持續自主學習的移動操縱

Centrala begrepp

我們提出了一個完全自主的真實世界強化學習框架,使移動操縱機器人能夠在最小人工干預的情況下學習各種任務。這是通過1)任務相關自主性,引導探索朝向物體交互並防止陷入目標狀態附近,2)利用基本任務知識的行為先驗來提高政策學習效率,以及3)結合人類可解釋的語義信息和低層次的細粒度觀測來制定通用獎勵來實現的。

Sammanfattning

本文提出了一個完全自主的真實世界強化學習框架,使移動操縱機器人能夠在最小人工干預的情況下學習各種任務。

首先,通過引導探索朝向物體交互並防止陷入目標狀態附近的"任務相關自主性"來確保收集有用的學習數據。

其次,通過利用基本任務知識的行為先驗來提高政策學習的效率。這些先驗可以是具有簡化模型的規劃器,或者是自動生成的運動。

最後,通過結合人類可解釋的語義信息(如物體檢測和分割)和低層次的細粒度觀測(如深度)來制定通用獎勵,以實現靈活的獎勵監督。

我們的實驗表明,這種方法使Spot機器人能夠在4個具有挑戰性的移動操縱任務上持續提高性能,平均成功率達到80%,比單獨使用先驗或強化學習提高3-4倍。

Statistik

移動椅子到角落桌子的目標位置需要最小-2的平均獎勵。
移動椅子到中間桌子的目標位置需要最小-1的平均獎勵。
長柄塵畚箕需要垂直平衡,以保持直立。
將紙袋掃到目標區域需要最小-4的平均獎勵。

Citat

"我們提出了一個完全自主的真實世界強化學習框架,使移動操縱機器人能夠在最小人工干預的情況下學習各種任務。"
"通過引導探索朝向物體交互並防止陷入目標狀態附近的'任務相關自主性'來確保收集有用的學習數據。"
"通過結合人類可解釋的語義信息和低層次的細粒度觀測來制定通用獎勵,以實現靈活的獎勵監督。"

Viktiga insikter från

Continuously Improving Mobile Manipulation with Autonomous Real-World RL

by Russell Mend... på arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.20568.pdf

Djupare frågor

如何在更加開放和無結構的環境中擴展這種自主學習方法?

要在更加開放和無結構的環境中擴展自主學習方法，可以考慮以下幾個策略：

增強感知能力：在無結構環境中，機器人需要更強的感知能力來識別和理解周圍的物體和障礙物。可以利用先進的視覺模型，如開放詞彙檢測模型（例如Detic），來提高對不同物體的識別能力，並結合深度感測器來獲取更準確的環境信息。

自我導航與探索：在開放環境中，機器人應具備自主導航的能力。可以使用增強學習（RL）來訓練機器人進行有效的路徑規劃，並利用地圖生成技術（如RRT*算法）來避免碰撞，從而安全地探索未知區域。

高層次任務規劃：在無結構環境中，機器人需要能夠進行高層次的任務規劃。這可以通過結合行為先驗和強化學習來實現，讓機器人能夠根據當前環境狀況自動調整其行為策略。

多機器人協作：在開放環境中，使用多個機器人協同工作可以提高任務的效率和成功率。透過設計多機器人系統，機器人可以共享信息和資源，並協同完成複雜的任務。

持續學習與適應：機器人應具備持續學習的能力，能夠根據新獲得的經驗不斷調整其策略。這可以通過在線學習和自我監督的方式來實現，讓機器人能夠在實際操作中不斷改進其性能。

如何將這種方法應用於需要更高層次推理和規劃的任務?

將這種自主學習方法應用於需要更高層次推理和規劃的任務，可以考慮以下幾個方面：

結合語言模型：利用大型語言模型來進行任務描述和目標設定，機器人可以根據自然語言指令進行高層次的推理和規劃。這樣的結合可以使機器人更好地理解任務需求，並制定相應的行動計劃。

多層次行為規劃：在高層次推理的基礎上，設計多層次的行為規劃系統。這可以包括高層次的策略規劃（如任務分解）和低層次的運動控制（如具體的操作行為），使機器人能夠在複雜環境中有效執行任務。

模擬與實驗：在實際應用之前，通過模擬環境進行大量的實驗，讓機器人學習如何在不同情境下進行推理和規劃。這樣可以減少在真實環境中出現的錯誤，並提高學習效率。

強化學習與規則基礎的結合：將強化學習與基於規則的系統結合，讓機器人在面對不確定性時能夠根據既定規則進行推理，並在此基礎上進行探索和學習。

持續的反饋機制：設計一個持續的反饋機制，讓機器人在執行任務的過程中不斷獲取反饋，並根據反饋調整其推理和規劃策略，從而提高任務的成功率。

這種方法是否可以應用於其他機器人系統,如無人機或自動駕駛汽車?

是的，這種自主學習方法可以應用於其他機器人系統，如無人機和自動駕駛汽車，具體應用如下：

無人機：無人機可以利用這種方法進行自主導航和物體識別。通過結合強化學習和行為先驗，無人機能夠在複雜的空中環境中進行自主飛行，並執行如拍攝、監控或運輸等任務。

自動駕駛汽車：自動駕駛汽車可以利用這種方法進行路徑規劃和行為決策。通過持續學習，汽車能夠根據交通情況和環境變化不斷調整其行駛策略，提高行駛安全性和效率。

多機器人協作：在無人機和自動駕駛汽車的應用中，這種方法可以促進多機器人系統的協作，讓不同類型的機器人之間共享信息和資源，協同完成複雜任務。

靈活的任務適應：這種方法的靈活性使得無人機和自動駕駛汽車能夠快速適應不同的任務需求，無論是運輸貨物、進行搜索和救援，還是執行環境監測等任務。

增強的感知與決策能力：通過結合先進的感知技術和強化學習，無人機和自動駕駛汽車能夠在動態環境中做出更快的反應，並進行更準確的決策，從而提高其操作的安全性和效率。

總之，這種自主學習方法的核心理念和技術可以廣泛應用於各種機器人系統，促進其在複雜環境中的自主操作和任務執行。