在可微分模擬中訓練的四足機器人運動策略之真實世界部署

Основні поняття

本文展示了僅在可微分模擬器中訓練的運動策略，可以成功轉移到真實世界的四足機器人上，關鍵在於採用一種結合資訊梯度和物理精度的平滑接觸模型。

Анотація

研究目標：

本研究旨在探討如何將僅在可微分模擬器中訓練的運動策略，成功轉移到真實世界的四足機器人上。

研究方法：

• 研究人員採用一種基於莫羅時間步進方案的模擬器，並修改了用於計算接觸力的高斯-賽德爾算法，以平滑原本的硬接觸模型。
• 他們使用分析平滑接觸模型，該模型結合了硬接觸和軟接觸的優點，提供平滑的優化表面，同時保持物理精度。
• 研究人員採用短時程 Actor-Critic (SHAC) 算法，利用模擬器計算的 FoG 來提高學習效率。
• 為了將學習到的運動策略轉移到 ANYbotics 的 ANYmal D 機器人上，研究人員採用了領域隨機化和學習致動器模型的技術。

主要發現：

• 研究發現，常見的軟接觸和硬接觸模型無法產生可轉移的運動策略。
• 分析平滑接觸模型的使用，使得學習到的平滑步態能夠成功轉移到硬接觸模擬和真實世界的環境中。
• 與 PPO 相比，使用 SHAC 學習所需的樣本數量顯著減少。

主要結論：

• 本研究證明了僅在可微分模擬器中訓練的運動策略，可以成功轉移到真實世界的四足機器人上。
• 分析平滑接觸模型在實現這一目標方面發揮了關鍵作用。
• 未來的工作將側重於深入分析該方法，並通過引入更複雜的地形來增強運動行為。

研究意義：

本研究為機器人運動控制領域做出了貢獻，證明了可微分模擬在訓練可轉移到真實世界機器人的策略方面的潛力。

研究限制和未來方向：

• 使用 FoG 學習運動對物理參數和獎勵函數很敏感。
• 目前的研究僅限於平坦地形，未來將探索更具挑戰性的地形。
• 未來的工作將側重於提高學習效率和運動行為的穩健性。

Статистика

與 PPO 相比，SHAC 學習所需的樣本數量減少了一個數量級以上。

Цитати

"To the best of our knowledge, this is the first time a real quadrupedal robot is able to locomote after training exclusively in a differentiable simulation."
"Nevertheless, learning with SHAC requires significantly fewer samples—over an order of magnitude less—compared to PPO."

Ключові висновки, отримані з

DiffSim2Real: Deploying Quadrupedal Locomotion Policies Purely Trained in Differentiable Simulation

by Joshua Bagaj... о arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.02189.pdf

Глибші Запити

這項研究如何推動機器人在更廣泛的應用領域（例如搜索和救援、探索）中的使用？

這項研究通過解決機器人學習中的關鍵挑戰，即將模擬訓練的策略遷移到現實世界，從而推動機器人在更廣泛應用領域的使用。具體來說：

提高訓練效率: 可微分模擬允許使用分析梯度，相較於傳統基於零階梯度的強化學習方法，顯著提高了樣本效率。這意味著機器人可以在更短的時間內學習複雜的運動技能，例如穿越崎嶇地形或應對意外障礙，這對於搜索和救援、探索等任務至關重要。
增強泛化能力: 研究中使用的分析平滑接觸模型在保持物理精度的同時，提供了更平滑的優化表面。這使得機器人能夠學習更穩健的運動策略，並更好地泛化到現實世界的複雜性和不確定性，例如在搜索和救援場景中遇到的瓦礫堆或在探索任務中遇到的未知地形。
促進基於視覺的學習: 可微分模擬為基於視覺的機器人學習開闢了新的可能性。通過將視覺感知與控制策略的學習相結合，機器人可以更自主地在複雜環境中導航和執行任務，例如在搜索和救援任務中尋找倖存者或在探索任務中識別感興趣的目標。
總之，這項研究通過提高訓練效率、增強泛化能力和促進基於視覺的學習，為機器人在搜索和救援、探索等更廣泛應用領域的使用鋪平了道路。

如果將機器人放置在具有不可預測障礙物的動態環境中，這種方法是否仍然有效？

雖然這項研究展示了可微分模擬在機器人學習中的巨大潛力，但當機器人處於具有不可預測障礙物的動態環境中時，該方法的有效性仍然存在一些挑戰：

對環境變化的適應性: 目前的研究主要集中在訓練機器人在靜態環境中行走。為了應對動態環境，需要進一步研究如何使機器人能夠在線適應環境變化，例如通過實時感知和規劃算法。
處理複雜交互的能力: 現實世界中的動態障礙物可能表現出複雜的動力學行為，例如碰撞、滾動和變形。目前的接觸模型可能無法完全捕捉這些複雜的交互，需要更精確的物理模擬和接觸建模方法。
對抗干擾的魯棒性: 在現實世界中，機器人可能會遇到各種干擾，例如外部衝擊或地面濕滑。需要進一步研究如何提高機器人策略的魯棒性，使其能夠在存在干擾的情況下保持穩定性和可靠性。
總之，雖然目前的方法在處理具有不可預測障礙物的動態環境方面還存在局限性，但可微分模擬的進步為解決這些挑戰提供了有希望的方向。未來的研究可以集中於提高機器人對環境變化的適應性、處理複雜交互的能力以及對抗干擾的魯棒性。

可微分模擬的進步如何促進機器人學習和人工智能的其他領域的發展？

可微分模擬的進步不僅僅局限於機器人學習領域，它也為人工智能的其他領域帶來了新的可能性：

強化學習: 可微分模擬為強化學習算法提供了更豐富、更精確的梯度信息，從而加速學習過程並提高策略性能。這對於解決複雜的控制問題，例如機器人操作、自動駕駛和遊戲AI至關重要。
計算機圖形學: 可微分渲染技術可以通過將渲染過程嵌入到可微分模擬中，實現更逼真的圖像合成和物理效果。這對於電影特效、虛擬現實和增強現實等應用具有重要意義。
機器設計: 可微分模擬可以通過優化設計參數來自動設計具有特定性能的機械系統或機器人。這可以加速設計迭代過程，並探索傳統設計方法難以實現的新穎設計。
科學發現: 可微分模擬可以通過模擬複雜的物理、化學或生物過程，幫助科學家理解現象、驗證假設和發現新的知識。例如，它可以用於模擬分子動力學、流體力學或氣候變化。
總之，可微分模擬作為一種強大的工具，正在推動機器人學習和人工智能的快速發展。它為解決複雜問題、設計新系統和探索未知領域提供了新的途徑，並將繼續在塑造人工智能的未來方面發揮越來越重要的作用。