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。

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。

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。

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。

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。

微弱的物理是计算机视觉和机器人的强大工具，用于了解互动的场景理解和推理。现有方法经常被限于具有预先已知的简单形状或形状的物体。在本文中，我们提出了一种新的方法来具有摩擦触点的可分解物理学，其利用符号距离场（SDF）隐含地表示物理形状。我们的模拟即使涉及的形状为非凸形表示，也支持接触点计算。此外，我们提出了区分对象形状的动力学来利用基于梯度的方法来促进形状优化。在我们的实验中，我们证明我们的方法允许从轨迹和深度图像观察的诸如摩擦系数，质量，力或形状参数的物理参数的基于模型的推断，并且在几个具有挑战性的合成场景和真实图像序列中。

我们提出了一个新型的多体动力学仿真框架，该框架可以有效地处理较大的维度和互补性多接触条件。典型的接触模拟方法执行接触式脉冲级的固定点迭代（IL-FPI），该迭代具有高度的矩阵反转和乘法以及对不良条件接触情况的敏感性。为了避免这种情况，我们提出了一个基于速​​度级固定点迭代（VL-FPI）的新颖框架，该迭代通过利用特定的替代动力学和接触淋巴结（带有虚拟节点），它不仅可以实现互联网脱钩，而且可以实现他们的轴间轴解耦合（即接触对角线化）。然后，这使我们能够在每个VL-FPI迭代环过程中单次/并行解决接触问题，而替代动态结构使我们能够规避大型/密度矩阵反转/乘法，从而显着加快了仿真的加快。有改进的收敛属性的时间。从理论上讲，我们的框架解决方案与原始问题的解决方案是一致的，进一步阐明了我们提出的求解器收敛的数学条件。我们提出的仿真框架的性能和性能也得到了证明，并针对包括可变形物体在内的各种大维/多接触场景进行了实验验证。

学习灵巧的操纵技巧是计算机图形和机器人技术的长期挑战，尤其是当任务涉及手，工具和物体之间的复杂而微妙的互动时。在本文中，我们专注于基于筷子的对象搬迁任务，这些任务很常见却又要求。成功的筷子技巧的关键是稳定地抓住棍棒，这也支持精致的演习。我们会自动发现贝叶斯优化（BO）和深钢筋学习（DRL）的身体有效的筷子姿势，它适用于多种握把的样式和手工形态，而无需示例数据。作为输入，我们要移动发现的抓紧姿势和所需的对象，我们构建了基于物理的手部控制器，以在两个阶段完成重定位任务。首先，运动轨迹是为筷子合成的，并处于运动计划阶段。我们运动策划者的关键组件包括一个握把模型，以选择用于抓住对象的合适筷子配置，以及一个轨迹优化模块，以生成无碰撞的筷子轨迹。然后，我们再次通过DRL训练基于物理的手部控制器，以跟踪运动计划者产生的所需运动轨迹。我们通过重新定位各种形状和尺寸的对象，以多种诱人的样式和多种手工形态的位置来展示框架的功能。与试图学习基于筷子的技能的香草系统相比，我们的系统实现了更快的学习速度和更好的控制鲁棒性，而无需抓紧姿势优化模块和/或没有运动学运动计划者。

水生运动是生物学家和工程师感兴趣的经典流体结构相互作用（FSI）问题。求解完全耦合的FSI方程，用于不可压缩的Navier-Stokes和有限的弹性在计算上是昂贵的。在这种系统中，优化机器人游泳器设计通常涉及在已经昂贵的模拟之上繁琐的，无梯度的程序。为了应对这一挑战，我们提出了一种针对FSI的新颖，完全可区分的混合方法，该方法结合了2D直接数值模拟，用于游泳器的可变形固体结构和物理受限的神经网络替代物，以捕获流体的流体动力效应。对于游泳者身体的可变形实心模拟，我们使用来自计算机图形领域的最新技术来加快有限元方法（FEM）。对于流体模拟，我们使用经过基于物理损耗功能的U-NET体系结构来预测每个时间步骤的流场。使用沉浸式边界方法（IBM）在我们游泳器边界的边界周围采样了来自神经网络的压力和速度场输出，以准确有效地计算其游泳运动。我们证明了混合模拟器在2D Carangiform游泳器上的计算效率和可不同性。由于可怜性，该模拟器可用于通过基于直接梯度的优化浸入流体中的软体体系的控件设计。

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。

在粗糙的地形上的动态运动需要准确的脚部放置，避免碰撞以及系统的动态不足的计划。在存在不完美且常常不完整的感知信息的情况下，可靠地优化此类动作和互动是具有挑战性的。我们提出了一个完整的感知，计划和控制管道，可以实时优化机器人所有自由度的动作。为了减轻地形所带来的数值挑战，凸出不平等约束的顺序被提取为立足性可行性的局部近似值，并嵌入到在线模型预测控制器中。每个高程映射预先计算了步骤性分类，平面分割和签名的距离场，以最大程度地减少优化过程中的计算工作。多次射击，实时迭代和基于滤波器的线路搜索的组合用于可靠地以高速率解决该法式问题。我们在模拟中的间隙，斜率和踏上石头的情况下验证了所提出的方法，并在Anymal四倍的平台上进行实验，从而实现了最新的动态攀登。

准确地对现实世界进行建模接触行为，对于现有的刚体物理模拟器而言，近刚毛的材料仍然是一个巨大的挑战。本文介绍了一个数据增强的接触模型，该模型将分析解决方案与观察到的数据结合在一起，以预测3D接触脉冲，这可能会导致刚体在各个方向上弹跳，滑动或旋转。我们的方法通过从观察到的数据中学习接触行为来增强标准库仑接触模型的表现力，同时尽可能保留基本的接触约束。例如，对分类器进行了训练，以近似静态摩擦和动态摩擦之间的过渡，而在碰撞过程中的非渗透约束在分析中执行。我们的方法计算整个刚体的触点的汇总效果，而不是分别预测每个接触点的接触力，而保持相同的模拟速度，而与接触点的数量增加了详细的几何形状。补充视频：https：//shorturl.at/eilwx关键字：物理模拟算法，动态学习，联系人学习

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

增强学习（RL）在接触式操纵中的经验成功（RL）从基于模型的角度来理解了很多待理解，其中关键困难通常归因于（i）触点模式的爆炸，（ii）僵硬，非平滑接触动力学和由此产生的爆炸 /不连续梯度，以及（iii）计划问题的非转换性。 RL的随机性质通过有效采样和平均接触模式来解决（i）和（ii）。另一方面，基于模型的方法通过分析平滑接触动力学来解决相同的挑战。我们的第一个贡献是建立两种方法的简单系统方法的理论等效性，并在许多复杂示例上提供定性和经验的等效性。为了进一步减轻（II），我们的第二个贡献是凸面的凸面，可区分和准动力的触点动力学表述，这两个方案都可以平滑方案，并且通过实验证明了对接触富含接触的计划非常有效。我们的最终贡献解决了（III），在其中我们表明，当通过平滑度抽取接触模式时，基于经典的运动计划算法在全球计划中可以有效。将我们的方法应用于具有挑战性的接触式操纵任务的集合中，我们证明了基于模型的有效运动计划可以实现与RL相当的结果，而计算却大大较少。视频：https：//youtu.be/12ew4xc-vwa

通常，地形几何形状是非平滑的，非线性的，非凸的，如果通过以机器人为中心的视觉单元感知，则似乎部分被遮住且嘈杂。这项工作介绍了能够实时处理上述问题的完整控制管道。我们制定了一个轨迹优化问题，该问题可以在基本姿势和立足点上共同优化，但要遵守高度图。为了避免收敛到不良的本地Optima，我们部署了逐步的优化技术。我们嵌入了一个紧凑的接触式自由稳定性标准，该标准与非平板地面公式兼容。直接搭配用作转录方法，导致一个非线性优化问题，可以在少于十毫秒内在线解决。为了在存在外部干扰的情况下增加鲁棒性，我们用动量观察者关闭跟踪环。我们的实验证明了爬楼梯，踏上垫脚石上的楼梯，并利用各种动态步态在缝隙上。

近二十年来，软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是，对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator（Sorosim），该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变（GVS）模型，以促进对软，刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构，并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模，模拟，优化和控制各种机器人系统的潜力，我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单，分支，开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为，软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益，用于多种应用。

可区分的仿真是用于基于快速梯度的策略优化和系统识别的有前途的工具包。但是，现有的可区分仿真方法在很大程度上已经解决了获得平滑梯度相对容易的方案，例如具有光滑动力学的系统。在这项工作中，我们研究了可区分的模拟所面临的挑战，当时单个下降不可行，这通常是全球最佳的，这通常是接触率丰富的方案中的问题。我们分析包含刚体和可变形物体的各种情况的优化景观。在具有高度可变形的物体和流体的动态环境中，可区分的模拟器在空间的某些地方生产具有有用梯度的坚固景观。我们提出了一种将贝叶斯优化与半本地“飞跃”相结合的方法，以获得可以有效使用梯度的全局搜索方法，同时还可以在具有嘈杂梯度的地区保持稳健的性能。我们表明，我们的方法在模拟中的一组实验集上优于几个基于梯度和无梯度的基线，并且还使用具有真实机器人和变形物的实验验证该方法。视频和补充材料可从https://tinyurl.com/globdiff获得

Force modulation of robotic manipulators has been extensively studied for several decades. However, it is not yet commonly used in safety-critical applications due to a lack of accurate interaction contact modeling and weak performance guarantees - a large proportion of them concerning the modulation of interaction forces. This study presents a high-level framework for simultaneous trajectory optimization and force control of the interaction between a manipulator and soft environments, which is prone to external disturbances. Sliding friction and normal contact force are taken into account. The dynamics of the soft contact model and the manipulator are simultaneously incorporated in a trajectory optimizer to generate desired motion and force profiles. A constrained optimization framework based on Alternative Direction Method of Multipliers (ADMM) has been employed to efficiently generate real-time optimal control inputs and high-dimensional state trajectories in a Model Predictive Control fashion. Experimental validation of the model performance is conducted on a soft substrate with known material properties using a Cartesian space force control mode. Results show a comparison of ground truth and real-time model-based contact force and motion tracking for multiple Cartesian motions in the valid range of the friction model. It is shown that a contact model-based motion planner can compensate for frictional forces and motion disturbances and improve the overall motion and force tracking accuracy. The proposed high-level planner has the potential to facilitate the automation of medical tasks involving the manipulation of compliant, delicate, and deformable tissues.

在学识表的迅速推进的地区，几乎所有方法都训练了从输入状态直接预测未来状态的前进模型。然而，许多传统的仿真引擎使用基于约束的方法而不是直接预测。这里我们提出了一种基于约束的学习仿真的框架，其中标量约束函数被实现为神经网络，并且将来的预测被计算为在这些学习的约束下的优化问题的解决方案。我们使用图形神经网络作为约束函数和梯度下降作为约束求解器来实现我们的方法。架构可以通过标准的backprojagation培训。我们在各种具有挑战性的物理领域中测试模型，包括模拟绳索，弹跳球，碰撞不规则形状和飞溅液。我们的模型可实现更好或更具可比性的性能，以获得最佳学习的模拟器。我们模型的一个关键优势是能够在测试时间概括到更多求解器迭代，以提高模拟精度。我们还展示了如何在测试时间内添加手工制定的约束，以满足培训数据中不存在的目标，这是不可能的前进方法。我们的约束框架适用于使用前进学习模拟器的任何设置，并演示了学习的模拟器如何利用额外的归纳偏差以及来自数值方法领域的技术。

我们描述了更改 - 联系机器人操作任务的框架，要求机器人与对象和表面打破触点。这种任务的不连续交互动态使得难以构建和使用单个动力学模型或控制策略，并且接触变化期间动态的高度非线性性质可能对机器人和物体造成损害。我们提出了一种自适应控制框架，使机器人能够逐步学习以预测更改联系人任务中的接触变化，从而了解了碎片连续系统的交互动态，并使用任务空间可变阻抗控制器提供平滑且精确的轨迹跟踪。我们通过实验比较我们框架的表现，以确定所需的代表性控制方法，以确定我们框架的自适应控制和增量学习组件需要在变化 - 联系机器人操纵任务中存在不连续动态的平稳控制。