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

Novel Artificial Neural Network Application for Prediction of Inverse Kinematics of Robot Manipulator

The robot control problem can be divided into two main areas, kinematics control (the coordination of the links of kinematics chain to produce desire motion of the robot), and dynamic control (driving the actuator of the mechanism to follow the commanded position velocities). In general the control strategies used in robot involves position coordination in Cartesian space by direct or indirect kinematics method. Inverse kinematics comprises the computation need to find the join angles for a given Cartesian position and orientation of the end effectors. This computation is fundamental to control of robot arms but it is very difficult to calculate an inverse kinematics solution of robot manipulator. For this solution most industrial robot arms are designed by using a non-linear algebraic computation to finding the inverse kinematics solution. From the literature it is well described that there is no unique solution for the inverse kinematics. That is why it is significant to apply an artificial neural network models. Here structured artificial neural network (ANN) models an approach has been proposed to control the motion of robot manipulator. In these work two types of ANN models were used. The first kind ANN model is MLP (multi-layer perceptrons) which was famous as back propagation neural network model. In this network gradient descent type of learning rules are applied. The second kind of ANN model is PPN (polynomial poly-processor neural network) where polynomial equation was used. Here, work has been undertaken to find the best ANN configuration for the problem. It was found that between MLP and PPN, MLP gives better result as compared to PPN by considering average percentage error, as the performance index

From locomotion to cognition: Bridging the gap between reactive and cognitive behavior in a quadruped robot

The cognitivistic paradigm, which states that cognition is a result of computation with symbols that represent the world, has been challenged by many. The opponents have primarily criticized the detachment from direct interaction with the world and pointed to some fundamental problems (for instance the symbol grounding problem). Instead, they emphasized the constitutive role of embodied interaction with the environment. This has motivated the advancement of synthetic methodologies: the phenomenon of interest (cognition) can be studied by building and investigating whole brain-body-environment systems. Our work is centered around a compliant quadruped robot equipped with a multimodal sensory set. In a series of case studies, we investigate the structure of the sensorimotor space that the application of different actions in different environments by the robot brings about. Then, we study how the agent can autonomously abstract the regularities that are induced by the different conditions and use them to improve its behavior. The agent is engaged in path integration, terrain discrimination and gait adaptation, and moving target following tasks. The nature of the tasks forces the robot to leave the ``here-and-now'' time scale of simple reactive stimulus-response behaviors and to learn from its experience, thus creating a ``minimally cognitive'' setting. Solutions to these problems are developed by the agent in a bottom-up fashion. The complete scenarios are then used to illuminate the concepts that are believed to lie at the basis of cognition: sensorimotor contingencies, body schema, and forward internal models. Finally, we discuss how the presented solutions are relevant for applications in robotics, in particular in the area of autonomous model acquisition and adaptation, and, in mobile robots, in dead reckoning and traversability detection

System of Terrain Analysis, Energy Estimation and Path Planning for Planetary Exploration by Robot Teams

NASA’s long term plans involve a return to manned moon missions, and eventually sending humans to mars. The focus of this project is the use of autonomous mobile robotics to enhance these endeavors. This research details the creation of a system of terrain classification, energy of traversal estimation and low cost path planning for teams of inexpensive and potentially expendable robots. The first stage of this project was the creation of a model which estimates the energy requirements of the traversal of varying terrain types for a six wheel rocker-bogie rover. The wheel/soil interaction model uses Shibly’s modified Bekker equations and incorporates a new simplified rocker-bogie model for estimating wheel loads. In all but a single trial the relative energy requirements for each soil type were correctly predicted by the model. A path planner for complete coverage intended to minimize energy consumption was designed and tested. It accepts as input terrain maps detailing the energy consumption required to move to each adjacent location. Exploration is performed via a cost function which determines the robot’s next move. This system was successfully tested for multiple robots by means of a shared exploration map. At peak efficiency, the energy consumed by our path planner was only 56% that used by the best case back and forth coverage pattern. After performing a sensitivity analysis of Shibly’s equations to determine which soil parameters most affected energy consumption, a neural network terrain classifier was designed and tested. The terrain classifier defines all traversable terrain as one of three soil types and then assigns an assumed set of soil parameters. The classifier performed well over all, but had some difficulty distinguishing large rocks from sand. This work presents a system which successfully classifies terrain imagery into one of three soil types, assesses the energy requirements of terrain traversal for these soil types and plans efficient paths of complete coverage for the imaged area. While there are further efforts that can be made in all areas, the work achieves its stated goals

A Survey of Robotics Control Based on Learning-Inspired Spiking Neural Networks

Biological intelligence processes information using impulses or spikes, which makes those living creatures able to perceive and act in the real world exceptionally well and outperform state-of-the-art robots in almost every aspect of life. To make up the deficit, emerging hardware technologies and software knowledge in the fields of neuroscience, electronics, and computer science have made it possible to design biologically realistic robots controlled by spiking neural networks (SNNs), inspired by the mechanism of brains. However, a comprehensive review on controlling robots based on SNNs is still missing. In this paper, we survey the developments of the past decade in the field of spiking neural networks for control tasks, with particular focus on the fast emerging robotics-related applications. We first highlight the primary impetuses of SNN-based robotics tasks in terms of speed, energy efficiency, and computation capabilities. We then classify those SNN-based robotic applications according to different learning rules and explicate those learning rules with their corresponding robotic applications. We also briefly present some existing platforms that offer an interaction between SNNs and robotics simulations for exploration and exploitation. Finally, we conclude our survey with a forecast of future challenges and some associated potential research topics in terms of controlling robots based on SNNs

Industrial Robotics

This book covers a wide range of topics relating to advanced industrial robotics, sensors and automation technologies. Although being highly technical and complex in nature, the papers presented in this book represent some of the latest cutting edge technologies and advancements in industrial robotics technology. This book covers topics such as networking, properties of manipulators, forward and inverse robot arm kinematics, motion path-planning, machine vision and many other practical topics too numerous to list here. The authors and editor of this book wish to inspire people, especially young ones, to get involved with robotic and mechatronic engineering technology and to develop new and exciting practical applications, perhaps using the ideas and concepts presented herein

Application of ”ART SIMULATOR” for Manufacturing Similarity Identification in Group Technology Design - Chapter 10

This chapter 10 carried out the exceptional implementation of ART-1 neural network in the analysis of the manufacturing similarity of the cylindrical parts within the group technology design. Established concept of the group technology design begins from the complex part of the group or the group representative. Group representative has all the geometrical elements of the parts in group, and manufacturing procedure may be applied to the machining of any part in the group. The complex part may be realistic or a hypothetical one. The ART-1 artificial neural network provided manufacturing classification according to the geometrical similarities of work-pieces for the group of cylindrical parts. For the manufacturing similarity identification within the group technology design, software package "ART Simulator" is developed and presented in this chapter