基於行為複製與自我學習的自我改進型自主水下機械手臂操作

Conceitos Básicos

AquaBot系統透過行為複製學習人類操作員的技能，並透過自我學習持續優化其策略，最終在水下機械手臂操作任務中超越人類操作員的表現。

Resumo

AquaBot：自我改進型自主水下機械手臂操作

本研究旨在開發一個名為 AquaBot 的系統，該系統能夠學習端到端視覺運動策略，以實現完全自主的水下機械手臂操作，並透過自我學習超越人類遙控操作的效能。

硬體/軟體系統：

以 QYSEA FIFISH V-EVO 水下無人機為基礎，配備六個推進器、一個平行夾爪、一個低延遲防水串流相機和兩個外部相機。
使用軟體 SDK 透過控制盒發送控制訊號並接收本體感覺數據。
外部相機提供機器人定位，內部 IMU 感測器和指南針提供完整的 6 自由度機器人姿態。

行為複製學習機械手臂操作策略：

使用 Xbox 控制器實施遙控操作系統，以收集人類操作不同任務的示範數據。
使用卷積神經網路 (CNN) 作為視覺編碼器，從圖像中提取特徵向量。
使用多層感知器 (MLP) 作為策略網路，根據視覺特徵預測機械手臂動作。
透過行為複製，使用均方誤差損失函數，以人類示範數據訓練視覺運動策略。

自我學習加速策略優化：

利用水下環境的安全性，讓機器人進行自我學習，並透過調整每個控制維度的縮放參數來加速策略，目標是在最短時間內完成操作任務。
採用基於代理模型的優化演算法，學習一個將速度參數映射到獎勵的模型。
使用 ε-greedy 探索策略，在探索階段隨機採樣速度參數，在利用階段使用代理模型優化參數。
透過試錯法，自我學習演算法尋找最佳的速度參數組合，以提高任務執行效率。

Principais Insights Extraídos De

Self-Improving Autonomous Underwater Manipulation

by Ruoshi Liu, ... às arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18969.pdf

Perguntas Mais Profundas

水下環境的哪些具體特性使得 AquaBot 的自我學習方法特別有效？

水下環境的以下特性使得 AquaBot 的自我學習方法特別有效：

安全性: 與陸地環境相比，水下環境提供了一個相對安全的自我學習場域。機器人在水下進行自我探索時，即使出現錯誤或意外，也不太可能造成自身或周圍環境的損壞。這種安全性允許 AquaBot 更自由地嘗試不同的動作和策略，從而加速學習過程。
浮力: 水的浮力抵消了部分重力，使得機器人能夠操控比自身重得多的物體。這一點在「救援搜索」任務中尤為明顯，AquaBot 能夠拖動比自身重近兩倍的物體。浮力特性為 AquaBot 的自我學習提供了更大的探索空間，使其能夠嘗試更廣泛的動作和策略，而這些動作和策略在陸地上可能無法實現。
封閉性: 水下環境通常是一個相對封閉的系統，外部干擾較少。這意味著 AquaBot 在自我學習過程中所收集的數據更加穩定可靠，受外界因素的影響較小。這種數據穩定性有助於提高 AquaBot 自我學習模型的準確性和泛化能力。

如果水下環境中有強大的或不可預測的水流，AquaBot 的效能會如何受到影響？

如果水下環境中有強大的或不可預測的水流，AquaBot 的效能會受到以下幾個方面的影響：

穩定性下降: 強水流會對 AquaBot 的姿態控制造成干擾，使其難以保持穩定，進而影響抓取和操控物體的精度。
軌跡偏移: 不可預測的水流會導致 AquaBot 的運動軌跡偏離預期路線，降低導航和目標定位的準確性。
任務完成時間延長: AquaBot 需要花費更多時間和能量來克服水流的影響，導致任務完成時間延長，效率降低。

為了應對強水流的影響，可以考慮以下改進措施：

增強機器人硬體: 使用更強勁的推進器或設計更符合流體力學的外形，提高 AquaBot 抵抗水流的能力。
優化控制算法: 開發更先進的控制算法，例如自適應控制或魯棒控制，使 AquaBot 能夠更好地適應水流的變化。
引入水流預測: 利用传感器信息或水流模型預測水流的變化趨勢，並將其納入 AquaBot 的運動規劃和控制中，提高其對水流的應對能力。

除了速度之外，還有哪些其他參數可以透過自我學習進行優化，以進一步提高 AquaBot 的效能？

除了速度之外，以下參數也可以透過自我學習進行優化，以進一步提高 AquaBot 的效能：

抓取姿态: AquaBot 可以學習調整机械臂的姿态和角度，以找到最穩定、最省力的抓取方式，提高抓取成功率。
路径规划: AquaBot 可以学习优化路径规划，避开障碍物和强水流区域，以缩短任务完成时间并降低能耗。
力量控制: AquaBot 可以学习在抓取和操控不同材质、不同重量的物体时，使用不同的力度，避免物体滑落或损坏。
视觉识别: AquaBot 可以学习识别更广泛的水下物体，提高目标检测和分类的准确率，从而更好地完成垃圾分类等任务。
多机器人协同: 如果有多个 AquaBot 协同工作，它们可以学习相互配合，例如一个机器人固定物体，另一个机器人进行操作，从而完成更复杂的任务。

总而言之，通过自我学习优化这些参数，可以使 AquaBot 更加智能化、高效化，更好地适应复杂多变的水下环境，完成更多样化的水下任务。