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

Locomotion through morphology, evolution and learning for legged and limbless robots

Mención Internacional en el título de doctorRobot locomotion is concerned with providing autonomous locomotion capabilities to mobile robots. Most current day robots feature some form of locomotion for navigating in their environment. Modalities of robot locomotion includes: (i) aerial locomotion, (ii) terrestrial locomotion, and (iii) aquatic locomotion (on or under water). Three main forms of terrestrial locomotion are, legged locomotion, limbless locomotion and wheel-based locomotion. A Modular Robot (MR), on the other hand, is a robotic system composed of several independent unit modules, where, each module is a robot by itself. The objective in this thesis is to develop legged locomotion in a humanoid robot, as well as, limbless locomotion in modular robotic configurations. Taking inspiration from biology, robot locomotion from the perspective of robot’s morphology, through evolution, and through learning are investigated in this thesis. Locomotion is one of the key distinguishing characteristics of a zoological organism. Almost all animal species, and even some plant species, produce some form of locomotion. In the past few years, robots have been “moving out” of the factory floor and research labs, and are becoming increasingly common in everyday life. So, providing stable and agile locomotion capabilities for robots to navigate a wide range of environments becomes pivotal. Developing locomotion in robots through biologically inspired methods, also facilitates furthering our understanding on how biological processes may function. Connected modules in a configuration, exert force on each other as a result of interaction between each other and their environment. This phenomenon is studied and quantified, and then used as implicit communication between robot modules for producing locomotion coordination in MRs. Through this, a strong link between robot morphology and the gait that emerge in it is established. A variety of locomotion controller, some periodic-function based and some morphology based, are developed for MR locomotion and bipedal gait generation. A hybrid Evolutionary Algorithm (EA) is implemented for evolving gaits, both in simulation as well as in the real-world on a physical modular robotic configuration. Limbless gaits in MRs are also learnt by learning optimal control policies, through Reinforcement Learning (RL).En robótica, la locomoción trata de proporcionar capacidades de locomoción autónoma a robots móviles. La mayoría de los robots actuales tiene alguna forma de locomoción para navegar en su entorno. Los modos de locomoción robótica se pueden repartir entre: (i) locomoción aérea, (ii) locomoción terrestre, y (iii) locomoción acuática (sobre o bajo el agua). Las tres formas básicas de locomoción terrestre son la locomoción mediante piernas, la locomoción sin miembros, y la locomoción basada en ruedas. Un Robot Modular, por otra parte, es un sistema robótico compuesto por varios módulos independientes, donde cada módulo es un robot en sí mismo. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de la locomoción mediante piernas para un robot humanoide, así como el de la locomoción sin miembros para varias configuraciones de robots modulares. Inspirándose en la biología, también se investiga en esta tesis el desarrollo de la locomoción del robot según su morfología, gracias a técnicas de evolución y de aprendizaje. La locomoción es una de las características distintivas de un organismo zoológico. Casi todas las especies animales, e incluso algunas especies de plantas, poseen algún tipo de locomoción. En los últimos años, los robots han “migrado” desde las fábricas y los laboratorios de investigación, y se están integrando cada vez más en nuestra vida diaria. Por estas razones, es crucial proporcionar capacidades de locomoción estables y ágiles a los robots para que puedan navegar por todo tipo de entornos. El uso de métodos de inspiración biológica para alcanzar esta meta también nos ayuda a entender mejor cómo pueden funcionar los procesos biológicos equivalentes. En una configuración de módulos conectados, puesto que cada uno interacciona con su entorno, los módulos ejercen fuerza los unos sobre los otros. Este fenómeno se ha estudiado y cuantificado, y luego se ha usado como comunicación implícita entre los módulos para producir la coordinación en la locomoción de este robot. De esta manera, se establece un fuerte vínculo entre la morfología de un robot y el modo de andar que este desarrolla. Se han desarrollado varios controladores de locomoción para robots modulares y robots bípedos, algunos basados en funciones periódicas, otros en la morfología del robot. Un algoritmo evolutivo híbrido se ha implementado para la evolución de locomociones, tanto en simulación como en el mundo real en una configuración física de robot modular. También se pueden generar locomociones sin miembros para robots modulares, determinando las políticas de control óptimo gracias a técnicas de aprendizaje por refuerzo. Se presenta en primer lugar en esta tesis el estado del arte de la robótica modular, enfocándose en la locomoción de robots modulares, los controladores, la locomoción bípeda y la computación morfológica. A continuación se describen cinco configuraciones diferentes de robot modular que se utilizan en esta tesis, seguido de cuatro controladores de locomoción. Estos controladores son el controlador heterogéneo, el controlador basado en funciones periódicas, el controlador homogéneo y el controlador basado en la morfología del robot. Se desarrolla como parte de este trabajo un controlador de locomoción lineal, periódico, basado en features, para la locomoción bípeda de robots humanoides. Los parámetros de control se ajustan primero a mano para reproducir un modelo cart-table, y el controlador se evalúa en un robot humanoide simulado. A continuación, gracias a un algoritmo evolutivo, la optimización de los parámetros de control permite desarrollar una locomoción sin modelo predeterminado. Se desarrolla como parte de esta tesis un enfoque sobre algoritmos de Embodied Evolución, en otras palabras el uso de robots modulares físicos en la fase de evolución. La implementación material, la configuración experimental, y el Algoritmo Evolutivo implementado para Embodied Evolución, se explican detalladamente. El trabajo también incluye una visión general de las técnicas de aprendizaje por refuerzo y de los Procesos de Decisión de Markov. A continuación se presenta un algoritmo popular de aprendizaje por refuerzo, llamado Q-Learning, y su adaptación para aprender locomociones de robots modulares. Se proporcionan una implementación del algoritmo de aprendizaje y la evaluación experimental de la locomoción generada.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Antonio Barrientos Cruz.- Secretario: Luis Santiago Garrido Bullón.- Vocal: Giuseppe Carbon

Reinforcement Learning of CPG-regulated Locomotion Controller for a Soft Snake Robot

Intelligent control of soft robots is challenging due to the nonlinear and difficult-to-model dynamics. One promising model-free approach for soft robot control is reinforcement learning (RL). However, model-free RL methods tend to be computationally expensive and data-inefficient and may not yield natural and smooth locomotion patterns for soft robots. In this work, we develop a bio-inspired design of a learning-based goal-tracking controller for a soft snake robot. The controller is composed of two modules: An RL module for learning goal-tracking behaviors given the unmodeled and stochastic dynamics of the robot, and a central pattern generator (CPG) with the Matsuoka oscillators for generating stable and diverse locomotion patterns. We theoretically investigate the maneuverability of Matsuoka CPG's oscillation bias, frequency, and amplitude for steering control, velocity control, and sim-to-real adaptation of the soft snake robot. Based on this analysis, we proposed a composition of RL and CPG modules such that the RL module regulates the tonic inputs to the CPG system given state feedback from the robot, and the output of the CPG module is then transformed into pressure inputs to pneumatic actuators of the soft snake robot. This design allows the RL agent to naturally learn to entrain the desired locomotion patterns determined by the CPG maneuverability. We validated the optimality and robustness of the control design in both simulation and real experiments, and performed extensive comparisons with state-of-art RL methods to demonstrate the benefit of our bio-inspired control design.Comment: 20 pages, 17 figures, 4 tables, in IEEE Transactions on Robotic

Humanoid Robots

For many years, the human being has been trying, in all ways, to recreate the complex mechanisms that form the human body. Such task is extremely complicated and the results are not totally satisfactory. However, with increasing technological advances based on theoretical and experimental researches, man gets, in a way, to copy or to imitate some systems of the human body. These researches not only intended to create humanoid robots, great part of them constituting autonomous systems, but also, in some way, to offer a higher knowledge of the systems that form the human body, objectifying possible applications in the technology of rehabilitation of human beings, gathering in a whole studies related not only to Robotics, but also to Biomechanics, Biomimmetics, Cybernetics, among other areas. This book presents a series of researches inspired by this ideal, carried through by various researchers worldwide, looking for to analyze and to discuss diverse subjects related to humanoid robots. The presented contributions explore aspects about robotic hands, learning, language, vision and locomotion

Hebbian Plasticity in CPG Controllers Facilitates Self-Synchronization for Human-Robot Handshaking

It is well-known that human social interactions generate synchrony phenomena which are often unconscious. If the interaction between individuals is based on rhythmic movements, synchronized and coordinated movements will emerge from the social synchrony. This paper proposes a plausible model of plastic neural controllers that allows the emergence of synchronized movements in physical and rhythmical interactions. The controller is designed with central pattern generators (CPG) based on rhythmic Rowat-Selverston neurons endowed with neuronal and synaptic Hebbian plasticity. To demonstrate the interest of the proposed model, the case of handshaking is considered because it is a very common, both physically and socially, but also, a very complex act in the point of view of robotics, neuroscience and psychology. Plastic CPGs controllers are implemented in the joints of a simulated robotic arm that has to learn the frequency and amplitude of an external force applied to its effector, thus reproducing the act of handshaking with a human. Results show that the neural and synaptic Hebbian plasticity are working together leading to a natural and autonomous synchronization between the arm and the external force even if the frequency is changing during the movement. Moreover, a power consumption analysis shows that, by offering emergence of synchronized and coordinated movements, the plasticity mechanisms lead to a significant decrease in the energy spend by the robot actuators thus generating a more adaptive and natural human/robot handshake

CPG-based Controllers can Generate Both Discrete and Rhythmic Movements

International audienceComplex tasks require the combination of both discrete and rhythmic movements. Though scientists do not yet agree on the neural architecture involved in both types and in the transition from one to the other, the importance of having robot controllers able to behave rhythmically and discretely is universally recognized. In this paper, a bio-inspired robot controller based on oscillating neurons is proposed to realize both discrete and rhythmic movements and easily transition from one to the other. It is shown that, under certain parameter conditions, the CPG controller behaves like a PID controller. In order to demonstrate the feasibility of controlling both discrete and rhythmic movements, the CPG is applied to the initiation of handshaking, namely, reach towards the human hand and start to shake it. Results show that this architecture is suitable for both discrete and rhythmic movements and can easily transition from one to the other

The Future of Humanoid Robots

This book provides state of the art scientific and engineering research findings and developments in the field of humanoid robotics and its applications. It is expected that humanoids will change the way we interact with machines, and will have the ability to blend perfectly into an environment already designed for humans. The book contains chapters that aim to discover the future abilities of humanoid robots by presenting a variety of integrated research in various scientific and engineering fields, such as locomotion, perception, adaptive behavior, human-robot interaction, neuroscience and machine learning. The book is designed to be accessible and practical, with an emphasis on useful information to those working in the fields of robotics, cognitive science, artificial intelligence, computational methods and other fields of science directly or indirectly related to the development and usage of future humanoid robots. The editor of the book has extensive R&D experience, patents, and publications in the area of humanoid robotics, and his experience is reflected in editing the content of the book

Comparative Study of Forced Oscillators for the Adaptive Generation of Rhythmic Movements in Robot Controllers

International audienceThe interest of Central Pattern Generators (CPGs) in robot motor coordination is universally recognized so much so that a lot of possibilities on different scales of modeling are nowadays available. While each method obviously has its advantages and drawbacks, some could be more suitable for human-robot interactions. In this paper, we compare three oscillator models: Matsuoka, Hopf and Rowat-Selverston models. These models are integrated to a control architecture for a robotic arm and evaluated in simulation during a simplified handshaking interaction which involves constrained rhythmic movements. Furthermore, Heb-bian plasticity mechanisms are integrated to the Hopf and Rowat-Selverston models which can incorporate such mechanisms, contrary to the Matsuoka. Results show that the Matsuoka oscillator is subpar in all aspects and for the two others, that plasticity improves synchronization and leads to a significant decrease of the power consumption