透過視覺語言模型推斷的約束條件，實現開放世界任務和運動規劃

Core Concepts

本文提出了一種名為 OWL-TAMP 的新方法，該方法利用視覺語言模型 (VLM) 為任務和運動規劃 (TAMP) 系統生成約束條件，使其能夠理解和執行開放世界的語言指令，並在模擬和真實機器人環境中進行了實驗驗證。

Abstract

OWL-TAMP：透過視覺語言模型實現開放世界任務和運動規劃

簡介

• 本文旨在結合基礎模型和 TAMP 的優勢，解決開放世界中的長期機器人操控任務，特別是目標詞彙量不受限制的情況。
• 傳統 TAMP 系統難以處理開放世界概念，而純粹的 VLM 系統則難以預測實現目標所需的完整機器人運動。
• 本文提出的 OWL-TAMP 方法透過約束條件將 TAMP 系統的離散-連續規劃與 VLM 的常識推理相結合。

方法

• OWL-TAMP 利用 VLM 生成離散和連續的語言參數化約束條件，使 TAMP 能夠推理開放世界概念。
• VLM 首先將目標描述轉換為對可達文字的邏輯公式，或創建約束 TAMP 解空間的部分計劃。
• 然後，VLM 生成函數，作為對 TAMP 問題中連續變量集的測試，例如確保機器人抓取物體的姿態正確。
• 為了提高準確性，OWL-TAMP 使用模擬器迭代地改進生成的函數，直到收斂。

實驗結果

• 在模擬環境中，OWL-TAMP 在草莓放置和馬克杯翻轉任務中取得了最高的成功率。
• 與純粹的 TAMP 和 VLM 基線相比，OWL-TAMP 表現更出色，證明了結合兩種方法的優勢。
• 在真實機器人實驗中，OWL-TAMP 成功完成了 10 項不同的操作任務，驗證了其在真實世界場景中的適用性。

結論

• OWL-TAMP 是一種透過約束條件生成將開放世界概念整合到 TAMP 系統中的有效方法。
• 未來的研究方向包括微調 VLM 以適應機器人操作任務，並擴展系統以處理更複雜的操作。

Stats

在模擬的 RAVENS-YCB 操作環境中，對三個任務進行了 5 次隨機初始化的實驗。
真實機器人實驗中嘗試了 10 個不同的任務。

Quotes

“我們的關鍵見解是，我們可以透過約束條件將 TAMP 系統的離散-連續規劃與 VLM 的常識推理相結合。”
“我們提出 OWL-TAMP（基於開放世界語言的 TAMP），這是一種透過約束條件生成將開放世界概念整合到具有傳統機器人操作和約束條件的 TAMP 系統中的方法。”

Key Insights Distilled From

Open-World Task and Motion Planning via Vision-Language Model Inferred Constraints

by Nishanth Kum... at arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08253.pdf

Deeper Inquiries

如何將 OWL-TAMP 擴展到更複雜的任務，例如涉及多個機器人的協作任務？

將 OWL-TAMP 擴展到多機器人協作任務是一個值得探討的研究方向，主要挑戰和解決思路如下：
挑戰：

狀態空間爆炸： 多機器人系統的狀態空間隨機器人數量呈指數級增長，這對 TAMP 系統的搜索效率提出了巨大挑戰。
約束複雜性： 多機器人協作需要考慮機器人之間的碰撞避免、任務分配、時序同步等複雜約束，如何有效地建模和求解這些約束是難點。
VLM 推理： VLM 需要理解多機器人場景下的自然語言指令，並生成針對每個機器人的動作約束，這需要更強大的 VLM 推理能力。

解決思路：

分層規劃： 可以採用分層規劃的思想，將複雜的多機器人任務分解成多個子任務，每個子任務由一個或多個機器人協作完成。
分佈式規劃： 可以將規劃問題分解成多個子問題，每個機器人負責求解自己的子問題，並通過信息交互協調彼此的行動。
約束分解： 可以將複雜的約束分解成多個簡單約束，分別進行處理，例如使用分佈式約束優化算法。
多智能體強化學習： 可以利用多智能體強化學習算法，訓練機器人在複雜環境中協作完成任務。

針對 VLM：

多智能體 VLM： 可以探索使用多智能體 VLM，每個 VLM 控制一個機器人，並通過 VLM 之間的交互實現協作。
圖神經網絡增強 VLM： 可以使用圖神經網絡來增強 VLM 對多機器人場景的理解能力，例如將機器人之间的关系编码到图中。

總之，將 OWL-TAMP 擴展到多機器人協作任務需要克服許多挑戰，但通過結合分層規劃、分佈式規劃、約束分解等技術，以及更強大的 VLM 推理能力，我們有望實現這一目標。

如果 VLM 生成的約束條件存在偏差或錯誤，OWL-TAMP 如何保證規劃結果的安全性？

VLM 生成的約束條件存在偏差或錯誤確實會影響 OWL-TAMP 的安全性，為此，需要採取以下措施：

約束驗證： 在將 VLM 生成的約束條件應用於 TAMP 系統之前，需要進行嚴格的驗證，例如：

語義檢查： 檢查生成的約束條件是否符合自然語言指令的語義。
邏輯一致性檢查： 檢查生成的約束條件之間是否存在邏輯衝突。
仿真測試： 在仿真環境中測試生成的約束條件，觀察機器人行為是否符合預期。

約束修復： 如果發現 VLM 生成的約束條件存在問題，需要進行修復，例如：

人工干預： 由人工專家對生成的約束條件進行修正。
基於規則的修復： 利用預先定義的規則對常見的錯誤模式進行自動修復。
基於學習的修復： 訓練一個模型，學習如何根據錯誤信息自動修復約束條件。

安全備份： 即使經過驗證和修復，也不能完全排除 VLM 生成錯誤約束條件的可能性，因此需要設置安全備份機制，例如：

碰撞檢測： 在機器人執行任務過程中，實時監測碰撞情況，并在必要時停止機器人動作。
緊急停止： 為機器人設置緊急停止按鈕，以便在出現意外情況時立即停止機器人。

迭代優化： 可以通過迭代優化的方式，逐步提高 VLM 生成約束條件的準確性和安全性，例如：

數據增強： 收集更多樣本數據，用於訓練 VLM。
模型微調： 使用特定任務的數據對 VLM 進行微調，提高其在該任務上的表現。
人機交互： 利用人機交互的方式，讓人類專家參與到約束條件的生成和驗證過程中。

總之，OWL-TAMP 需要結合多種方法來應對 VLM 生成錯誤約束條件帶來的安全挑戰，通過約束驗證、約束修復、安全備份和迭代優化等措施，可以有效提高系統的安全性。

本文提出的方法是否可以啟發其他領域的研究，例如將自然語言指令转换为可执行代码？

是的，OWL-TAMP 的方法可以啟發其他領域的研究，特別是將自然語言指令轉換為可執行代碼方面。
OWL-TAMP 的核心思想是利用 VLM 將自然語言指令轉換為約束條件，然後利用傳統的規劃算法求解滿足約束條件的動作序列。 這種方法可以應用於任何需要將自然語言指令轉換為可執行指令的領域，例如：

软件开发： 可以利用 VLM 将自然语言需求描述转换为代码，例如生成数据库查询语句、API 调用代码等。
机器人控制： 可以利用 VLM 将自然语言指令转换为机器人控制指令，例如控制机器人在工厂中搬运货物、在家中打扫卫生等。
智能家居： 可以利用 VLM 将自然语言指令转换为智能家居设备的控制指令，例如控制灯光、空调、电视等。
数据库查询： 可以利用 VLM 将自然语言问题转换为数据库查询语句，例如查询某个产品的价格、某个人的联系方式等。
OWL-TAMP 的方法为将自然语言指令转换为可执行代码提供了一种新的思路，其优势在于：

可以处理更复杂的自然语言指令： VLM 可以理解自然语言的语义，并将其转换为结构化的约束条件，从而处理更复杂的指令。
可以生成更可靠的代码： 傳統的规划算法可以保证生成的代码满足约束条件，从而提高代码的可靠性。
当然，将 OWL-TAMP 的方法应用于其他领域也面临一些挑战：

需要构建特定领域的知识库： VLM 需要学习特定领域的知识，才能将自然语言指令转换为该领域的代码。
需要设计合适的约束条件： 约束条件的设计需要考虑领域的特性，才能保证生成的代码符合预期。
总而言之，OWL-TAMP 的方法为将自然语言指令转换为可执行代码提供了一种很有前景的思路，可以启发其他领域的研究，并推动相关技术的进步。