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

3D model reconstruction using neural gas accelerated on GPU

In this work, we propose the use of the neural gas (NG), a neural network that uses an unsupervised Competitive Hebbian Learning (CHL) rule, to develop a reverse engineering process. This is a simple and accurate method to reconstruct objects from point clouds obtained from multiple overlapping views using low-cost sensors. In contrast to other methods that may need several stages that include downsampling, noise filtering and many other tasks, the NG automatically obtains the 3D model of the scanned objects. To demonstrate the validity of our proposal we tested our method with several models and performed a study of the neural network parameterization computing the quality of representation and also comparing results with other neural methods like growing neural gas and Kohonen maps or classical methods like Voxel Grid. We also reconstructed models acquired by low cost sensors that can be used in virtual and augmented reality environments for redesign or manipulation purposes. Since the NG algorithm has a strong computational cost we propose its acceleration. We have redesigned and implemented the NG learning algorithm to fit it onto Graphics Processing Units using CUDA. A speed-up of 180× faster is obtained compared to the sequential CPU version.This work was partially funded by the Spanish Government DPI2013-40534-R grant

Action Recognition in Videos: from Motion Capture Labs to the Web

This paper presents a survey of human action recognition approaches based on visual data recorded from a single video camera. We propose an organizing framework which puts in evidence the evolution of the area, with techniques moving from heavily constrained motion capture scenarios towards more challenging, realistic, "in the wild" videos. The proposed organization is based on the representation used as input for the recognition task, emphasizing the hypothesis assumed and thus, the constraints imposed on the type of video that each technique is able to address. Expliciting the hypothesis and constraints makes the framework particularly useful to select a method, given an application. Another advantage of the proposed organization is that it allows categorizing newest approaches seamlessly with traditional ones, while providing an insightful perspective of the evolution of the action recognition task up to now. That perspective is the basis for the discussion in the end of the paper, where we also present the main open issues in the area.Comment: Preprint submitted to CVIU, survey paper, 46 pages, 2 figures, 4 table

Data-driven Soft Sensors in the Process Industry

In the last two decades Soft Sensors established themselves as a valuable alternative to the traditional means for the acquisition of critical process variables, process monitoring and other tasks which are related to process control. This paper discusses characteristics of the process industry data which are critical for the development of data-driven Soft Sensors. These characteristics are common to a large number of process industry fields, like the chemical industry, bioprocess industry, steel industry, etc. The focus of this work is put on the data-driven Soft Sensors because of their growing popularity, already demonstrated usefulness and huge, though yet not completely realised, potential. A comprehensive selection of case studies covering the three most important Soft Sensor application fields, a general introduction to the most popular Soft Sensor modelling techniques as well as a discussion of some open issues in the Soft Sensor development and maintenance and their possible solutions are the main contributions of this work