使用视频指定任务是获取新颖和一般机器人技能的强大技术。然而，推理机械和灵巧的互动可以使其挑战规模学习接触的操纵。在这项工作中，我们专注于视觉非预先展示平面操作的问题：给定平面运动中对象的视频，找到再现相同对象运动的联系人感知机器人动作。我们提出了一种新颖的架构，可微分的操纵（\我们）的学习，它通过利用可微分优化和基于有限差分的模拟来将视频解码与接触机械的前沿的视频解码神经模型结合在一起。通过广泛的模拟实验，研究了基于模型的技术与现代深度学习方法之间的相互作用。我们发现，我们的模块化和完全可差的架构比看不见的对象和运动的学习方法更好。 \ url {https://github.com/baceituno/dlm}。
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本文提出了一种使用蒙特卡洛树搜索（MCT）来查找接触序列和有效的基于ADMM的轨迹优化算法的有效方法来进行对象操纵计划，以评估候选接触序列的动态可行性。为了加速MCT，我们提出了一种方法来学习一个目标条件的政策值网络，用于将搜索引导到有前途的节点。此外，操纵特定的启发式方法可以大大减少搜索空间。物理模拟器中的系统对象操纵实验证明了我们方法的效率。特别是，由于学识渊博的政策价值网络，我们的方法对长期操纵序列有利，从而大大提高了计划的成功率。
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在本文中，我们介绍一种方法来自动重建与来自单个RGB视频相互作用的人的3D运动。我们的方法估计人的3D与物体姿势，接触位置和施加在人体上的接触力的姿势。这项工作的主要贡献是三倍。首先，我们介绍一种通过建模触点和相互作用的动态来联合估计人与人的运动和致动力的方法。这是一个大规模的轨迹优化问题。其次，我们开发一种方法来从输入视频自动识别，从输入视频中识别人和物体或地面之间的2D位置和时序，从而显着简化了优化的复杂性。第三，我们在最近的视频+ Mocap数据集上验证了捕获典型的Parkour行动的方法，并在互联网视频的新数据集上展示其表现，显示人们在不受约束的环境中操纵各种工具。
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合并适当的归纳偏差在从数据的学习动态中发挥着关键作用。通过将拉格朗日或哈密顿的动态编码到神经网络架构中，越来越多的工作已经探索了在学习动态中实施节能的方法。这些现有方法基于微分方程，其不允许州中的不连续性，从而限制了一个人可以学习的系统。然而，实际上，大多数物理系统，例如腿机器人和机器人操纵器，涉及联系和碰撞，这在各州引入了不连续性。在本文中，我们介绍了一种可微分的接触型号，可以捕获接触机械：无摩擦/摩擦，以及弹性/无弹性。该模型还可以适应不等式约束，例如关节角度的限制。拟议的联系模式通过允许同时学习联系和系统性质来扩展拉格朗日和哈密顿神经网络的范围。我们在具有不同恢复系数和摩擦系数的一系列具有挑战性的2D和3D物理系统上展示了这一框架。学习的动态可以用作用于下游梯度的优化任务的可分解物理模拟器，例如规划和控制。
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仿真最近已成为深度加强学习，以安全有效地从视觉和预防性投入获取一般和复杂的控制政策的关键。尽管它与环境互动直接关系，但通常认为触觉信息通常不会被认为。在这项工作中，我们展示了一套针对触觉机器人和加强学习量身定制的模拟环境。提供了一种简单且快速的模拟光学触觉传感器的方法，其中高分辨率接触几何形状表示为深度图像。近端策略优化（PPO）用于学习所有考虑任务的成功策略。数据驱动方法能够将实际触觉传感器的当前状态转换为对应的模拟深度图像。此策略在物理机器人上实时控制循环中实现，以演示零拍摄的SIM-TO-REAL策略转移，以触摸感的几个物理交互式任务。
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We present a differentiable formulation of rigid-body contact dynamics for objects and robots represented as compositions of convex primitives. Existing optimization-based approaches simulating contact between convex primitives rely on a bilevel formulation that separates collision detection and contact simulation. These approaches are unreliable in realistic contact simulation scenarios because isolating the collision detection problem introduces contact location non-uniqueness. Our approach combines contact simulation and collision detection into a unified single-level optimization problem. This disambiguates the collision detection problem in a physics-informed manner. Compared to previous differentiable simulation approaches, our formulation features improved simulation robustness and a reduction in computational complexity by more than an order of magnitude. We illustrate the contact and collision differentiability on a robotic manipulation task requiring optimization-through-contact. We provide a numerically efficient implementation of our formulation in the Julia language called Silico.jl.
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布模拟在计算机动画，服装设计和机器人辅助敷料中具有广泛的应用。这项工作提出了一个可区分的布模拟器，其附加梯度信息促进了与布相关的应用。我们可区分的模拟器扩展了基于投影动力学（PD）和干摩擦接触的最先进的布模拟器。我们从以前的工作中汲取灵感，提出了一种快速新颖的方法，用于通过干摩擦接触在基于PD的布模拟中得出梯度。此外，我们对富含接触的布模拟中梯度的实用性进行了全面的分析和评估。最后，我们证明了模拟器在许多下游应用中的功效，包括系统识别，辅助调味料的轨迹优化，闭环控制，逆设计和实际降低SIM转移。我们观察到通过使用我们的梯度信息来求解大多数这些应用程序获得的大幅加速。
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机器人需要在约束环境（例如架子和橱柜）中操纵物体，以帮助人类在房屋和办公室等日常设置中。这些限制因减少掌握能力而变得难以操纵，因此机器人需要使用非忽视策略来利用对象环境联系来执行操纵任务。为了应对在这种情况下规划和控制接触性富裕行为的挑战，该工作使用混合力量速度控制器（HFVC）作为技能表示和计划的技能序列，并使用学到的先决条件进行了计划。尽管HFVC自然能够实现稳健且合规的富裕行为，但合成它们的求解器传统上依赖于精确的对象模型和对物体姿势的闭环反馈，这些反馈因遮挡而在约束环境中很难获得。我们首先使用HFVC综合框架放松了HFVC对精确模型和反馈的需求，然后学习一个基于点云的前提函数，以对HFVC执行仍将成功地进行分类，尽管建模不正确。最后，我们在基于搜索的任务计划者中使用学到的前提来完成货架域中的接触式操纵任务。我们的方法达到了$ 73.2 \％$的任务成功率，表现优于基线实现的$ 51.5 \％$，而没有学习的先决条件。在模拟中训练了前提函数时，它也可以转移到现实世界中，而无需进行其他微调。
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鉴于存在复杂的动力学和大量DOF，由刚性杆和柔性电缆组成的紧张机器人难以准确地建模和控制。最近已经提出了可微分的物理发动机作为数据驱动的方法，用于模型识别此类复杂的机器人系统。这些发动机通常以高频执行以实现准确的模拟。但是，由于现实世界传感器的局限性，通常在如此高的频率下，通常无法在训练可区分发动机的地面真相轨迹。目前的工作着重于此频率不匹配，这会影响建模准确性。我们为紧张的机器人的可区分物理发动机提出了一个经常性结构，即使使用低频轨迹也可以有效地训练。为了以强大的方式训练这款新的经常性引擎，这项工作相对于先前的工作介绍：（i）一种新的隐式集成方案，（ii）渐进式培训管道，以及（iii）可区分的碰撞检查器。 NASA在Mujoco上的Icosahedron Superballbot的模型被用作收集培训数据的地面真实系统。模拟实验表明，一旦对Mujoco的低频轨迹进行了训练，对复发性可区分发动机进行了训练，它就可以匹配Mujoco系统的行为。成功的标准是，是否可以将使用可区分发动机的运动策略传递回地面真相系统，并导致类似的运动。值得注意的是，训练可区分发动机所需的地面真相数据数量，使该政策可以转移到地面真实系统中，是直接在地面真相系统上训练政策所需的数据的1％。
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Figure 1: A five-fingered humanoid hand trained with reinforcement learning manipulating a block from an initial configuration to a goal configuration using vision for sensing.
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这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。
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紧张的机器人由刚性杆和柔性电缆组成，表现出高强度对重的比率和极端变形，使它们能够驾驭非结构化的地形，甚至可以在严酷的冲击力上生存。但是，由于其高维，复杂的动态和耦合体系结构，它们很难控制。基于物理学的仿真是制定运动策略的途径，然后可以将其转移到真实的机器人中，但是建模时态机器人是一项复杂的任务，因此模拟会经历大量的SIM2REAL间隙。为了解决这个问题，本文介绍了台词机器人的真实2SIM2REAL策略。该策略是基于差异物理引擎的，可以在真正的机器人（即离线测量和一个随机轨迹）中进行有限的数据进行训练，并达到足够高的精度以发现可转移的运动策略。除了整体管道之外，这项工作的主要贡献包括在接触点处计算非零梯度，损失函数和轨迹分割技术，该技术避免了训练期间梯度评估的冲突。在实际的3杆张力机器人上证明并评估了所提出的管道。
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在现实世界中，教授多指的灵巧机器人在现实世界中掌握物体，这是一个充满挑战的问题，由于其高维状态和动作空间。我们提出了一个机器人学习系统，该系统可以进行少量的人类示范，并学会掌握在某些被遮挡的观察结果的情况下掌握看不见的物体姿势。我们的系统利用了一个小型运动捕获数据集，并为多指的机器人抓手生成具有多种多样且成功的轨迹的大型数据集。通过添加域随机化，我们表明我们的数据集提供了可以将其转移到策略学习者的强大抓地力轨迹。我们训练一种灵活的抓紧策略，该策略将对象的点云作为输入，并预测连续的动作以从不同初始机器人状态掌握对象。我们在模拟中评估了系统对22多伏的浮动手的有效性，并在现实世界中带有kuka手臂的23多杆Allegro机器人手。从我们的数据集中汲取的政策可以很好地概括在模拟和现实世界中的看不见的对象姿势
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深度学习的兴起导致机器人研究中的范式转变，有利于需要大量数据的方法。在物理平台上生成这样的数据集是昂贵的。因此，最先进的方法在模拟中学习，其中数据生成快速以及廉价并随后将知识转移到真实机器人（SIM-to-Real）。尽管变得越来越真实，但所有模拟器都是基于模型的施工，因此不可避免地不完善。这提出了如何修改模拟器以促进学习机器人控制政策的问题，并克服模拟与现实之间的不匹配，通常称为“现实差距”。我们对机器人学的SIM-Teal研究提供了全面的审查，专注于名为“域随机化”的技术，这是一种从随机仿真学习的方法。
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机器人和与世界相互作用或互动的机器人和智能系统越来越多地被用来自动化各种任务。这些系统完成这些任务的能力取决于构成机器人物理及其传感器物体的机械和电气部件，例如，感知算法感知环境，并计划和控制算法以生产和控制算法来生产和控制算法有意义的行动。因此，通常有必要在设计具体系统时考虑这些组件之间的相互作用。本文探讨了以端到端方式对机器人系统进行任务驱动的合作的工作，同时使用推理或控制算法直接优化了系统的物理组件以进行任务性能。我们首先考虑直接优化基于信标的本地化系统以达到本地化准确性的问题。设计这样的系统涉及将信标放置在整个环境中，并通过传感器读数推断位置。在我们的工作中，我们开发了一种深度学习方法，以直接优化信标的放置和位置推断以达到本地化精度。然后，我们将注意力转移到了由任务驱动的机器人及其控制器优化的相关问题上。在我们的工作中，我们首先提出基于多任务增强学习的数据有效算法。我们的方法通过利用能够在物理设计的空间上概括设计条件的控制器，有效地直接优化了物理设计和控制参数，以直接优化任务性能。然后，我们对此进行跟进，以允许对离散形态参数（例如四肢的数字和配置）进行优化。最后，我们通过探索优化的软机器人的制造和部署来得出结论。
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共处的触觉传感是一种基本的启发技术，用于灵巧操纵。然而，可变形的传感器在机器人，握住的对象和环境之间引入了复杂的动力学，必须考虑进行精细操纵。在这里，我们提出了一种学习软触觉传感器膜动力学的方法，该动力学解释了由握把对象和环境之间的物理相互作用引起的传感器变形。我们的方法将膜的感知3D几何形状与本体感受反应扳手结合在一起，以预测以机器人作用为条件的未来变形。从膜的几何形状和反应扳手中回收了抓握的物体姿势，从触觉观察模型中解耦相互作用动力学。我们在两个现实世界的接触任务上基准了我们的方法：用握把标记和手中旋转的绘画。我们的结果表明，明确建模膜动力学比基准实现了更好的任务性能和对看不见的对象的概括。
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从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。
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我们旨在教机器人通过观看单个视频演示来执行简单的对象操纵任务。为了实现这一目标，我们提出了一种优化方法，该方法输出了一个粗糙且在时间上不断发展的3D场景，以模仿输入视频中所示的动作。与以前的工作相似，可区分的渲染器可确保3D场景和2D视频之间的感知忠诚度。我们的关键新颖性在于包含一种可区分方法来求解一组普通微分方程（ODE），该方程使我们能够近似建模物理定律，例如重力，摩擦，手动对象或对象对象相互作用。这不仅使我们能够显着提高估计的手和物体状态的质量，而且还可以产生可接受的轨迹，这些轨迹可以直接转化为机器人，而无需进行昂贵的强化学习。我们在3D重建任务上评估了我们的方法，该任务由54个视频演示组成，这些视频演示来自9个动作，例如将某物从右到左拉或将某物放在某物前。我们的方法将以前的最先进的方法提高了近30％，在涉及两个物体（例如将某物）的物理互动的特别挑战性的动作上表现出了卓越的质量。最后，我们在Franka Emika Panda机器人上展示了博学的技能。
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2022-05-09
我们探索一种新的方法来感知和操纵3D铰接式物体，该物体可以概括地使机器人阐明看不见的对象。我们提出了一个基于视觉的系统，该系统学会预测各种铰接物体的各个部分的潜在运动，以指导系统的下游运动计划以表达对象。为了预测对象运动，我们训练一个神经网络，以输出一个密集的向量场，代表点云中点云中点的点运动方向。然后，我们根据该向量领域部署一个分析运动计划者，以实现产生最大发音的政策。我们完全在模拟中训练视觉系统，并演示了系统在模拟和现实世界中概括的对象实例和新颖类别的能力，并将我们的政策部署在没有任何填充的锯耶机器人上。结果表明，我们的系统在模拟和现实世界实验中都达到了最先进的性能。
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我们提出了Dojo，这是一种用于机器人技术的可区分物理引擎，优先考虑稳定的模拟，准确的接触物理学以及相对于状态，动作和系统参数的可不同性。Dojo在低样本速率下实现稳定的模拟，并通过使用变异积分器来节省能量和动量。非线性互补性问题，具有用于摩擦的二阶锥体，模型硬接触，并使用自定义的Primal Dual内部点法可靠地解决。使用隐式功能定理利用内点方法的特殊属性，以有效计算通过接触事件提供有用信息的光滑梯度。我们展示了Dojo独特的模拟紧密接触能力，同时提供了许多示例，包括轨迹优化，强化学习和系统识别。
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