approaches (<20% success). Both of these SAR-exploiting policies were also found to generalize zero-shot to out-of-domain environmental conditions, while policies that did not adopt SAR failed to generalize. Finally, we establish the generality of SAR on broader high-dimensional control problems using a robotic manipulation task set and a full-body humanoid locomotion task. To the best of our knowledge, this investigation is the first of its kind to present an end-to-end pipeline for discovering synergies and using this representation to learn high-dimensional continuous control across a wide diversity of tasks.Comment: Accepted to RSS 202

Analyzing Whole-Body Pose Transitions in Multi-Contact Motions

When executing whole-body motions, humans are able to use a large variety of support poses which not only utilize the feet, but also hands, knees and elbows to enhance stability. While there are many works analyzing the transitions involved in walking, very few works analyze human motion where more complex supports occur. In this work, we analyze complex support pose transitions in human motion involving locomotion and manipulation tasks (loco-manipulation). We have applied a method for the detection of human support contacts from motion capture data to a large-scale dataset of loco-manipulation motions involving multi-contact supports, providing a semantic representation of them. Our results provide a statistical analysis of the used support poses, their transitions and the time spent in each of them. In addition, our data partially validates our taxonomy of whole-body support poses presented in our previous work. We believe that this work extends our understanding of human motion for humanoids, with a long-term objective of developing methods for autonomous multi-contact motion planning.Comment: 8 pages, IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids) 201

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

Planning grasping motions for humanoid robots

This paper addresses the problem of obtaining the required motions for a humanoid robot to perform grasp actions trying to mimic the coordinated hand–arm movements humans do. The first step is the data acquisition and analysis, which consists in capturing human movements while grasping several everyday objects (covering four possible grasp types), mapping them to the robot and computing the hand motion synergies for the pre-grasp and grasp phases (per grasp type). Then, the grasp and motion synthesis step is done, which consists in generating potential grasps for a given object using the four family types, and planning the motions using a bi-directional multi-goal sampling-based planner, which efficiently guides the motion planning following the synergies in a reduced search space, resulting in paths with human-like appearance. The approach has been tested in simulation, thoroughly compared with other state-of-the-art planning algorithms obtaining better results, and also implemented in a real robot.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Force-Guided High-Precision Grasping Control of Fragile and Deformable Objects Using sEMG-Based Force Prediction

Regulating contact forces with high precision is crucial for grasping and manipulating fragile or deformable objects. We aim to utilize the dexterity of human hands to regulate the contact forces for robotic hands and exploit human sensory-motor synergies in a wearable and non-invasive way. We extracted force information from the electric activities of skeletal muscles during their voluntary contractions through surface electromyography (sEMG). We built a regression model based on a Neural Network to predict the gripping force from the preprocessed sEMG signals and achieved high accuracy (R2 = 0.982). Based on the force command predicted from human muscles, we developed a force-guided control framework, where force control was realized via an admittance controller that tracked the predicted gripping force reference to grasp delicate and deformable objects. We demonstrated the effectiveness of the proposed method on a set of representative fragile and deformable objects from daily life, all of which were successfully grasped without any damage or deformation.Comment: 8 pages, 11 figures, to be published on IEEE Robotics and Automation Letters. For the attached video, see https://youtu.be/0AotKaWFJD

Data-Driven Grasp Synthesis - A Survey

We review the work on data-driven grasp synthesis and the methodologies for sampling and ranking candidate grasps. We divide the approaches into three groups based on whether they synthesize grasps for known, familiar or unknown objects. This structure allows us to identify common object representations and perceptual processes that facilitate the employed data-driven grasp synthesis technique. In the case of known objects, we concentrate on the approaches that are based on object recognition and pose estimation. In the case of familiar objects, the techniques use some form of a similarity matching to a set of previously encountered objects. Finally for the approaches dealing with unknown objects, the core part is the extraction of specific features that are indicative of good grasps. Our survey provides an overview of the different methodologies and discusses open problems in the area of robot grasping. We also draw a parallel to the classical approaches that rely on analytic formulations.Comment: 20 pages, 30 Figures, submitted to IEEE Transactions on Robotic