The Development of Bio-Inspired Cortical Feature Maps for Robot Sensorimotor Controllers

Full version unavailable due to 3rd party copyright restrictions.This project applies principles from the field of Computational Neuroscience to Robotics research, in particular to develop systems inspired by how nature manages to solve sensorimotor coordination tasks. The overall aim has been to build a self-organising sensorimotor system using biologically inspired techniques based upon human cortical development which can in the future be implemented in neuromorphic hardware. This can then deliver the benefits of low power consumption and real time operation but with flexible learning onboard autonomous robots. A core principle is the Self-Organising Feature Map which is based upon the theory of how 2D maps develop in real cortex to represent complex information from the environment. A framework for developing feature maps for both motor and visual directional selectivity representing eight different directions of motion is described as well as how they can be coupled together to make a basic visuomotor system. In contrast to many previous works which use artificially generated visual inputs (for example, image sequences of oriented moving bars or mathematically generated Gaussian bars) a novel feature of the current work is that the visual input is generated by a DVS 128 silicon retina camera which is a neuromorphic device and produces spike events in a frame-free way. One of the main contributions of this work has been to develop a method of autonomous regulation of the map development process which adapts the learning dependent upon input activity. The main results show that distinct directionally selective maps for both the motor and visual modalities are produced under a range of experimental scenarios. The adaptive learning process successfully controls the rate of learning in both motor and visual map development and is used to indicate when sufficient patterns have been presented, thus avoiding the need to define in advance the quantity and range of training data. The coupling training experiments show that the visual input learns to modulate the original motor map response, creating a new visual-motor topological map.EPSRC, University of Plymouth Graduate Schoo

A modified neural network model for Lobula Giant Movement Detector with additional depth movement feature

The Lobula Giant Movement Detector (LGMD) is a wide-field visual neuron that is located in the Lobula layer of the Locust nervous system. The LGMD increases its firing rate in response to both the velocity of the approaching object and its proximity. It has been found that it can respond to looming stimuli very quickly and can trigger avoidance reactions whenever a rapidly approaching object is detected. It has been successfully applied in visual collision avoidance systems for vehicles and robots. This paper proposes a modified LGMD model that provides additional movement depth direction information. The proposed model retains the simplicity of the previous neural network model, adding only a few new cells. It has been tested on both simulated and recorded video data sets. The experimental results shows that the modified model can very efficiently provide stable information on the depth direction of movement

Finding the Gap:Neuromorphic Motion Vision in Cluttered Environments

Many animals meander in environments and avoid collisions. How the underlying neuronal machinery can yield robust behaviour in a variety of environments remains unclear. In the fly brain, motion-sensitive neurons indicate the presence of nearby objects and directional cues are integrated within an area known as the central complex. Such neuronal machinery, in contrast with the traditional stream-based approach to signal processing, uses an event-based approach, with events occurring when changes are sensed by the animal. Contrary to von Neumann computing architectures, event-based neuromorphic hardware is designed to process information in an asynchronous and distributed manner. Inspired by the fly brain, we model, for the first time, a neuromorphic closed-loop system mimicking essential behaviours observed in flying insects, such as meandering in clutter and gap crossing, which are highly relevant for autonomous vehicles. We implemented our system both in software and on neuromorphic hardware. While moving through an environment, our agent perceives changes in its surroundings and uses this information for collision avoidance. The agent's manoeuvres result from a closed action-perception loop implementing probabilistic decision-making processes. This loop-closure is thought to have driven the development of neural circuitry in biological agents since the Cambrian explosion. In the fundamental quest to understand neural computation in artificial agents, we come closer to understanding and modelling biological intelligence by closing the loop also in neuromorphic systems. As a closed-loop system, our system deepens our understanding of processing in neural networks and computations in biological and artificial systems. With these investigations, we aim to set the foundations for neuromorphic intelligence in the future, moving towards leveraging the full potential of neuromorphic systems.Comment: 7 main pages with two figures, including appendix 26 pages with 14 figure

The importance of space and time in neuromorphic cognitive agents

Artificial neural networks and computational neuroscience models have made tremendous progress, allowing computers to achieve impressive results in artificial intelligence (AI) applications, such as image recognition, natural language processing, or autonomous driving. Despite this remarkable progress, biological neural systems consume orders of magnitude less energy than today's artificial neural networks and are much more agile and adaptive. This efficiency and adaptivity gap is partially explained by the computing substrate of biological neural processing systems that is fundamentally different from the way today's computers are built. Biological systems use in-memory computing elements operating in a massively parallel way rather than time-multiplexed computing units that are reused in a sequential fashion. Moreover, activity of biological neurons follows continuous-time dynamics in real, physical time, instead of operating on discrete temporal cycles abstracted away from real-time. Here, we present neuromorphic processing devices that emulate the biological style of processing by using parallel instances of mixed-signal analog/digital circuits that operate in real time. We argue that this approach brings significant advantages in efficiency of computation. We show examples of embodied neuromorphic agents that use such devices to interact with the environment and exhibit autonomous learning

A modified model for the Lobula Giant Movement Detector and its FPGA implementation

The Lobula Giant Movement Detector (LGMD) is a wide-field visual neuron located in the Lobula layer of the Locust nervous system. The LGMD increases its firing rate in response to both the velocity of an approaching object and the proximity of this object. It has been found that it can respond to looming stimuli very quickly and trigger avoidance reactions. It has been successfully applied in visual collision avoidance systems for vehicles and robots. This paper introduces a modified neural model for LGMD that provides additional depth direction information for the movement. The proposed model retains the simplicity of the previous model by adding only a few new cells. It has been simplified and implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA), taking advantage of the inherent parallelism exhibited by the LGMD, and tested on real-time video streams. Experimental results demonstrate the effectiveness as a fast motion detector

Estudio e implementación de algoritmos de fusión sensorial para sensores pulsantes y clásicos con protocolo AER de comunicación y aplicación en sistemas robóticos neuroinspirados

The objective of this thesis is to analyze, design, simulate and implement a model that follows the principles of the human nervous system when a reaching movement is made. The background of the thesis is the neuromorphic engineering field. This term was first coined in the late eighties by Caver Mead. Its main objective is to develop hardware devices, based on the neuron as the basic unit, to develop a range of tasks such as: decision making, image processing, learning, etc. During the last twenty years, this field of research has gathered a large number of researchers around the world. Spike-based sensors and devices that perform spike processing tasks have been developed. A neuro-inspired controller model based on the classic algorithms VITE and FLETE is proposed in this thesis (specifically, the two algorithms presented are: the VITE model which generates a non-planned trajectory and the FLETE model to generate the forces needed to hold a position reached). The hardware platforms used to implement them are a FPGA and a VLSI multi-chip setup. Then, considering how a reaching movement is performed by humans, these algorithms are translated under the constraints of each hardware device. The constraints are: spike-processing blocks described in VHDL for the FPGA and neurons LIF for the VLSI chips. To reach a successful translation of VITE algorithm under the constraints of the FPGA, a new spike-processing block is designed, simulated and implemented: GO Block. On the other hand, to perform an accurate translation of the VITE algorithm under VLSI requirements, the recent biological advances are studied. Then, a model which implements the co-activation of NMDA channels (this activity is related to the activity detected in the basal ganglia short time before a movement is made) is modeled, simulated and implemented. Once the model is defined for both platforms, it is simulated using the Matlab Simulink environment for FPGA and Brian simulator for VLSI chips. The hardware results of the algorithms translated are presented. The open-loop spike-based VITE (on both platforms) and closed-loop (FPGA) applied and connected to a robotic platform using the AER bus show an excellent behaviour in terms of power and resources consumption. They show also an accurate and precise functioning for reaching and tracking movements when the target is supplied by an AER retina or jAER. Thus, a full neuro-inspired architecture is implemented: from the sensor (retina) to the end effector (robot) going through the neuro-inspired controller designed. An alternative for the SVITE platform is also presented. A random element is added to the neuron model to include variability in the neural response. The results obtained for this variant, show a similar behaviour if a comparison with the deterministic algorithms is made. The possibility to include this pseudo-random controller in noise and / or random environment is demonstrated. Finally, this thesis claims that PFM is the most suitable modulation to drive motors in a neuromorphic hardware environment. It allows supplying the events directly to the motors. Furthermore, it is achieved that the system is not affected by spurious or noisy events. The novel results achieved with the VLSI multi-chip setup, this is the first attempt to control a robotic platform using sub-thresold low-power neurons, intended to set the basis for designing neuro-inspired controllers

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