Chaotic exploration and learning of locomotion behaviours

We present a general and fully dynamic neural system, which exploits intrinsic chaotic dynamics, for the real-time goal-directed exploration and learning of the possible locomotion patterns of an articulated robot of an arbitrary morphology in an unknown environment. The controller is modeled as a network of neural oscillators that are initially coupled only through physical embodiment, and goal-directed exploration of coordinated motor patterns is achieved by chaotic search using adaptive bifurcation. The phase space of the indirectly coupled neural-body-environment system contains multiple transient or permanent self-organized dynamics, each of which is a candidate for a locomotion behavior. The adaptive bifurcation enables the system orbit to wander through various phase-coordinated states, using its intrinsic chaotic dynamics as a driving force, and stabilizes on to one of the states matching the given goal criteria. In order to improve the sustainability of useful transient patterns, sensory homeostasis has been introduced, which results in an increased diversity of motor outputs, thus achieving multiscale exploration. A rhythmic pattern discovered by this process is memorized and sustained by changing the wiring between initially disconnected oscillators using an adaptive synchronization method. Our results show that the novel neurorobotic system is able to create and learn multiple locomotion behaviors for a wide range of body configurations and physical environments and can readapt in realtime after sustaining damage

Evolutionary robotics and neuroscience

No description supplie

Chaotic exploration and learning of locomotor behaviours

Recent developments in the embodied approach to understanding the generation of adaptive behaviour, suggests that the design of adaptive neural circuits for rhythmic motor patterns should not be done in isolation from an appreciation, and indeed exploitation, of neural-body-environment interactions. Utilising spontaneous mutual entrainment between neural systems and physical bodies provides a useful passage to the regions of phase space which are naturally structured by the neuralbody- environmental interactions. A growing body of work has provided evidence that chaotic dynamics can be useful in allowing embodied systems to spontaneously explore potentially useful motor patterns. However, up until now there has been no general integrated neural system that allows goal-directed, online, realtime exploration and capture of motor patterns without recourse to external monitoring, evaluation or training methods. For the first time, we introduce such a system in the form of a fully dynamic neural system, exploiting intrinsic chaotic dynamics, for the exploration and learning of the possible locomotion patterns of an articulated robot of an arbitrary morphology in an unknown environment. The controller is modelled as a network of neural oscillators which are coupled only through physical embodiment, and goal directed exploration of coordinated motor patterns is achieved by a chaotic search using adaptive bifurcation. The phase space of the indirectly coupled neural-body-environment system contains multiple transient or permanent self-organised dynamics each of which is a candidate for a locomotion behaviour. The adaptive bifurcation enables the system orbit to wander through various phase-coordinated states using its intrinsic chaotic dynamics as a driving force and stabilises the system on to one of the states matching the given goal criteria. In order to improve the sustainability of useful transient patterns, sensory homeostasis has been introduced which results in an increased diversity of motor outputs, thus achieving multi-scale exploration. A rhythmic pattern discovered by this process is memorised and sustained by changing the wiring between initially disconnected oscillators using an adaptive synchronisation method. The dynamical nature of the weak coupling through physical embodiment allows this adaptive weight learning to be easily integrated, thus forming a continuous exploration-learning system. Our result shows that the novel neuro-robotic system is able to create and learn a number of emergent locomotion behaviours for a wide range of body configurations and physical environment, and can re-adapt after sustaining damage. The implications and analyses of these results for investigating the generality and limitations of the proposed system are discussed

In silico case studies of compliant robots: AMARSI deliverable 3.3

In the deliverable 3.2 we presented how the morphological computing ap- proach can significantly facilitate the control strategy in several scenarios, e.g. quadruped locomotion, bipedal locomotion and reaching. In particular, the Kitty experimental platform is an example of the use of morphological computation to allow quadruped locomotion. In this deliverable we continue with the simulation studies on the application of the different morphological computation strategies to control a robotic system

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

A Survey on Reservoir Computing and its Interdisciplinary Applications Beyond Traditional Machine Learning

Reservoir computing (RC), first applied to temporal signal processing, is a recurrent neural network in which neurons are randomly connected. Once initialized, the connection strengths remain unchanged. Such a simple structure turns RC into a non-linear dynamical system that maps low-dimensional inputs into a high-dimensional space. The model's rich dynamics, linear separability, and memory capacity then enable a simple linear readout to generate adequate responses for various applications. RC spans areas far beyond machine learning, since it has been shown that the complex dynamics can be realized in various physical hardware implementations and biological devices. This yields greater flexibility and shorter computation time. Moreover, the neuronal responses triggered by the model's dynamics shed light on understanding brain mechanisms that also exploit similar dynamical processes. While the literature on RC is vast and fragmented, here we conduct a unified review of RC's recent developments from machine learning to physics, biology, and neuroscience. We first review the early RC models, and then survey the state-of-the-art models and their applications. We further introduce studies on modeling the brain's mechanisms by RC. Finally, we offer new perspectives on RC development, including reservoir design, coding frameworks unification, physical RC implementations, and interaction between RC, cognitive neuroscience and evolution.Comment: 51 pages, 19 figures, IEEE Acces

Neurobiologically Inspired Control of Engineered Flapping Flight

This article presents a new control approach for engineered flapping flight with many interacting degrees of freedom. This paper explores the applications of neurobiologically inspired control systems in the form of Central Pattern Generators (CPG) to generate wing trajectories for potential flapping flight MAVs. We present a rigorous mathematical and control theoretic framework to design complex three dimensional motions of flapping wings. Most flapping flight demonstrators are mechanically limited in generating the wing trajectories. Because CPGs lend themselves to more biological examples of flight, a novel robotic model has been developed to emulate the flight of bats. This model has shoulder and leg joints totaling 10 degrees of freedom for control of wing properties. Results of wind tunnel experiments and numerical simulation of CPG-based flight control validate the effectiveness of the proposed neurobiologically inspired control approach

Populations of spiking neurons for reservoir computing : closed loop control of a compliant quadruped

Compliant robots can be more versatile than traditional robots, but their control is more complex. The dynamics of compliant bodies can however be turned into an advantage using the physical reservoir computing frame- work. By feeding sensor signals to the reservoir and extracting motor signals from the reservoir, closed loop robot control is possible. Here, we present a novel framework for implementing central pattern generators with spik- ing neural networks to obtain closed loop robot control. Using the FORCE learning paradigm, we train a reservoir of spiking neuron populations to act as a central pattern generator. We demonstrate the learning of predefined gait patterns, speed control and gait transition on a simulated model of a compliant quadrupedal robot