Representation and control of coordinated-motion tasks for human-robot systems

It is challenging for robots to perform various tasks in a human environment. This is because many human-centered tasks require coordination in both hands and may often involve cooperation with another human. Although human-centered tasks require different types of coordinated movements, most of the existing methodologies have focused only on specific types of coordination. This thesis aims at the description and control of coordinated-motion tasks for human-robot systems; i.e., humanoid robots as well as multi-robot and human-robot systems. First, for bimanually coordinated-motion tasks in dual-manipulator systems, we propose the Extended-Cooperative-Task-Space (ECTS) representation, which extends the existing Cooperative-Task-Space (CTS) representation based on the kinematic models for human bimanual movements in Biomechanics. The proposed ECTS representation can represent the whole spectrum of dual-arm motion/force coordination using two sets of ECTS motion/force variables in a unified manner. The type of coordination can be easily chosen by two meaningful coefficients, and during coordinated-motion tasks, each set of variables directly describes two different aspects of coordinated motion and force behaviors. Thus, the operator can specify coordinated-motion/force tasks more intuitively in high-level descriptions, and the specified tasks can be easily reused in other situations with greater flexibility. Moreover, we present consistent procedures of using the ECTS representation for task specifications in the upper-body and lower-body subsystems of humanoid robots in order to perform manipulation and locomotion tasks, respectively. Besides, we propose and discuss performance indices derived based on the ECTS representation, which can be used to evaluate and optimize the performance of any type of dual-arm manipulation tasks. We show that using the ECTS representation for specifying both dual-arm manipulation and biped locomotion tasks can greatly simplify the motion planning process, allowing the operator to focus on high-level descriptions of those tasks. Both upper-body and lower-body task specifications are demonstrated by specifying whole-body task examples on a Hubo II+ robot carrying out dual-arm manipulation as well as biped locomotion tasks in a simulation environment. We also present the results from experiments on a dual-arm robot (Baxter) for teleoperating various types of coordinated-motion tasks using a single 6D mouse interface. The specified upper- and lower-body tasks can be considered as coordinated motions with constraints. In order to express various constraints imposed across the whole-body, we discuss the modeling of whole-body structure and the computations for robotic systems having multiple kinematic chains. Then we present a whole-body controller formulated as a quadratic programming, which can take different types of constraints into account in a prioritized manner. We validate the whole-body controller based on the simulation results on a Hubo II+ robot performing specified whole-body task examples with a number of motion and force constraints as well as actuation limits. Lastly, we discuss an extension of the ECTS representation, called Hierarchical Extended-Cooperative-Task Space (H-ECTS) framework, which uses tree-structured graphical representations for coordinated-motion tasks of multi-robot and human-robot systems. The H-ECTS framework is validated by experimental results on two Baxter robots cooperating with each other as well as with an additional human partner

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

MOTION CONTROL SIMULATION OF A HEXAPOD ROBOT

This thesis addresses hexapod robot motion control. Insect morphology and locomotion patterns inform the design of a robotic model, and motion control is achieved via trajectory planning and bio-inspired principles. Additionally, deep learning and multi-agent reinforcement learning are employed to train the robot motion control strategy with leg coordination achieves using a multi-agent deep reinforcement learning framework. The thesis makes the following contributions: First, research on legged robots is synthesized, with a focus on hexapod robot motion control. Insect anatomy analysis informs the hexagonal robot body and three-joint single robotic leg design, which is assembled using SolidWorks. Different gaits are studied and compared, and robot leg kinematics are derived and experimentally verified, culminating in a three-legged gait for motion control. Second, an animal-inspired approach employs a central pattern generator (CPG) control unit based on the Hopf oscillator, facilitating robot motion control in complex environments such as stable walking and climbing. The robot\u27s motion process is quantitatively evaluated in terms of displacement change and body pitch angle. Third, a value function decomposition algorithm, QPLEX, is applied to hexapod robot motion control. The QPLEX architecture treats each leg as a separate agent with local control modules, that are trained using reinforcement learning. QPLEX outperforms decentralized approaches, achieving coordinated rhythmic gaits and increased robustness on uneven terrain. The significant of terrain curriculum learning is assessed, with QPLEX demonstrating superior stability and faster consequence. The foot-end trajectory planning method enables robot motion control through inverse kinematic solutions but has limited generalization capabilities for diverse terrains. The animal-inspired CPG-based method offers a versatile control strategy but is constrained to core aspects. In contrast, the multi-agent deep reinforcement learning-based approach affords adaptable motion strategy adjustments, rendering it a superior control policy. These methods can be combined to develop a customized robot motion control policy for specific scenarios

3D locomotion biomimetic robot fish with haptic feedback

This thesis developed a biomimetic robot fish and built a novel haptic robot fish system based on the kinematic modelling and three-dimentional computational fluid dynamic (CFD) hydrodynamic analysis. The most important contribution is the successful CFD simulation of the robot fish, supporting users in understanding the hydrodynamic properties around it

System Identification of Bipedal Locomotion in Robots and Humans

The ability to perform a healthy walking gait can be altered in numerous cases due to gait disorder related pathologies. The latter could lead to partial or complete mobility loss, which affects the patients’ quality of life. Wearable exoskeletons and active prosthetics have been considered as a key component to remedy this mobility loss. The control of such devices knows numerous challenges that are yet to be addressed. As opposed to fixed trajectories control, real-time adaptive reference generation control is likely to provide the wearer with more intent control over the powered device. We propose a novel gait pattern generator for the control of such devices, taking advantage of the inter-joint coordination in the human gait. Our proposed method puts the user in the control loop as it maps the motion of healthy limbs to that of the affected one. To design such control strategy, it is critical to understand the dynamics behind bipedal walking. We begin by studying the simple compass gait walker. We examine the well-known Virtual Constraints method of controlling bipedal robots in the image of the compass gait. In addition, we provide both the mechanical and control design of an affordable research platform for bipedal dynamic walking. We then extend the concept of virtual constraints to human locomotion, where we investigate the accuracy of predicting lower limb joints angular position and velocity from the motion of the other limbs. Data from nine healthy subjects performing specific locomotion tasks were collected and are made available online. A successful prediction of the hip, knee, and ankle joints was achieved in different scenarios. It was also found that the motion of the cane alone has sufficient information to help predict good trajectories for the lower limb in stairs ascent. Better estimates were obtained using additional information from arm joints. We also explored the prediction of knee and ankle trajectories from the motion of the hip joints

CAJun: Continuous Adaptive Jumping using a Learned Centroidal Controller

We present CAJun, a novel hierarchical learning and control framework that enables legged robots to jump continuously with adaptive jumping distances. CAJun consists of a high-level centroidal policy and a low-level leg controller. In particular, we use reinforcement learning (RL) to train the centroidal policy, which specifies the gait timing, base velocity, and swing foot position for the leg controller. The leg controller optimizes motor commands for the swing and stance legs according to the gait timing to track the swing foot target and base velocity commands using optimal control. Additionally, we reformulate the stance leg optimizer in the leg controller to speed up policy training by an order of magnitude. Our system combines the versatility of learning with the robustness of optimal control. By combining RL with optimal control methods, our system achieves the versatility of learning while enjoys the robustness from control methods, making it easily transferable to real robots. We show that after 20 minutes of training on a single GPU, CAJun can achieve continuous, long jumps with adaptive distances on a Go1 robot with small sim-to-real gaps. Moreover, the robot can jump across gaps with a maximum width of 70cm, which is over 40% wider than existing methods.Comment: Please visit https://yxyang.github.io/cajun/ for additional result

Toward a computational theory for motion understanding: The expert animators model

Artificial intelligence researchers claim to understand some aspect of human intelligence when their model is able to emulate it. In the context of computer graphics, the ability to go from motion representation to convincing animation should accordingly be treated not simply as a trick for computer graphics programmers but as important epistemological and methodological goal. In this paper we investigate a unifying model for animating a group of articulated bodies such as humans and robots in a three-dimensional environment. The proposed model is considered in the framework of knowledge representation and processing, with special reference to motion knowledge. The model is meant to help setting the basis for a computational theory for motion understanding applied to articulated bodies

Shimyureta to jikki o mochiita haiburiddo-gata kikai gakushuho ni kansuru kenkyu

制度:新 ; 報告番号:甲2816号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2009/2/25 ; 早大学位記番号:新503