近年来，轨迹优化方法已在现实世界机器人上达到了出色的性能水平。这些方法在很大程度上依赖于动力学的准确分析模型，但是物理世界的某些方面只能在有限的程度上捕获。另一种方法是利用机器学习技术从数据中学习系统的可区分动力学模型。在这项工作中，我们使用轨迹优化和模型学习，在没有精确的动力学分析模型的情况下，使用机器人系统执行高度动态和复杂的任务。我们表明，从仅在两个不同的机器人上的25分钟相互作用的数据中收集的数据，神经网络可以准确地对高度非线性行为进行建模：（i）波士顿动力学点和（ii）RC CAR。此外，我们使用神经网络的梯度来执行基于梯度的轨迹优化。在我们的硬件实验中，我们证明了我们所学的模型可以代表现场和无线电控制（RC）汽车的复杂动力学，并与轨迹优化方法结合使用良好的性能。

准确地建模四极管的系统动力学对于保证敏捷，安全和稳定的导航至关重要。该模型需要在多个飞行机制和操作条件下捕获系统行为，包括产生高度非线性效应的那些，例如空气动力和扭矩，转子相互作用或可能的系统配置修改。经典方法依靠手工制作的模型并努力概括和扩展以捕获这些效果。在本文中，我们介绍了一种新型的物理启发的时间卷积网络（PI-TCN）方法，用于学习四极管的系统动力学，纯粹是从机器人体验中学习的。我们的方法结合了稀疏时间卷积的表达力和密集的进料连接，以进行准确的系统预测。此外，物理限制嵌入了培训过程中，以促进网络对培训分布以外数据的概括功能。最后，我们设计了一种模型预测控制方法，该方法结合了学习的动力学，以完全利用学习范围的方式，以完全利用学习模型预测的准确闭环轨迹跟踪。实验结果表明，我们的方法可以准确地从数据中提取四四光动力学的结构，从而捕获对经典方法隐藏的效果。据我们所知，这是物理启发的深度学习成功地应用于时间卷积网络和系统识别任务，同时同时实现了预测性控制。

对机器人在现实世界中的准确控制需要一个控制系统，该控制系统能够考虑机器人与环境的动力学相互作用。在高速度下，机器人对这些运动动力学相互作用的运动依赖性变得更加明显，使高速，准确的机器人控制一个具有挑战性的问题。先前的工作表明，学习机器人的逆动力动力学（IKD）可能有助于高速机器人控制。但是，学习的逆运动动力学模型只能应用于有限的控制问题类别，不同的控制问题需要学习新的IKD模型。在这项工作中，我们提出了一种新的公式，用于精确，高速机器人控制，该配方利用了学习的前进运动动力学（FKD）模型和非线性最小二乘优化。从公式的本质上讲，这种方法可以扩展到各种各样的控制问题，而无需重新培训新模型。我们证明了这种方法在高速上准确控制刻度的十分之一机器人车的能力，并显示出比基线相比的结果。

Legged robots pose one of the greatest challenges in robotics. Dynamic and agile maneuvers of animals cannot be imitated by existing methods that are crafted by humans. A compelling alternative is reinforcement learning, which requires minimal craftsmanship and promotes the natural evolution of a control policy. However, so far, reinforcement learning research for legged robots is mainly limited to simulation, and only few and comparably simple examples have been deployed on real systems. The primary reason is that training with real robots, particularly with dynamically balancing systems, is complicated and expensive. In the present work, we report a new method for training a neural network policy in simulation and transferring it to a state-of-the-art legged system, thereby we leverage fast, automated, and cost-effective data generation schemes. The approach is applied to the ANYmal robot, a sophisticated medium-dog-sized quadrupedal system. Using policies trained in simulation, the quadrupedal machine achieves locomotion skills that go beyond what had been achieved with prior methods: ANYmal is capable of precisely and energy-efficiently following high-level body velocity commands, running faster than ever before, and recovering from falling even in complex configurations.

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。

策略搜索和模型预测控制〜（MPC）是机器人控制的两个不同范式：策略搜索具有使用经验丰富的数据自动学习复杂策略的强度，而MPC可以使用模型和轨迹优化提供最佳控制性能。开放的研究问题是如何利用并结合两种方法的优势。在这项工作中，我们通过使用策略搜索自动选择MPC的高级决策变量提供答案，这导致了一种新的策略搜索 - 用于模型预测控制框架。具体地，我们将MPC作为参数化控制器配制，其中难以优化的决策变量表示为高级策略。这种制定允许以自我监督的方式优化政策。我们通过专注于敏捷无人机飞行中的具有挑战性的问题来验证这一框架：通过快速的盖茨飞行四轮车。实验表明，我们的控制器在模拟和现实世界中实现了鲁棒和实时的控制性能。拟议的框架提供了合并学习和控制的新视角。

随着腿部机器人和嵌入式计算都变得越来越有能力，研究人员已经开始专注于这些机器人的现场部署。在非结构化环境中的强大自治需要对机器人周围的世界感知，以避免危害。但是，由于处理机车动力学所需的复杂规划人员和控制器，因此在网上合并在线的同时在线保持敏捷运动对腿部机器人更具挑战性。该报告将比较三种最新的感知运动方法，并讨论可以使用视觉来实现腿部自主权的不同方式。

机器人系统的控制设计很复杂，通常需要解决优化才能准确遵循轨迹。在线优化方法（例如模型预测性控制（MPC））已被证明可以实现出色的跟踪性能，但需要高计算能力。相反，基于学习的离线优化方法，例如加固学习（RL），可以在机器人上快速有效地执行，但几乎不匹配MPC在轨迹跟踪任务中的准确性。在具有有限计算的系统（例如航空车）中，必须在执行时间有效的精确控制器。我们提出了一种分析策略梯度（APG）方法来解决此问题。 APG通过在跟踪误差上以梯度下降的速度训练控制器来利用可区分的模拟器的可用性。我们解决了通过课程学习和实验经常在广泛使用的控制基准，Cartpole和两个常见的空中机器人，一个四极管和固定翼无人机上进行的训练不稳定性。在跟踪误差方面，我们提出的方法优于基于模型和无模型的RL方法。同时，它达到与MPC相似的性能，同时需要少于数量级的计算时间。我们的工作为APG作为机器人技术的有前途的控制方法提供了见解。为了促进对APG的探索，我们开放代码并在https://github.com/lis-epfl/apg_traightory_tracking上提供。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。

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。

由于机器人动力学中的固有非线性，腿部机器人全身动作的在线计划具有挑战性。在这项工作中，我们提出了一个非线性MPC框架，该框架可以通过有效利用机器人动力学结构来在线生成全身轨迹。Biconmp用于在真正的四倍机器人上生成各种环状步态，其性能在不同的地形上进行了评估，对抗不同步态之间的不可预见的推动力并在线过渡。此外，提出了双孔在机器人上产生非平凡无环的全身动态运动的能力。同样的方法也被用来在人体机器人（TALOS）上产生MPC的各种动态运动，并在模拟中产生另一个四倍的机器人（Anymal）。最后，报告并讨论了对计划范围和频率对非线性MPC框架的影响的广泛经验分析。

灵活的联合机械手经常用于人机协作和共享工作区任务的增强安全性。然而，关节灵活性显着降低了运动的准确性，特别是在高速度和廉价的致动器中。在本文中，我们提出了一种基于学习的方法来识别柔性联合机械手的未知动态，并改善高速下的轨迹跟踪。我们提出了一种两级模型，由一步向前动态预测器和逆动力学估计器组成。第二部分基于线性时间不变动态运算符，以近似前馈接头位置和速度命令。我们在真实数据上培训模型结束，并在Baxter Robot上评估它。我们的实验表明，通过一步的未来状态预测增强输入可以提高性能，而不是在没有预测的情况下相同的模型。我们比较关节位置，接合速度和终端效应器位置跟踪精度，对经典基线控制器和几种更简单的型号。

在腿部机器人技术中，计划和执行敏捷的机动演习一直是一个长期的挑战。它需要实时得出运动计划和本地反馈政策，以处理动力学动量的非物质。为此，我们提出了一个混合预测控制器，该控制器考虑了机器人的致动界限和全身动力学。它将反馈政策与触觉信息相结合，以在本地预测未来的行动。由于采用可行性驱动的方法，它在几毫秒内收敛。我们的预测控制器使Anymal机器人能够在现实的场景中生成敏捷操作。关键要素是跟踪本地反馈策略，因为与全身控制相反，它们达到了所需的角动量。据我们所知，我们的预测控制器是第一个处理驱动限制，生成敏捷的机动操作以及执行低级扭矩控制的最佳反馈策略，而无需使用单独的全身控制器。

实现有腿机器人潜力的基本挑战之一是产生跨越具有挑战性的地形的计划。必须仔细选择控制操作，以便机器人不会崩溃或滑动。联合空间的高维度使得直接规划从船上感知的低级动作困难，并且控制堆栈不考虑机器人在规划中的低级机制不适合处理细粒度的障碍。处理这一点的一种方法是基于地形特征选择脚步位置。然而，将机器人动力学结合到脚步规划需要大量计算，远远超过准静态案例。在这项工作中，我们介绍了一个基于LSTM的计划框架，了解了使用地形扫描和机器人的动态的可能脚步位置的概率分布，并利用LSTM的顺序性，以找到线性时间的脚步。我们的框架也可以用作加速采样的规划仪的模块。我们在各种不均匀的地形上验证了我们在模拟的单腿料斗上的方法。

为了使腿部机器人与人类和动物的运动能力相匹配，它们不仅必须产生强大的周期性步行和跑步，而且还必须在名义运动步态和更专业的瞬态操纵之间无缝切换。尽管最近在两足机器人的控制方面取得了进步，但几乎没有集中精力产生高度动态的行为。利用强化学习制定控制腿机器人的政策的最新工作表明，在产生强大的步行行为方面取得了成功。但是，这些学识渊博的政策难以在单个网络上表达多种不同行为。受腿部机器人的常规优化控制技术的启发，这项工作应用了一个经常性的策略来执行四步，90度转弯，使用从优化的单个刚体模型轨迹生成的参考数据进行了训练。我们提出了一个新型的培训框架，该培训框架使用结尾终端奖励从预先计算的轨迹数据中学习特定行为，并证明了双皮亚机器人Cassie上的硬件成功转移。

The ability to generate dynamic walking in real-time for bipedal robots with input constraints and underactuation has the potential to enable locomotion in dynamic, complex and unstructured environments. Yet, the high-dimensional nature of bipedal robots has limited the use of full-order rigid body dynamics to gaits which are synthesized offline and then tracked online. In this work we develop an online nonlinear model predictive control approach that leverages the full-order dynamics to realize diverse walking behaviors. Additionally, this approach can be coupled with gaits synthesized offline via a desired reference to enable a shorter prediction horizon and rapid online re-planning, bridging the gap between online reactive control and offline gait planning. We demonstrate the proposed method, both with and without an offline gait, on the planar robot AMBER-3M in simulation and on hardware.

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

通过腿部机器人在具有挑战性的环境上进行本地导航的通用方法需要路径计划，路径跟随和运动，这通常需要机动控制策略，以准确跟踪指挥速度。但是，通过将导航问题分解为这些子任务，我们限制了机器人的功能，因为各个任务不考虑完整的解决方案空间。在这项工作中，我们建议通过深入强化学习来训练端到端政策来解决完整的问题。机器人不必在提供的时间内到达目标位置，而不是不断跟踪预算的路径。该任务的成功仅在情节结束时进行评估，这意味着该策略不需要尽快到达目标。可以免费选择其路径和运动步态。以这种方式培训政策可以打开更多可能的解决方案，这使机器人能够学习更多复杂的行为。我们比较我们的速度跟踪方法，并表明任务奖励的时间依赖性对于成功学习这些新行为至关重要。最后，我们证明了在真正的四足动物机器人上成功部署政策。机器人能够跨越具有挑战性的地形，这是以前无法实现的，同时使用更节能的步态并达到更高的成功率。

机器人导航传统上依赖于构建用于计划无碰撞轨迹的显式映射到所需的目标。在可变形的复杂地形中，使用基于几何的方法可以不能找到由于错误的可变形物体而像刚性和不可能的那样的路径。相反，我们学习预测地形区域的可迁移性以及更喜欢更容易导航的区域的估计（例如，小草上的小灌木）。与规范动态模型相比，我们而不是预测碰撞，而不是在实现的错误上回归。我们用一个政策方法训练，导致使用跨模拟和现实世界的培训数据分裂的50分钟的成功导航政策。我们基于学习的导航系统是一个示例高效的短期计划，我们在通过包括草原和森林的各种地形导航的清晰路径哈士摩克

Reinforcement Learning (RL) has seen many recent successes for quadruped robot control. The imitation of reference motions provides a simple and powerful prior for guiding solutions towards desired solutions without the need for meticulous reward design. While much work uses motion capture data or hand-crafted trajectories as the reference motion, relatively little work has explored the use of reference motions coming from model-based trajectory optimization. In this work, we investigate several design considerations that arise with such a framework, as demonstrated through four dynamic behaviours: trot, front hop, 180 backflip, and biped stepping. These are trained in simulation and transferred to a physical Solo 8 quadruped robot without further adaptation. In particular, we explore the space of feed-forward designs afforded by the trajectory optimizer to understand its impact on RL learning efficiency and sim-to-real transfer. These findings contribute to the long standing goal of producing robot controllers that combine the interpretability and precision of model-based optimization with the robustness that model-free RL-based controllers offer.