Surgical robot automation has attracted increasing research interest over the past decade, expecting its huge potential to benefit surgeons, nurses and patients. Recently, the learning paradigm of embodied AI has demonstrated promising ability to learn good control policies for various complex tasks, where embodied AI simulators play an essential role to facilitate relevant researchers. However, existing open-sourced simulators for surgical robot are still not sufficiently supporting human interactions through physical input devices, which further limits effective investigations on how human demonstrations would affect policy learning. In this paper, we study human-in-the-loop embodied intelligence with a new interactive simulation platform for surgical robot learning. Specifically, we establish our platform based on our previously released SurRoL simulator with several new features co-developed to allow high-quality human interaction via an input device. With these, we further propose to collect human demonstrations and imitate the action patterns to achieve more effective policy learning. We showcase the improvement of our simulation environment with the designed new features and tasks, and validate state-of-the-art reinforcement learning algorithms using the interactive environment. Promising results are obtained, with which we hope to pave the way for future research on surgical embodied intelligence. Our platform is released and will be continuously updated in the website: https://med-air.github.io/SurRoL/

Dexterous manipulation with anthropomorphic robot hands remains a challenging problem in robotics because of the high-dimensional state and action spaces and complex contacts. Nevertheless, skillful closed-loop manipulation is required to enable humanoid robots to operate in unstructured real-world environments. Reinforcement learning (RL) has traditionally imposed enormous interaction data requirements for optimizing such complex control problems. We introduce a new framework that leverages recent advances in GPU-based simulation along with the strength of imitation learning in guiding policy search towards promising behaviors to make RL training feasible in these domains. To this end, we present an immersive virtual reality teleoperation interface designed for interactive human-like manipulation on contact rich tasks and a suite of manipulation environments inspired by tasks of daily living. Finally, we demonstrate the complementary strengths of massively parallel RL and imitation learning, yielding robust and natural behaviors. Videos of trained policies, our source code, and the collected demonstration datasets are available at https://maltemosbach.github.io/interactive_ human_like_manipulation/.

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。

通过加强学习（RL）掌握机器人操纵技巧通常需要设计奖励功能。该地区的最新进展表明，使用稀疏奖励，即仅在成功完成任务时奖励代理，可能会导致更好的政策。但是，在这种情况下，国家行动空间探索更困难。最近的RL与稀疏奖励学习的方法已经为任务提供了高质量的人类演示，但这些可能是昂贵的，耗时甚至不可能获得的。在本文中，我们提出了一种不需要人类示范的新颖有效方法。我们观察到，每个机器人操纵任务都可以被视为涉及从被操纵对象的角度来看运动的任务，即，对象可以了解如何自己达到目标状态。为了利用这个想法，我们介绍了一个框架，最初使用现实物理模拟器获得对象运动策略。然后，此策略用于生成辅助奖励，称为模拟的机器人演示奖励（SLDRS），使我们能够学习机器人操纵策略。拟议的方法已在增加复杂性的13个任务中进行了评估，与替代算法相比，可以实现更高的成功率和更快的学习率。 SLDRS对多对象堆叠和非刚性物体操作等任务特别有益。

最近在体现AI中的研究已经通过使用模拟环境来开发和培训机器人学习方法。然而，使用模拟已经引起了只需要机器人模拟器可以模拟的任务：运动和物理接触的任务。我们呈现IGIBSON 2.0，一个开源仿真环境，通过三个关键创新支持模拟更多样化的家庭任务。首先，IGIBSON 2.0支持对象状态，包括温度，湿度水平，清洁度和切割和切片状态，以涵盖更广泛的任务。其次，IGIBSON 2.0实现了一组谓词逻辑函数，该逻辑函数将模拟器状态映射到烹饪或浸泡等逻辑状态。另外，给定逻辑状态，IGIBSON 2.0可以对满足它的有效物理状态进行示例。此功能可以以最少的努力从用户生成潜在的无限实例。采样机制允许我们的场景在语义有意义的位置中的小对象更密集地填充。第三，IGIBSON 2.0包括虚拟现实（VR）界面，以将人类浸入其场景以收集示威操作。因此，我们可以从这些新型任务中收集人类的示威活动，并使用它们进行模仿学习。我们评估了IGIBSON 2.0的新功能，以实现新的任务的机器人学习，希望能够展示这一新模拟器的潜力来支持体现AI的新研究。 IGIBSON 2.0及其新数据集可在http://svl.stanford.edu/igibson/上公开提供。

在机器学习中使用大型数据集已导致出色的结果，在某些情况下，在机器上认为不可能的任务中的人数优于人类。但是，在处理身体上的互动任务时，实现人类水平的表现，例如，在接触良好的机器人操作中，仍然是一个巨大的挑战。众所周知，规范笛卡尔阻抗进行此类行动对于成功执行至关重要。加强学习（RL）之类的方法可能是解决此类问题的有希望的范式。更确切地说，在解决新任务具有巨大潜力时，使用任务不足的专家演示的方法可以利用大型数据集。但是，现有的数据收集系统是昂贵，复杂的，或者不允许进行阻抗调节。这项工作是朝着数据收集框架迈出的第一步，适合收集与使用新颖的动作空间的RL问题公式相容的基于阻抗的专家演示的大型数据集。该框架是根据对机器人操纵的可用数据收集框架进行广泛分析后根据要求设计的。结果是一个低成本且开放的远程阻抗框架，它使人类专家能够展示接触式任务。

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

在移动操作（MM）中，机器人可以在内部导航并与其环境进行交互，因此能够完成比仅能够导航或操纵的机器人的更多任务。在这项工作中，我们探讨如何应用模仿学习（IL）来学习MM任务的连续Visuo-Motor策略。许多事先工作表明，IL可以为操作或导航域训练Visuo-Motor策略，但很少有效应用IL到MM域。这样做是挑战的两个原因：在数据方面，当前的接口使得收集高质量的人类示范困难，在学习方面，有限数据培训的政策可能会在部署时遭受协变速转变。为了解决这些问题，我们首先提出了移动操作Roboturk（Momart），这是一种新颖的遥控框架，允许同时导航和操纵移动操纵器，并在现实的模拟厨房设置中收集一类大规模的大规模数据集。然后，我们提出了一个学习错误检测系统来解决通过检测代理处于潜在故障状态时的协变量转变。我们从该数据中培训表演者的IL政策和错误探测器，在专家数据培训时，在多个多级任务中达到超过45％的任务成功率和85％的错误检测成功率。 CodeBase，DataSets，Visualization，以及更多可用的https://sites.google.com/view/il-for-mm/home。

由于配置空间的高维度以及受各种材料特性影响的动力学的复杂性，布料操纵是一项具有挑战性的任务。复杂动力学的效果甚至在动态折叠中更为明显，例如，当平方板通过单个操纵器将一块织物折叠为两种时。为了说明复杂性和不确定性，使用例如通常需要视觉。但是，构建动态布折叠的视觉反馈政策是一个开放的问题。在本文中，我们提出了一种解决方案，该解决方案可以使用强化学习（RL）学习模拟政策，并将学识渊博的政策直接转移到现实世界中。此外，要学习一种操纵多种材料的单一策略，我们将模拟中的材料属性随机化。我们评估了现实世界实验中视觉反馈和材料随机化的贡献。实验结果表明，所提出的解决方案可以使用现实世界中的动态操作成功地折叠不同的面料类型。代码，数据和视频可从https://sites.google.com/view/dynamic-cloth-folding获得

Imitation learning techniques aim to mimic human behavior in a given task. An agent (a learning machine) is trained to perform a task from demonstrations by learning a mapping between observations and actions. The idea of teaching by imitation has been around for many years, however, the field is gaining attention recently due to advances in computing and sensing as well as rising demand for intelligent applications. The paradigm of learning by imitation is gaining popularity because it facilitates teaching complex tasks with minimal expert knowledge of the tasks. Generic imitation learning methods could potentially reduce the problem of teaching a task to that of providing demonstrations; without the need for explicit programming or designing reward functions specific to the task. Modern sensors are able to collect and transmit high volumes of data rapidly, and processors with high computational power allow fast processing that maps the sensory data to actions in a timely manner. This opens the door for many potential AI applications that require real-time perception and reaction such as humanoid robots, self-driving vehicles, human computer interaction and computer games to name a few. However, specialized algorithms are needed to effectively and robustly learn models as learning by imitation poses its own set of challenges. In this paper, we survey imitation learning methods and present design options in different steps of the learning process. We introduce a background and motivation for the field as well as highlight challenges specific to the imitation problem. Methods for designing and evaluating imitation learning tasks are categorized and reviewed. Special attention is given to learning methods in robotics and games as these domains are the most popular in the literature and provide a wide array of problems and methodologies. We extensively discuss combining imitation learning approaches using different sources and methods, as well as incorporating other motion learning methods to enhance imitation. We also discuss the potential impact on industry, present major applications and highlight current and future research directions.

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。

We present a retrospective on the state of Embodied AI research. Our analysis focuses on 13 challenges presented at the Embodied AI Workshop at CVPR. These challenges are grouped into three themes: (1) visual navigation, (2) rearrangement, and (3) embodied vision-and-language. We discuss the dominant datasets within each theme, evaluation metrics for the challenges, and the performance of state-of-the-art models. We highlight commonalities between top approaches to the challenges and identify potential future directions for Embodied AI research.

虽然对理解计算机视觉中的手对象交互进行了重大进展，但机器人执行复杂的灵巧操纵仍然非常具有挑战性。在本文中，我们提出了一种新的平台和管道DEXMV（来自视频的Dexerous操纵）以进行模仿学习。我们设计了一个平台：（i）具有多指机器人手和（ii）计算机视觉系统的复杂灵巧操纵任务的仿真系统，以记录进行相同任务的人类手的大规模示范。在我们的小说管道中，我们从视频中提取3D手和对象姿势，并提出了一种新颖的演示翻译方法，将人类运动转换为机器人示范。然后，我们将多个仿制学习算法与演示进行应用。我们表明，示威活动确实可以通过大幅度提高机器人学习，并解决独自增强学习无法解决的复杂任务。具有视频的项目页面：https://yzqin.github.io/dexmv

现实的操纵任务要求机器人与具有长时间运动动作序列的环境相互作用。尽管最近出现了深厚的强化学习方法，这是自动化操作行为的有希望的范式，但由于勘探负担，它们通常在长途任务中缺乏。这项工作介绍了操纵原始增强的强化学习（Maple），这是一个学习框架，可通过预定的行为原始库来增强标准强化学习算法。这些行为原始素是专门实现操纵目标（例如抓住和推动）的强大功能模块。为了使用这些异质原始素，我们制定了涉及原语的层次结构策略，并使用输入参数实例化执行。我们证明，枫树的表现优于基线方法，通过一系列模拟的操纵任务的大幅度。我们还量化了学习行为的组成结构，并突出了我们方法将策略转移到新任务变体和物理硬件的能力。视频和代码可从https://ut-aut-autin-rpl.github.io/maple获得

机器人将机器人的无缝集成到人类环境需要机器人来学习如何使用现有的人类工具。学习工具操纵技能的目前方法主要依赖于目标机器人环境中提供的专家演示，例如，通过手动引导机器人操纵器或通过远程操作。在这项工作中，我们介绍了一种自动化方法，取代了一个专家演示，用YouTube视频来学习工具操纵策略。主要贡献是双重的。首先，我们设计一个对齐过程，使模拟环境与视频中观察到的真实世界。这是作为优化问题，找到刀具轨迹的空间对齐，以最大化环境给出的稀疏目标奖励。其次，我们描述了一种专注于工具的轨迹而不是人类的运动的模仿学习方法。为此，我们将加强学习与优化过程相结合，以基于对准环境中的工具运动来找到控制策略和机器人的放置。我们展示了仿真中的铲子，镰刀和锤子工具的建议方法，并展示了训练有素的政策对真正的弗兰卡·埃米卡熊猫机器人示范的卫生政策的有效性。

通过各种物体学习各种灵巧的操纵行为仍然是一个开放的巨大挑战。虽然政策学习方法为攻击此问题提供了强大的途径，但它们需要大量的每任务工程和算法调整。本文试图通过开发预先保证的灵巧操纵（PGDM）框架来逃避这些约束，从而在没有任何特定于任务的推理或超级参数调整的情况下会产生各种灵活的操纵行为。 PGD​​M的核心是一种众所周知的机器人构建体，即pre grasps（即用于对象相互作用的手工置序）。这种简单的原始性足以诱导有效的探索策略来获取复杂的灵巧操纵行为。为了详尽地验证这些主张，我们介绍了TCDM，这是根据多个对象和灵巧的操纵器定义的50个不同操纵任务的基准。 TCDM的任务是使用来自各种来源（动画师，人类行为等）的示例对象轨迹自动定义的，而无需任何执行任务工程和/或监督。我们的实验验证了PGDM的探索策略，该策略是由令人惊讶的简单成分（单个预抓姿势）引起的，与先前方法的性能相匹配，这些方法需要昂贵的每任意功能/奖励工程，专家监督和高参数调整。有关动画可视化，训练有素的策略和项目代码，请参阅：https：//pregrasps.github.io/

实现人类水平的灵活性是机器人技术中的重要开放问题。但是，即使在婴儿级别，灵巧的手动操纵任务也是通过增强学习（RL）的挑战。困难在于高度的自由度和异质因素（例如手指关节）之间所需的合作。在这项研究中，我们提出了双人灵感手基准（BI-DEXHANDS），这是一种模拟器，涉及两只灵巧的手，其中包含数十只双人操纵任务和数千个目标对象。具体而言，根据认知科学文献，BI-DEXHANDS中的任务旨在匹配不同级别的人类运动技能。我们在ISSAC体育馆里建造了Bi-Dexhands；这可以实现高效的RL培训，仅在一个NVIDIA RTX 3090中达到30,000+ fps。我们在不同的设置下为流行的RL算法提供了全面的基准；这包括单代理/多代理RL，离线RL，多任务RL和META RL。我们的结果表明，PPO类型的上车算法可以掌握简单的操纵任务，该任务等效到48个月的人类婴儿（例如，捕获飞行的物体，打开瓶子），而多代理RL可以进一步帮助掌握掌握需要熟练的双人合作的操作（例如，举起锅，堆叠块）。尽管每个任务都取得了成功，但在获得多个操纵技能方面，现有的RL算法无法在大多数多任务和少量学习设置中工作，这需要从RL社区进行更实质性的发展。我们的项目通过https://github.com/pku-marl/dexteroushands开放。

Reinforcement learning holds the promise of enabling autonomous robots to learn large repertoires of behavioral skills with minimal human intervention. However, robotic applications of reinforcement learning often compromise the autonomy of the learning process in favor of achieving training times that are practical for real physical systems. This typically involves introducing hand-engineered policy representations and human-supplied demonstrations. Deep reinforcement learning alleviates this limitation by training general-purpose neural network policies, but applications of direct deep reinforcement learning algorithms have so far been restricted to simulated settings and relatively simple tasks, due to their apparent high sample complexity. In this paper, we demonstrate that a recent deep reinforcement learning algorithm based on offpolicy training of deep Q-functions can scale to complex 3D manipulation tasks and can learn deep neural network policies efficiently enough to train on real physical robots. We demonstrate that the training times can be further reduced by parallelizing the algorithm across multiple robots which pool their policy updates asynchronously. Our experimental evaluation shows that our method can learn a variety of 3D manipulation skills in simulation and a complex door opening skill on real robots without any prior demonstrations or manually designed representations.

The ability to learn from human demonstration endows robots with the ability to automate various tasks. However, directly learning from human demonstration is challenging since the structure of the human hand can be very different from the desired robot gripper. In this work, we show that manipulation skills can be transferred from a human to a robot through the use of micro-evolutionary reinforcement learning, where a five-finger human dexterous hand robot gradually evolves into a commercial robot, while repeated interacting in a physics simulator to continuously update the policy that is first learned from human demonstration. To deal with the high dimensions of robot parameters, we propose an algorithm for multi-dimensional evolution path searching that allows joint optimization of both the robot evolution path and the policy. Through experiments on human object manipulation datasets, we show that our framework can efficiently transfer the expert human agent policy trained from human demonstrations in diverse modalities to target commercial robots.

强化学习（RL）算法有望为机器人系统实现自主技能获取。但是，实际上，现实世界中的机器人RL通常需要耗时的数据收集和频繁的人类干预来重置环境。此外，当部署超出知识的设置超出其学习的设置时，使用RL学到的机器人政策通常会失败。在这项工作中，我们研究了如何通过从先前看到的任务中收集的各种离线数据集的有效利用来应对这些挑战。当面对一项新任务时，我们的系统会适应以前学习的技能，以快速学习执行新任务并将环境返回到初始状态，从而有效地执行自己的环境重置。我们的经验结果表明，将先前的数据纳入机器人增强学习中可以实现自主学习，从而大大提高了学习的样本效率，并可以更好地概括。