Core Hybrid Event-B I: Single Hybrid Event-B machines

Faced with the increasing need for correctly designed hybrid and cyber-physical systems today, the problem of including provision for continuously varying behaviour as well as the usual discrete changes of state is considered in the context of Event-B. An extension of Event-B called Hybrid Event-B is presented, that accommodates continuous behaviours (called pliant events) in between familiar discrete transitions (called mode events in this context). The continuous state change can be specified by a combination of indirect specification via ordinary differential equations, or direct specification via assignment of variables to values that depend on time, or indirect specification by demanding that behaviour obeys a time dependent predicate. The syntactic elements of the extension are discussed, and the semantics is described in terms of the properties of time dependent valuations of variables. Refinement is examined in detail, with reference to the notion of refinement inherited from discrete Event-B. A full suite of proof obligations is presented, covering all aspects of the new framework. A selection of examples and case studies is presented. A particular challenge - bearing in mind the desirability of conforming to existing intuitions about discrete Event-B, and the impact on tool support (as embodied in tools for discrete Event-B like Rodin) - is to design the whole framework so as to disturb as little as possible the existing structures for handling discrete Event-B

Interactive Force Control Based on Multimodal Robot Skin for Physical Human-Robot Collaboration

This work proposes and realizes a control architecture that can support the deployment of a large-scale robot skin in a Human-Robot Collaboration scenario. It is shown, how whole-body tactile feedback can extend the capabilities of robots during dynamic interactions by providing information about multiple contacts across the robot\u27s surface. Specifically, an uncalibrated skin system is used to implement stable force control while simultaneously handling the multi-contact interactions of a user. The system formulates control tasks for force control, tactile guidance, collision avoidance, and compliance, and fuses them with a multi-priority redundancy resolution strategy. The approach is evaluated on an omnidirectional mobile-manipulator with dual arms covered with robot skin. Results are assessed under dynamic conditions, showing that multi-modal tactile information enables robust force control while at the same time remaining responsive to a user\u27s interactions

Implementation of Smart Contracts Using Hybrid Architectures with On- and Off-Blockchain Components

Recently, decentralised (on-blockchain) platforms have emerged to complement centralised (off-blockchain) platforms for the implementation of automated, digital (smart) contracts. However, neither alternative can individually satisfy the requirements of a large class of applications. On-blockchain platforms suffer from scalability, performance, transaction costs and other limitations. Off-blockchain platforms are afflicted by drawbacks due to their dependence on single trusted third parties. We argue that in several application areas, hybrid platforms composed from the integration of on- and off-blockchain platforms are more able to support smart contracts that deliver the desired quality of service (QoS). Hybrid architectures are largely unexplored. To help cover the gap, in this paper we discuss the implementation of smart contracts on hybrid architectures. As a proof of concept, we show how a smart contract can be split and executed partially on an off-blockchain contract compliance checker and partially on the Rinkeby Ethereum network. To test the solution, we expose it to sequences of contractual operations generated mechanically by a contract validator tool.Comment: 12 pages, 7 figure

Sensor Data Fusion for Body State Estimation in a Hexapod Robot With Dynamical Gaits

We report on a hybrid 12-dimensional full body state estimator for a hexapod robot executing a jogging gait in steady state on level terrain with regularly alternating ground contact and aerial phases of motion. We use a repeating sequence of continuous time dynamical models that are switched in and out of an extended Kalman filter to fuse measurements from a novel leg pose sensor and inertial sensors. Our inertial measurement unit supplements the traditionally paired three-axis rate gyro and three-axis accelerometer with a set of three additional three-axis accelerometer suites, thereby providing additional angular acceleration measurement, avoiding the need for localization of the accelerometer at the center of mass on the robot’s body, and simplifying installation and calibration. We implement this estimation procedure offline, using data extracted from numerous repeated runs of the hexapod robot RHex (bearing the appropriate sensor suite) and evaluate its performance with reference to a visual ground-truth measurement system, comparing as well the relative performance of different fusion approaches implemented via different model sequences

Implementation of workflow engine technology to deliver basic clinical decision support functionality

BACKGROUND: Workflow engine technology represents a new class of software with the ability to graphically model step-based knowledge. We present application of this novel technology to the domain of clinical decision support. Successful implementation of decision support within an electronic health record (EHR) remains an unsolved research challenge. Previous research efforts were mostly based on healthcare-specific representation standards and execution engines and did not reach wide adoption. We focus on two challenges in decision support systems: the ability to test decision logic on retrospective data prior prospective deployment and the challenge of user-friendly representation of clinical logic. RESULTS: We present our implementation of a workflow engine technology that addresses the two above-described challenges in delivering clinical decision support. Our system is based on a cross-industry standard of XML (extensible markup language) process definition language (XPDL). The core components of the system are a workflow editor for modeling clinical scenarios and a workflow engine for execution of those scenarios. We demonstrate, with an open-source and publicly available workflow suite, that clinical decision support logic can be executed on retrospective data. The same flowchart-based representation can also function in a prospective mode where the system can be integrated with an EHR system and respond to real-time clinical events. We limit the scope of our implementation to decision support content generation (which can be EHR system vendor independent). We do not focus on supporting complex decision support content delivery mechanisms due to lack of standardization of EHR systems in this area. We present results of our evaluation of the flowchart-based graphical notation as well as architectural evaluation of our implementation using an established evaluation framework for clinical decision support architecture. CONCLUSIONS: We describe an implementation of a free workflow technology software suite (available at http://code.google.com/p/healthflow) and its application in the domain of clinical decision support. Our implementation seamlessly supports clinical logic testing on retrospective data and offers a user-friendly knowledge representation paradigm. With the presented software implementation, we demonstrate that workflow engine technology can provide a decision support platform which evaluates well against an established clinical decision support architecture evaluation framework. Due to cross-industry usage of workflow engine technology, we can expect significant future functionality enhancements that will further improve the technology's capacity to serve as a clinical decision support platform

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