Control neuromórfico del brazo robótico BIOROB del Citec de la Universidad de Bielefeld

Abstract

Los sistemas neuronales biológicos responden a estímulos de una forma rápida y eficiente en el movimiento motor del cuerpo, comparado con los sistemas robóticos clásicos, los cuales requieren una capacidad de computación mucho más elevada. Una de las claves de estos sistemas es la codificación de la información en el dominio pulsante. Las neuronas se comunican por eventos con pequeños pulsos de corrientes producidas por intercambio de iones entre las dendritas y los axones de las mismas. La configuración en redes de neuronas permite no sólo el procesado de la información sensorial y su procesamiento en el dominio pulsante, sino también la propia actuación sobre los músculos en el formato pulsante. Este trabajo presenta la aplicación de un modelo de control motor basado en el procesado de pulsos, incluyendo la propia actuación sobre motores en el contexto de los pulsos. Se ha desarrollado un sistema de control en lazo cerrado por pulsos, denominado spikebased PID controller para FPGA, el cual se ha integrado en el esqueleto de un robot bioinspirado, BioRob X5 del CITEC de la Universidad de Bielefeld, para su uso en el desarrollo de modelos bioinspirados. El Robot, de más de 1m de largo, permite controlar las posiciones de las articulaciones usando control por pulsos y con un consumo menor de 1A para todos los grados de libertad funcionando al mismo tiempo.

Compared to classic robotics, biological nervous systems respond to stimulus in a fast and efficient way regarding to the body motor movement. Classic robotic systems usually require higher computational capacity. One of the main keys of biological systems respect to robotic machines is the way the information is codded and transmitted. They use spikes. A neuron is the “basic” element that form biological nervous systems. Neurons communicate in an event-driven way through small current pulses (spikes) produced when ions are interchanged between dendrites and axons of different neurons. When neurons are arranged in networks, they allow not only the sensory information processing, but they also allow the actuation over the muscles in a spiking way. This paper presents the application of a motor control model based on spike processing, including the motor actuation in the spike domain. A close-loop control system, called spike-PID controller, has been developed for FPGA. This controller has been embedded into a bioinspired robot, called BioRob X5, at CITEC of the University of Bielefeld during a “Salvador de Madariaga” grant for a research visit in the july-september 2018 term. The robot, longer than 1 meter tall, allows the joint position control through spiking signals with a power consumption bellow 1A for the 4 DoF working at the same time.