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Adapting Highly-Dynamic Compliant Movements to Changing Environments: A Benchmark Comparison of Reflex- vs. CPG-Based Control Strategies

Schmidt, Annika und Feldotto, Benedikt und Gumpert, Thomas und Seidel, Daniel und Albu-Schäffer, Alin Olimpiu und Stratmann, Philipp (2021) Adapting Highly-Dynamic Compliant Movements to Changing Environments: A Benchmark Comparison of Reflex- vs. CPG-Based Control Strategies. Frontiers in Neurorobotics, 15, Seite 169. Frontiers Media S.A.. doi: 10.3389/fnbot.2021.762431. ISSN 1662-5218.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2021.762431/full

Kurzfassung

To control highly-dynamic compliant motions such as running or hopping, vertebrates rely on reflexes and Central Pattern Generators (CPGs) as core strategies. However, decoding how much each strategy contributes to the control and how they are adjusted under different conditions is still a major challenge. To help solve this question, the present paper provides a comprehensive comparison of reflexes, CPGs and a commonly used combination of the two applied to a biomimetic robot. It leverages recent findings indicating that in mammals both control principles act within a low-dimensional control submanifold. This substantially reduces the search space of parameters and enables the quantifiable comparison of the different control strategies. The chosen metrics are motion stability and energy efficiency, both key aspects for the evolution of the central nervous system. We find that neither for stability nor energy efficiency it is favorable to apply the state-of-the-art approach of a continuously feedback-adapted CPG. In both aspects, a pure reflex is more effective, but the pure CPG allows easy signal alteration when needed. Additionally, the hardware experiments clearly show that the shape of a control signal has a strong influence on energy efficiency, while previous research usually only focused on frequency alignment. Both findings suggest that currently used methods to combine the advantages of reflexes and CPGs can be improved. In future research, possible combinations of the control strategies should be reconsidered, specifically including the modulation of the control signal's shape. For this endeavor, the presented setup provides a valuable benchmark framework to enable the quantitative comparison of different bioinspired control principles.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/147794/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Adapting Highly-Dynamic Compliant Movements to Changing Environments: A Benchmark Comparison of Reflex- vs. CPG-Based Control Strategies
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Schmidt, Annikaannika.schmidt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4718-4201NICHT SPEZIFIZIERT
Feldotto, Benediktfeldotto (at) in.tum.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gumpert, ThomasThomas.Gumpert (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Seidel, Danieldaniel.seidel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2240-3850NICHT SPEZIFIZIERT
Albu-Schäffer, Alin OlimpiuAlin.Albu-Schaeffer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-5343-9074142115887
Stratmann, Philippphilipp.stratmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-6791-9159NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Dezember 2021
Erschienen in:Frontiers in Neurorobotics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:15
DOI:10.3389/fnbot.2021.762431
Seitenbereich:Seite 169
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Knoll, Aloisalois.knoll (at) tum.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Röhrbein, FlorianFlorian.Roehrbein (at) in.tum.dehttps://orcid.org/0000-0002-4709-2673NICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Frontiers Media S.A.
ISSN:1662-5218
Status:veröffentlicht
Stichwörter:robotics, stability, energy efficiency, bioinspired control, feedback, performance metric
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Robotik
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RO - Robotik
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Laufroboter/Lokomotion [RO]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013)
Hinterlegt von: Schmidt, Annika
Hinterlegt am:20 Dez 2021 10:22
Letzte Änderung:11 Sep 2023 13:24

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