Solving real-world sequential manipulation tasks requires robots to have a repertoire of skills applicable to a wide range of circumstances. To acquire such skills using data-driven approaches, we need massive and diverse training data which is often labor-intensive and non-trivial to collect and curate. In this work, we introduce Active Task Randomization (ATR), an approach that learns visuomotor skills for sequential manipulation by automatically creating feasible and novel tasks in simulation. During training, our approach procedurally generates tasks using a graph-based task parameterization. To adaptively estimate the feasibility and novelty of sampled tasks, we develop a relational neural network that maps each task parameter into a compact embedding. We demonstrate that our approach can automatically create suitable tasks for efficiently training the skill policies to handle diverse scenarios with a variety of objects. We evaluate our method on simulated and real-world sequential manipulation tasks by composing the learned skills using a task planner. Compared to baseline methods, the skills learned using our approach consistently achieve better success rates.

Robot learning provides a number of ways to teach robots simple skills, such as grasping. However, these skills are usually trained in open, clutter-free environments, and therefore would likely cause undesirable collisions in more complex, cluttered environments. In this work, we introduce an affordance model based on a graph representation of an environment, which is optimised during deployment to find suitable robot configurations to start a skill from, such that the skill can be executed without any collisions. We demonstrate that our method can generalise a priori acquired skills to previously unseen cluttered and constrained environments, in simulation and in the real world, for both a grasping and a placing task.

在本文中，我们研究了可以从原始图像中学习低级技能的曲目的问题，这些曲目可以测序以完成长效的视觉运动任务。强化学习（RL）是一种自主获取短疗法技能的有前途的方法。但是，RL算法的重点很大程度上是这些个人技能的成功，而不是学习和扎根大量的技能曲目，这些技能可以对这些技能进行测序，这些技能可以对完成扩展的多阶段任务进行测序。后者需要稳健性和持久性，因为技能的错误会随着时间的流逝而复杂，并且可能要求机器人在其曲目中具有许多原始技能，而不仅仅是一个。为此，我们介绍了Ember，Ember是一种基于模型的RL方法，用于学习原始技能，适合完成长途视觉运动任务。 Ember使用学识渊博的模型，评论家和成功分类器学习和计划，成功分类器既可以作为RL的奖励功能，又是一种基础机制，可连续检测机器人在失败或扰动下是否应重试技能。此外，学到的模型是任务不合时宜的，并使用来自所有技能的数据进行了培训，从而使机器人能够有效地学习许多不同的原语。这些视觉运动原始技能及其相关的前后条件可以直接与现成的符号计划者结合在一起，以完成长途任务。在Franka Emika机器人部门上，我们发现Ember使机器人能够以85％的成功率完成三个长马视觉运动任务，例如组织办公桌，文件柜和抽屉，需要排序多达12个技能，这些技能最多需要12个技能，涉及14个独特的学识渊博，并要求对新物体进行概括。

6D在杂乱的场景中抓住是机器人操纵中的长期存在。由于状态估计不准确，开环操作管道可能会失败，而大多数端到端的掌握方法尚未缩放到具有障碍物的复杂场景。在这项工作中，我们提出了一种新的杂乱场景掌握的最终学习方法。我们的分层框架基于部分点云观测学习无碰撞目标驱动的抓取性。我们学习嵌入空间来编码培训期间的专家掌握计划和一个变形式自动化器，以在测试时间上采样不同的抓握轨迹。此外，我们培训批评网络的计划选择和选项分类器，用于通过分层加强学习切换到实例掌握策略。我们评估我们的方法并与仿真中的几个基线进行比较，并证明我们的潜在规划可以概括为真实的杂乱场景掌握任务。我们的视频和代码可以在https://sites.google.com/view/latent-grasping中找到。

在具有连续以对象的状态，连续的动作，长距离和稀疏反馈的机器人环境中，决策是具有挑战性的。诸如任务和运动计划（TAMP）之类的层次结构方法通过将决策分解为两个或更多级别的抽象来解决这些挑战。在给出演示和符号谓词的环境中，先前的工作已经显示了如何通过手动设计的参数化策略来学习符号操作员和神经采样器。我们的主要贡献是一种与操作员和采样器结合使用的参数化策略的方法。这些组件被包装到模块化神经符号技能中，并与搜索 - 然后样本tamp一起测序以解决新任务。在四个机器人域的实验中，我们表明我们的方法 - 具有神经符号技能的双重计划 - 可以解决具有不同初始状态，目标和对象不同的各种任务，表现优于六个基线和消融。视频：https：//youtu.be/pbfzp8rpugg代码：https：//tinyurl.com/skill-learning

强化学习可以培训有效执行复杂任务的政策。然而，对于长地平线任务，这些方法的性能与地平线脱落，通常需要推理和构成较低级别的技能。等级强化学习旨在通过为行动抽象提供一组低级技能来实现这一点。通过抽象空间状态，层次结构也可以进一步提高这一点。我们对适当的状态抽象应取决于可用的较低级别策略的功能。我们提出了价值函数空间：通过使用与每个较低级别的技能对应的值函数来产生这种表示的简单方法。这些价值函数捕获场景的可取性，从而形成了紧凑型摘要任务相关信息的表示，并强大地忽略了分散的人。迷宫解决和机器人操纵任务的实证评估表明，我们的方法提高了长地平的性能，并且能够比替代的无模型和基于模型的方法能够更好的零拍泛化。

物体很少在人类环境中孤立地坐着。因此，我们希望我们的机器人来推理多个对象如何相互关系，以及这些关系在机器人与世界互动时可能会发生变化。为此，我们提出了一个新型的图形神经网络框架，用于多对象操纵，以预测对机器人行动的影响如何变化。我们的模型在部分视图点云上运行，可以推理操作过程中动态交互的多个对象。通过在学习的潜在图嵌入空间中学习动态模型，我们的模型使多步规划可以达到目标目标关系。我们展示了我们的模型纯粹是在模拟中训练的，可以很好地传输到现实世界。我们的计划器使机器人能够使用推送和拾取和地点技能重新排列可变数量的对象。

Skill-based reinforcement learning (RL) has emerged as a promising strategy to leverage prior knowledge for accelerated robot learning. Skills are typically extracted from expert demonstrations and are embedded into a latent space from which they can be sampled as actions by a high-level RL agent. However, this skill space is expansive, and not all skills are relevant for a given robot state, making exploration difficult. Furthermore, the downstream RL agent is limited to learning structurally similar tasks to those used to construct the skill space. We firstly propose accelerating exploration in the skill space using state-conditioned generative models to directly bias the high-level agent towards only sampling skills relevant to a given state based on prior experience. Next, we propose a low-level residual policy for fine-grained skill adaptation enabling downstream RL agents to adapt to unseen task variations. Finally, we validate our approach across four challenging manipulation tasks that differ from those used to build the skill space, demonstrating our ability to learn across task variations while significantly accelerating exploration, outperforming prior works. Code and videos are available on our project website: https://krishanrana.github.io/reskill.

长摩根和包括一系列隐性子任务的日常任务仍然在离线机器人控制中构成了重大挑战。尽管许多先前的方法旨在通过模仿和离线增强学习的变体来解决这种设置，但学习的行为通常是狭窄的，并且经常努力实现可配置的长匹配目标。由于这两个范式都具有互补的优势和劣势，因此我们提出了一种新型的层次结构方法，结合了两种方法的优势，以从高维相机观察中学习任务无关的长胜压策略。具体而言，我们结合了一项低级政策，该政策通过模仿学习和从离线强化学习中学到的高级政策学习潜在的技能，以促进潜在的行为先验。各种模拟和真实机器人控制任务的实验表明，我们的配方使以前看不见的技能组合能够通过“缝制”潜在技能通过目标链条，并在绩效上提高绩效的顺序，从而实现潜在的目标。艺术基线。我们甚至还学习了一个多任务视觉运动策略，用于现实世界中25个不同的操纵任务，这既优于模仿学习和离线强化学习技术。

建立可以探索开放式环境的自主机器，发现可能的互动，自主构建技能的曲目是人工智能的一般目标。发展方法争辩说，这只能通过可以生成，选择和学习解决自己问题的自主和本质上动机的学习代理人来实现。近年来，我们已经看到了发育方法的融合，特别是发展机器人，具有深度加强学习（RL）方法，形成了发展机器学习的新领域。在这个新域中，我们在这里审查了一组方法，其中深入RL算法训练，以解决自主获取的开放式曲目的发展机器人问题。本质上动机的目标条件RL算法训练代理商学习代表，产生和追求自己的目标。自我生成目标需要学习紧凑的目标编码以及它们的相关目标 - 成就函数，这导致与传统的RL算法相比，这导致了新的挑战，该算法设计用于使用外部奖励信号解决预定义的目标集。本文提出了在深度RL和发育方法的交叉口中进行了这些方法的类型，调查了最近的方法并讨论了未来的途径。

我们介绍了栖息地2.0（H2.0），这是一个模拟平台，用于培训交互式3D环境和复杂物理的场景中的虚拟机器人。我们为体现的AI堆栈 - 数据，仿真和基准任务做出了全面的贡献。具体来说，我们提出：（i）复制：一个由艺术家的，带注释的，可重新配置的3D公寓（匹配真实空间）与铰接对象（例如可以打开/关闭的橱柜和抽屉）； （ii）H2.0：一个高性能物理学的3D模拟器，其速度超过8-GPU节点上的每秒25,000个模拟步骤（实时850x实时），代表先前工作的100倍加速；和（iii）家庭助理基准（HAB）：一套辅助机器人（整理房屋，准备杂货，设置餐桌）的一套常见任务，以测试一系列移动操作功能。这些大规模的工程贡献使我们能够系统地比较长期结构化任务中的大规模加固学习（RL）和经典的感官平面操作（SPA）管道，并重点是对新对象，容器和布局的概括。 。我们发现（1）与层次结构相比，（1）平面RL政策在HAB上挣扎； （2）具有独立技能的层次结构遭受“交接问题”的困扰，（3）水疗管道比RL政策更脆。

需要长马计划和持续控制能力的问题对现有的强化学习剂构成了重大挑战。在本文中，我们介绍了一种新型的分层增强学习代理，该学习代理将延时的技能与持续控制的技能与远期模型联系起来，以象征性的分离环境的计划进行计划。我们认为我们的代理商符合符号效应的多样化技能。我们制定了一种客观且相应的算法，该算法通过已知的抽象来通过内在动机来无监督学习各种技能。这些技能是通过符号前向模型共同学习的，该模型捕获了国家抽象中技能执行的影响。训练后，我们可以使用向前模型来利用符号动作的技能来进行长途计划，并随后使用学识渊博的连续行动控制技能执行计划。拟议的算法学习了技能和前瞻性模型，可用于解决复杂的任务，这些任务既需要连续控制和长效计划功能，却具有很高的成功率。它与其他平坦和分层的增强学习基线代理相比，并通过真正的机器人成功证明。

非结构化环境中的多步操纵任务对于学习的机器人来说非常具有挑战性。这些任务相互作用，包括可以获得的预期状态，可以实现整体任务和低级推理，以确定哪些行动将产生这些国家。我们提出了一种无模型的深度加强学习方法来学习多步理操作任务。我们介绍了一个基于视觉的模型架构的机器人操纵网络（ROMANNET），以了解动作值函数并预测操纵操作候选。我们定义基于Gaussian（TPG）奖励函数的任务进度，基于导致成功的动作原语的行动和实现整体任务目标的进展来计算奖励。为了平衡探索/剥削的比率，我们介绍了一个损失调整后的探索（LAE）政策，根据亏损估计的Boltzmann分配来确定来自行动候选人的行动。我们通过培训ROMANNET来展示我们方法的有效性，以了解模拟和现实世界中的几个挑战的多步机械管理任务。实验结果表明，我们的方法优于现有的方法，并在成功率和行动效率方面实现了最先进的性能。消融研究表明，TPG和LAE对多个块堆叠的任务特别有益。代码可用：https：//github.com/skumra/romannet

在现实世界中的机器人在现实环境中的许多可能的应用领域都铰接机器人掌握物体的能力。因此，机器人Grasping多年来一直是有效的研究领域。通过我们的出版物，我们有助于使机器人能够掌握，特别关注垃圾桶采摘应用。垃圾拣选尤其挑战，由于经常杂乱和非结构化的物体排列以及通过简单的顶部掌握的物体的频繁避免的避神。为了解决这些挑战，我们提出了一种基于软演员 - 评论家（SAC）的混合离散调整的完全自我监督的强化学习方法。我们使用参数化运动原语来推动和抓握运动，以便为我们考虑的困难设置启用灵活的适应行为。此外，我们使用数据增强来提高样本效率。我们证明了我们提出的关于具有挑战性的采摘情景的方法，其中平面掌握学习或行动离散化方法会面临很大困难

我们研究了一种模块化方法，可以解决对象重排的长马移动操作任务，该任务将完整的任务分解为一系列子任务。为了解决整个任务，先前的工作将具有点目标导航技能的多个固定操作技巧，这些技巧是在子任务上单独学习的。尽管比整体端到端的RL政策更有效，但该框架遭受了技能链条的复杂错误，例如导航到一个不良位置，在这种情况下，固定操作技能无法达到其目标进行操纵。为此，我们建议操纵技巧应包括移动性，以便从多个位置与目标对象进行互动，同时导航技能可能具有多个终点，从而导致成功的操纵。我们通过实施移动操纵技能而不是固定技能来实现这些想法，并训练接受区域目标而不是积分目标的导航技能。我们在家庭助理基准（HAB）中评估了三个挑战性的长途移动操纵任务M3，并在3个挑战性的长途移动操纵任务上评估了我们的多技能，并且与基线相比表现出了出色的性能。

3D视觉输入的对象操纵对构建可宽大的感知和政策模型构成了许多挑战。然而，现有基准中的3D资产主要缺乏与拓扑和几何中的现实世界内复杂的3D形状的多样性。在这里，我们提出了Sapien操纵技能基准（Manishill）以在全物理模拟器中的各种物体上基准操纵技巧。 Manishill中的3D资产包括大型课堂内拓扑和几何变化。仔细选择任务以涵盖不同类型的操纵挑战。 3D Vision的最新进展也使我们认为我们应该定制基准，以便挑战旨在邀请研究3D深入学习的研究人员。为此，我们模拟了一个移动的全景摄像头，返回以自我为中心的点云或RGB-D图像。此外，我们希望Manishill是为一个对操纵研究感兴趣的广泛研究人员提供服务。除了支持从互动的政策学习，我们还支持学习 - 从演示（LFD）方法，通过提供大量的高质量演示（〜36,000个成功的轨迹，总共〜1.5米点云/ RGB-D帧）。我们提供使用3D深度学习和LFD算法的基线。我们的基准（模拟器，环境，SDK和基线）的所有代码都是开放的，并且将基于基准举办跨学科研究人员面临的挑战。

用于机器人操纵的多进球政策学习具有挑战性。先前的成功使用了对象的基于状态的表示或提供了演示数据来促进学习。在本文中，通过对域的高级离散表示形式进行手工编码，我们表明，可以使用来自像素的Q学习来学习达到数十个目标的策略。代理商将学习重点放在更简单的本地政策上，这些政策是通过在抽象空间中进行计划来对其进行测序的。我们将我们的方法与标准的多目标RL基线以及在具有挑战性的块构造域上利用离散表示的其他方法进行了比较。我们发现我们的方法可以构建一百多个不同的块结构，并证明具有新物体的结构向前转移。最后，我们将所学的政策部署在真正的机器人上的模拟中。

For an autonomous agent to fulfill a wide range of user-specified goals at test time, it must be able to learn broadly applicable and general-purpose skill repertoires. Furthermore, to provide the requisite level of generality, these skills must handle raw sensory input such as images. In this paper, we propose an algorithm that acquires such general-purpose skills by combining unsupervised representation learning and reinforcement learning of goal-conditioned policies. Since the particular goals that might be required at test-time are not known in advance, the agent performs a self-supervised "practice" phase where it imagines goals and attempts to achieve them. We learn a visual representation with three distinct purposes: sampling goals for self-supervised practice, providing a structured transformation of raw sensory inputs, and computing a reward signal for goal reaching. We also propose a retroactive goal relabeling scheme to further improve the sample-efficiency of our method. Our off-policy algorithm is efficient enough to learn policies that operate on raw image observations and goals for a real-world robotic system, and substantially outperforms prior techniques. * Equal contribution. Order was determined by coin flip.

在工厂或房屋等环境中协助我们的机器人必须学会使用对象作为执行任务的工具，例如使用托盘携带对象。我们考虑了学习常识性知识何时可能有用的问题，以及如何与其他工具一起使用其使用以完成由人类指示的高级任务。具体而言，我们引入了一种新型的神经模型，称为Tooltango，该模型首先预测要使用的下一个工具，然后使用此信息来预测下一项动作。我们表明，该联合模型可以告知学习精细的策略，从而使机器人可以顺序使用特定工具，并在使模型更加准确的情况下增加了重要价值。 Tooltango使用图神经网络编码世界状态，包括对象和它们之间的符号关系，并使用人类教师的演示进行了培训，这些演示是指导物理模拟器中的虚拟机器人的演示。该模型学会了使用目标和动作历史的知识来参加场景，最终将符号动作解码为执行。至关重要的是，我们解决了缺少一些已知工具的看不见的环境的概括，但是存在其他看不见的工具。我们表明，通过通过从知识库中得出的预训练的嵌入来增强环境的表示，该模型可以有效地将其推广到新的环境中。实验结果表明，在预测具有看不见对象的新型环境中模拟移动操纵器的成功符号计划时，至少48.8-58.1％的绝对改善对基准的绝对改善。这项工作朝着使机器人能够快速合成复杂任务的强大计划的方向，尤其是在新颖的环境中

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。