我们如何才能训练辅助人机接口（例如，基于肌电图的肢体假体），将用户的原始命令信号转换为机器人或计算机的动作，如果没有事先映射，我们不能要求用户进行监督动作标签或奖励反馈的形式，我们对用户试图完成的任务没有事先了解？本文中的关键想法是，无论任务如何，当接口更直观时，用户的命令就会不那么嘈杂。我们将这一想法形式化为一个完全无监督的目标，以优化接口：用户的命令信号与环境中的诱导状态过渡之间的相互信息。为了评估此相互信息得分是否可以区分有效的界面和无效界面，我们对540K的示例进行了观察性研究，该示例的用户操作各种键盘和眼睛凝视接口，用于打字，控制模拟机器人和玩视频游戏。结果表明，我们的共同信息得分可预测各个领域中的基础任务完成指标，而Spearman的平均等级相关性为0.43。除了对现有接口的离线评估外，我们还使用无监督的目标从头开始学习接口：我们随机初始化接口，让用户尝试使用接口执行其所需的任务，测量相互信息得分并更新接口通过强化学习最大化相互信息。我们通过用户研究与12名参与者进行用户研究评估我们的方法，他们使用扰动的鼠标执行2D光标控制任务，并使用手势使用手势的一个用户玩《 Lunar Lander》游戏的实验。结果表明，我们可以在30分钟内从头开始学习一个接头，无需任何用户监督或任务的先验知识。

While reinforcement learning (RL) has become a more popular approach for robotics, designing sufficiently informative reward functions for complex tasks has proven to be extremely difficult due their inability to capture human intent and policy exploitation. Preference based RL algorithms seek to overcome these challenges by directly learning reward functions from human feedback. Unfortunately, prior work either requires an unreasonable number of queries implausible for any human to answer or overly restricts the class of reward functions to guarantee the elicitation of the most informative queries, resulting in models that are insufficiently expressive for realistic robotics tasks. Contrary to most works that focus on query selection to \emph{minimize} the amount of data required for learning reward functions, we take an opposite approach: \emph{expanding} the pool of available data by viewing human-in-the-loop RL through the more flexible lens of multi-task learning. Motivated by the success of meta-learning, we pre-train preference models on prior task data and quickly adapt them for new tasks using only a handful of queries. Empirically, we reduce the amount of online feedback needed to train manipulation policies in Meta-World by 20$\times$, and demonstrate the effectiveness of our method on a real Franka Panda Robot. Moreover, this reduction in query-complexity allows us to train robot policies from actual human users. Videos of our results and code can be found at https://sites.google.com/view/few-shot-preference-rl/home.

When robots interact with humans in homes, roads, or factories the human's behavior often changes in response to the robot. Non-stationary humans are challenging for robot learners: actions the robot has learned to coordinate with the original human may fail after the human adapts to the robot. In this paper we introduce an algorithmic formalism that enables robots (i.e., ego agents) to co-adapt alongside dynamic humans (i.e., other agents) using only the robot's low-level states, actions, and rewards. A core challenge is that humans not only react to the robot's behavior, but the way in which humans react inevitably changes both over time and between users. To deal with this challenge, our insight is that -- instead of building an exact model of the human -- robots can learn and reason over high-level representations of the human's policy and policy dynamics. Applying this insight we develop RILI: Robustly Influencing Latent Intent. RILI first embeds low-level robot observations into predictions of the human's latent strategy and strategy dynamics. Next, RILI harnesses these predictions to select actions that influence the adaptive human towards advantageous, high reward behaviors over repeated interactions. We demonstrate that -- given RILI's measured performance with users sampled from an underlying distribution -- we can probabilistically bound RILI's expected performance across new humans sampled from the same distribution. Our simulated experiments compare RILI to state-of-the-art representation and reinforcement learning baselines, and show that RILI better learns to coordinate with imperfect, noisy, and time-varying agents. Finally, we conduct two user studies where RILI co-adapts alongside actual humans in a game of tag and a tower-building task. See videos of our user studies here: https://youtu.be/WYGO5amDXbQ

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.

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

我们研究了从机器人交互的大型离线数据集学习一系列基于视觉的操纵任务的问题。为了实现这一目标，人类需要简单有效地将任务指定给机器人。目标图像是一种流行的任务规范形式，因为它们已经在机器人的观察空间接地。然而，目标图像也有许多缺点：它们对人类提供的不方便，它们可以通过提供导致稀疏奖励信号的所需行为，或者在非目标达到任务的情况下指定任务信息。自然语言为任务规范提供了一种方便而灵活的替代方案，而是随着机器人观察空间的接地语言挑战。为了可扩展地学习此基础，我们建议利用具有人群源语言标签的离线机器人数据集（包括高度最佳，自主收集的数据）。使用此数据，我们学习一个简单的分类器，该分类器预测状态的更改是否完成了语言指令。这提供了一种语言调节奖励函数，然后可以用于离线多任务RL。在我们的实验中，我们发现，在语言条件的操作任务中，我们的方法优于目标 - 图像规格和语言条件仿制技术超过25％，并且能够从自然语言中执行Visuomotor任务，例如“打开右抽屉“和”移动订书机“，在弗兰卡·埃米卡熊猫机器人上。

代理商学习广泛适用和通用策略具有重要意义，可以实现包括图像和文本描述在内的各种目标。考虑到这类感知的目标，深度加强学习研究的前沿是学习一个没有手工制作奖励的目标条件政策。要了解这种政策，最近的作品通常会像奖励到明确的嵌入空间中的给定目标的非参数距离。从不同的观点来看，我们提出了一种新的无监督学习方法，名为目标条件政策，具有内在动机（GPIM），共同学习抽象级别政策和目标条件的政策。摘要级别策略在潜在变量上被调节，以优化鉴别器，并发现进一步的不同状态，进一步呈现为目标条件策略的感知特定目标。学习鉴别者作为目标条件策略的内在奖励功能，以模仿抽象级别政策引起的轨迹。各种机器人任务的实验证明了我们所提出的GPIM方法的有效性和效率，其基本上优于现有技术。

在嘈杂的互联网规模数据集上进行了预测，已对具有广泛的文本，图像和其他模式能力的培训模型进行了大量研究。但是，对于许多顺序决策域，例如机器人技术，视频游戏和计算机使用，公开可用的数据不包含以相同方式训练行为先验所需的标签。我们通过半监督的模仿学习将互联网规模的预处理扩展到顺序的决策域，其中代理通过观看在线未标记的视频来学习行动。具体而言，我们表明，使用少量标记的数据，我们可以训练一个足够准确的反向动力学模型，可以标记一个巨大的未标记在线数据来源 - 在这里，在线播放Minecraft的在线视频 - 然后我们可以从中训练一般行为先验。尽管使用了本地人类界面（鼠标和键盘为20Hz），但我们表明，这种行为先验具有非平凡的零射击功能，并且可以通过模仿学习和加强学习，可以对其进行微调，以进行硬探索任务。不可能通过增强学习从头开始学习。对于许多任务，我们的模型都表现出人类水平的性能，我们是第一个报告可以制作钻石工具的计算机代理，这些工具可以花费超过20分钟（24,000个环境动作）的游戏玩法来实现。

增强学习（RL）研究领域非常活跃，并具有重要的新贡献；特别是考虑到深RL（DRL）的新兴领域。但是，仍然需要解决许多科学和技术挑战，其中我们可以提及抽象行动的能力或在稀疏回报环境中探索环境的难以通过内在动机（IM）来解决的。我们建议通过基于信息理论的新分类法调查这些研究工作：我们在计算上重新审视了惊喜，新颖性和技能学习的概念。这使我们能够确定方法的优势和缺点，并展示当前的研究前景。我们的分析表明，新颖性和惊喜可以帮助建立可转移技能的层次结构，从而进一步抽象环境并使勘探过程更加健壮。

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。

增强学习（RL）算法假设用户通过手动编写奖励函数来指定任务。但是，这个过程可能是费力的，需要相当大的技术专长。我们可以设计RL算法，而是通过提供成功结果的示例来支持用户来指定任务吗？在本文中，我们推导了一种控制算法，可以最大化这些成功结果示例的未来概率。在前阶段的工作已经接近了类似的问题，首先学习奖励功能，然后使用另一个RL算法优化此奖励功能。相比之下，我们的方法直接从过渡和成功的结果中学习价值函数，而无需学习此中间奖励功能。因此，我们的方法需要较少的封闭式曲折和调试的代码行。我们表明我们的方法满足了一种新的数据驱动Bellman方程，其中示例取代了典型的奖励函数术语。实验表明，我们的方法优于学习明确奖励功能的先前方法。

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。

Policy search methods can allow robots to learn control policies for a wide range of tasks, but practical applications of policy search often require hand-engineered components for perception, state estimation, and low-level control. In this paper, we aim to answer the following question: does training the perception and control systems jointly end-toend provide better performance than training each component separately? To this end, we develop a method that can be used to learn policies that map raw image observations directly to torques at the robot's motors. The policies are represented by deep convolutional neural networks (CNNs) with 92,000 parameters, and are trained using a guided policy search method, which transforms policy search into supervised learning, with supervision provided by a simple trajectory-centric reinforcement learning method. We evaluate our method on a range of real-world manipulation tasks that require close coordination between vision and control, such as screwing a cap onto a bottle, and present simulated comparisons to a range of prior policy search methods.

积极推论是一种统一的感知和行动理论，依赖于通过最小化自由能量来维持世界的内部模型。从行为的角度来看，有效推论代理商可以被视为自我证明的生命，以满足他们的乐观预测，即优选的结果或目标。相比之下，加固学习需要人工设计的奖励来完成任何期望的结果。尽管有效推理可以提供更自然的自我监控目标的控制，但其适用性因其在复杂环境中缩放方法的缺点而受到限制。在这项工作中，我们提出了对比主动推断的对比目标，这强烈降低了学习代理商的生成模式和规划未来行动的计算负担。我们的方法在基于图像的任务中的基于似的主动推断的情况下表现出显着优于基于似的主动推断，同时也是计算地更便宜，更容易训练。我们与能够获得人类设计奖励功能的加强学习代理，表明我们的方法与其表现完全符合。最后，我们还表明，在环境中的牵引力的情况下，对比方法显着更好地表现出明显更好，并且我们的方法能够将目标概括为背景中的变化。

元强化学习（RL）方法可以使用比标准RL少的数据级的元培训策略，但元培训本身既昂贵又耗时。如果我们可以在离线数据上进行元训练，那么我们可以重复使用相同的静态数据集，该数据集将一次标记为不同任务的奖励，以在元测试时间适应各种新任务的元训练策略。尽管此功能将使Meta-RL成为现实使用的实用工具，但离线META-RL提出了除在线META-RL或标准离线RL设置之外的其他挑战。 Meta-RL学习了一种探索策略，该策略收集了用于适应的数据，并元培训策略迅速适应了新任务的数据。由于该策略是在固定的离线数据集上进行了元训练的，因此当适应学识渊博的勘探策略收集的数据时，它可能表现得不可预测，这与离线数据有系统地不同，从而导致分布变化。我们提出了一种混合脱机元元素算法，该算法使用带有奖励的脱机数据来进行自适应策略，然后收集其他无监督的在线数据，而无需任何奖励标签来桥接这一分配变化。通过不需要在线收集的奖励标签，此数据可以便宜得多。我们将我们的方法比较了在模拟机器人的运动和操纵任务上进行离线元rl的先前工作，并发现使用其他无监督的在线数据收集可以显着提高元训练政策的自适应能力，从而匹配完全在线的表现。在一系列具有挑战性的域上，需要对新任务进行概括。

当从人类行为中推断出奖励功能（无论是演示，比较，物理校正或电子停靠点）时，它已证明对人类进行建模作为做出嘈杂的理性选择，并具有“合理性系数”，以捕获多少噪声或熵我们希望看到人类的行为。无论人类反馈的类型或质量如何，许多现有作品都选择修复此系数。但是，在某些情况下，进行演示可能要比回答比较查询要困难得多。在这种情况下，我们应该期望在示范中看到比比较中更多的噪音或次级临时性，并且应该相应地解释反馈。在这项工作中，我们提倡，将每种反馈类型的实际数据中的理性系数扎根，而不是假设默认值，对奖励学习具有重大的积极影响。我们在模拟反馈以及用户研究的实验中测试了这一点。我们发现，从单一反馈类型中学习时，高估人类理性可能会对奖励准确性和遗憾产生可怕的影响。此外，我们发现合理性层面会影响每种反馈类型的信息性：令人惊讶的是，示威并不总是最有用的信息 - 当人类的行为非常卑鄙时，即使在合理性水平相同的情况下，比较实际上就变得更加有用。 。此外，当机器人确定要要求的反馈类型时，它可以通过准确建模每种类型的理性水平来获得很大的优势。最终，我们的结果强调了关注假定理性级别的重要性，不仅是在从单个反馈类型中学习时，尤其是当代理商从多种反馈类型中学习时，尤其是在学习时。

人类和动物探索他们的环境，即使在没有明确目标的情况下，也可以获得有用的技能，表现出内在的动机。人工代理中的内在动机研究涉及以下问题：代理人的良好通用目标是什么？我们在动态部分观测的环境中研究了这个问题，并争辩说，紧凑且一般的学习目标是最大限度地减少使用潜在的状态空间模型估算的代理国家探索的熵。该目标诱使代理人与其环境收集有关其环境的信息，相应降低不确定性，并控制其环境，相应降低未来世界州的不可预测性。我们将这种方法实例化为配备深层变分贝叶斯过滤器的深度加固学习代理。我们发现我们的代理商学会发现，代表和锻炼在没有外在奖励的视觉观测中感受到的各种部分观测的环境中的动态对象。

分享自治是指使自治工人能够与人类合作的方法，以提高人类性能。然而，除了提高性能之外，它通常也可能是有益的，代理同时考虑保留用户的经验或合作满意度。为了解决这一额外目标，我们通过约束自主代理的干预次数来研究改进用户体验的方法。我们提出了两种无模型的加强学习方法，可以考虑到干预措施的艰难和软限制。我们表明，我们的方法不仅表现出现有的基线，而且还消除了手动调整黑匣子超参数，以控制援助水平。我们还提供了对干预情景的深入分析，以进一步照亮系统理解。

在这里，我们报告了强化学习（RL）的案例研究实施，以自动化扫描传输电子显微镜（STEM）工作流程中的操作。为此，我们设计了一个虚拟的，典型的RL环境，以测试和开发网络，以自主对电子束进行自主对齐，而无需事先了解。使用此模拟器，我们评估了环境设计和算法超参数对对齐准确性和学习收敛的影响，从而显示了宽阔的超级参数空间的稳健收敛性。此外，我们在显微镜上部署了成功的模型，以验证该方法并演示设计适当的虚拟环境的价值。与模拟结果一致，微观RL模型在最小的训练后达到了与目标一致性的收敛。总体而言，结果表明，通过利用RL，可以自动化显微镜操作而无需广泛的算法设计，从而通过机器学习方法迈出了增强电子显微镜的又一步。

深度强化学习（DRL）和深度多机构的强化学习（MARL）在包括游戏AI，自动驾驶汽车，机器人技术等各种领域取得了巨大的成功。但是，众所周知，DRL和Deep MARL代理的样本效率低下，即使对于相对简单的问题设置，通常也需要数百万个相互作用，从而阻止了在实地场景中的广泛应用和部署。背后的一个瓶颈挑战是众所周知的探索问题，即如何有效地探索环境和收集信息丰富的经验，从而使政策学习受益于最佳研究。在稀疏的奖励，吵闹的干扰，长距离和非平稳的共同学习者的复杂环境中，这个问题变得更加具有挑战性。在本文中，我们对单格和多代理RL的现有勘探方法进行了全面的调查。我们通过确定有效探索的几个关键挑战开始调查。除了上述两个主要分支外，我们还包括其他具有不同思想和技术的著名探索方法。除了算法分析外，我们还对一组常用基准的DRL进行了全面和统一的经验比较。根据我们的算法和实证研究，我们终于总结了DRL和Deep Marl中探索的公开问题，并指出了一些未来的方向。