GLOVER：適用於任務導向抓取的可泛化開放詞彙示能推理框架

核心概念

GLOVER 框架通過微調大型語言模型，賦予機器人理解自然語言指令並根據任務需求抓取物件特定部位的能力，提升機器人在開放環境中的操作能力。

摘要

本研究論文介紹了一種名為 GLOVER 的新型框架，旨在提升機器人在開放詞彙環境下執行任務導向抓取的能力。GLOVER 結合了視覺和語言資訊，使機器人能夠理解自然語言指令，並準確地抓取物件的特定部位。
研究背景
現有的機器人抓取方法大多依賴於封閉環境下的物件識別和抓取策略，難以適應開放詞彙環境中物件的多樣性和任務的複雜性。為了解決這些問題，GLOVER 框架應運而生。
方法介紹
GLOVER 框架的核心是將大型語言模型（LLM）與視覺資訊相結合，實現可泛化和開放詞彙的示能推理。具體來說，GLOVER 框架包含以下幾個關鍵步驟：

視覺-語言示能資料集構建: 研究人員收集了大量包含人類與物件互動的圖像，並為每個圖像標註了物件類別、動作和可抓取部位等資訊。
多模態示能推理: 利用預先訓練好的 LLM，GLOVER 框架將圖像和語言指令作為輸入，生成一個包含可抓取部位資訊的視覺示能圖。
示能感知抓取估計: 基於視覺示能圖，GLOVER 框架採用一種非參數化的方法來估計機器人抓取器的最佳姿態，確保抓取的準確性和穩定性。

實驗結果
研究人員在多個真實場景中對 GLOVER 框架進行了評估，結果表明 GLOVER 框架在物件識別、示能推理和抓取成功率等方面均優於現有方法。此外，GLOVER 框架還具有較高的計算效率，能夠滿足實時應用的需求。
總結
GLOVER 框架為機器人抓取領域帶來了新的突破，其可泛化和開放詞彙的示能推理能力將推動機器人在更廣泛的領域中得到應用。

统计

GLOVER 在物件部位識別方面達到了 86.0% 的成功率。
GLOVER 在抓取任務中達到了 76.3% 的成功率。
與先前最先進的技術相比，GLOVER 的示能推理速度提高了約 330 倍。
GLOVER 的抓取姿態估計速度提高了約 40 倍。

从中提取的关键见解

GLOVER: Generalizable Open-Vocabulary Affordance Reasoning for Task-Oriented Grasping

by Teli Ma, Zif... 在 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.12286.pdf

更深入的查询

GLOVER 如何應用於更複雜的機器人操作任務，例如多步驟組裝或協作操作？

GLOVER 作為一個基於視覺語言示能推理的框架，具備應用於更複雜機器人操作任務的潛力，例如多步驟組裝或協作操作。以下列舉一些可能的應用方向：

多步驟組裝任務： GLOVER 可以通過將複雜的組裝任務分解成一系列的子任務來實現。每個子任務可以定義為一個獨立的語言指令，例如「拿起螺絲起子」或「將螺絲擰入孔中」。GLOVER 可以根據這些指令推斷出每個步驟所需的示能區域，並規劃機器人的抓取和操作動作。

挑戰： 多步驟任務需要模型具備一定的任務規劃和狀態追蹤能力，例如需要判斷當前步驟是否完成以及下一步應該執行什麼動作。這需要將 GLOVER 與更高層次的任務規劃模組相結合，例如強化學習或基於搜索的規劃方法。

協作操作任務： GLOVER 可以通過識別人類操作者的意圖和動作來實現人機協作。例如，當人類操作者演示一個組裝步驟時，GLOVER 可以觀察人類的手部動作和物件的變化，並學習如何推斷出與該步驟相關的示能區域。

挑戰： 協作操作需要模型能夠理解人類的意圖，這需要更豐富的人類行為數據集和更強大的多模態推理能力。

總而言之，GLOVER 為解決複雜機器人操作任務提供了一個很有前景的框架。但要將其應用於更廣泛的場景，還需要克服一些挑戰，例如多步驟任務規劃、狀態追蹤以及人機協作等方面的問題。

如果訓練數據集中存在偏差，GLOVER 的示能推理結果是否會受到影響？如何減輕這種潛在的偏差？

的確，如果訓練數據集中存在偏差，GLOVER 的示能推理結果會受到影響。例如，如果數據集中主要包含紅色蘋果的抓取示範，那麼 GLOVER 可能會偏向於將紅色區域識別為蘋果的示能區域，而難以正確識別綠色蘋果的示能區域。
以下是一些減輕數據偏差對 GLOVER 影響的方法：

數據增強： 通過對現有數據進行旋轉、缩放、顏色變換等操作，可以擴充數據集的多樣性，降低模型對特定顏色、大小或方向的依賴。

數據平衡： 收集更多包含不同類型物件和場景的數據，確保數據集中各種示能區域的表徵比例均衡，避免模型對特定示能區域產生過擬合。

引入先驗知識： 可以利用外部知識庫或語義網絡，為 GLOVER 提供更豐富的物件屬性和關係信息，例如顏色、材質、功能等。這可以幫助模型更好地理解物件的語義信息，降低對視覺特征的依賴，從而減輕數據偏差帶來的影響。

对抗訓練： 可以使用对抗訓練的方法，生成一些與數據集中偏差樣本相似的樣本，並訓練模型使其對這些樣本的預測更加魯棒。

因果推理： 探索將因果推理引入 GLOVER 的訓練過程中，使模型能夠學習到物件屬性和示能區域之間的因果關係，而不是僅僅學習數據中的統計相關性。

總之，數據偏差是機器學習中一個普遍存在的問題，需要採取多種策略來減輕其對模型性能的影響。對於 GLOVER 而言，數據增強、數據平衡、引入先驗知識、对抗訓練以及因果推理等方法都能夠在一定程度上提高模型的泛化能力和魯棒性。

除了抓取任務，GLOVER 的示能推理能力是否可以應用於其他領域，例如人機交互或虛擬環境中的物件操作？

是的，GLOVER 的示能推理能力不僅限於抓取任務，還可以應用於其他需要理解物件功能和用途的領域，例如：

人機交互:

理解人類指令: GLOVER 可以用於更智能地理解人類的語言指令，例如在智能家居場景中，可以根據「打開窗戶」的指令，不僅識別出窗戶，還能找到窗戶把手的位置並控制其開關。
輔助機器人設計: GLOVER 可以幫助設計更符合人體工程學的機器人和工具，例如通過分析人類如何使用工具，可以設計出更易於抓握和操作的工具把手。

虛擬環境中的物件操作:

增強虛擬助手的能力: 在虛擬現實或增强現實應用中，GLOVER 可以讓虛擬助手更智能地與虛擬環境中的物件進行交互，例如根據用户的語言指令，讓虛擬助手拿起虛擬工具並完成特定的操作。
自動生成動畫: GLOVER 可以用於自動生成更逼真的動畫，例如通過分析人類如何與物件交互，可以自動生成角色與物件交互的動畫，而無需手動調整每個動作。

其他應用:

產品設計: 分析用户如何與產品交互，找到產品設計中不合理的地方，例如難以操作的按鈕或開關。
醫療康復: 幫助醫生和治療師更好地評估患者的運動功能，例如通過分析患者如何抓取和使用物品，可以評估患者的精細運動能力。

總而言之，GLOVER 的示能推理能力具有廣泛的應用前景，可以應用於各種需要理解物件功能和用途的領域，例如人機交互、虛擬環境中的物件操作、產品設計、醫療康復等。隨著技術的進一步發展，相信 GLOVER 將在更多領域發揮重要作用。