六脚歩行時のオンライン操作のための柔軟なスパイク型CPG

Flexible Spiking CPGs for Online Manipulation During Hexapod Walking.

• Beck Strohmer
• Poramate Manoonpong
• Leon Bonde Larsen

抄録

歩行のための神経信号は、ニューラルネットワークのアーキテクチャと感覚入力の両方に影響を受けており、環境に合わせて歩行を調整し、適応させています。適応は、外部刺激に反応して、センサ運動ループ内の信号の振幅、周波数、位相を変化させる能力に依存しています。しかし、閉ループ制御の実験を行うためには、まず、システムのダイナミクスと適応の仕組みをよりよく理解する必要があります。生物学的知見に基づいて、振幅、周波数、位相をオンラインで連続的に変化させることができるスパイク型ニューラルネットワークを開発しました。開発したネットワークを六足歩行ロボットに展開し、歩行行動を観察する。このネットワークの形態とパラメータにより、三脚歩行が可能となり、求心性フィードバックのない設計でも安定した歩行を維持できることが実証されました。これは、非親和性のサンプルが三脚のような歩行を示すという生物学的な結果に匹敵するものであり、ネットワークのトポロジーが運動における重要な役割を果たしていることを示す証拠となりました。さらに、この研究は、歩行タイプの適応における感覚フィードバックと高レベルの制御信号の役割を研究することを可能にします。運動の神経制御をよりよく理解することは、生物学に関連しており、現在のところ生きた昆虫では検証できない理論の証拠を提供することができます。

Neural signals for locomotion are influenced both by the neural network architecture and sensory inputs coordinating and adapting the gait to the environment. Adaptation relies on the ability to change amplitude, frequency, and phase of the signals within the sensorimotor loop in response to external stimuli. However, in order to experiment with closed-loop control, we first need a better understanding of the dynamics of the system and how adaptation works. Based on insights from biology, we developed a spiking neural network capable of continuously changing amplitude, frequency, and phase online. The resulting network is deployed on a hexapod robot in order to observe the walking behavior. The morphology and parameters of the network results in a tripod gait, demonstrating that a design without afferent feedback is sufficient to maintain a stable gait. This is comparable to results from biology showing that deafferented samples exhibit a tripod-like gait and adds to the evidence for a meaningful role of network topology in locomotion. Further, this work enables research into the role of sensory feedback and high-level control signals in the adaptation of gait types. A better understanding of the neural control of locomotion relates back to biology where it can provide evidence for theories that are currently not testable on live insects.

Copyright © 2020 Strohmer, Manoonpong and Larsen.