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

本文详细介绍了我们对2021年真正机器人挑战的第一阶段提交的提交；三指机器人必须沿指定目标轨迹携带立方体的挑战。为了解决第1阶段，我们使用一种纯净的增强学习方法，该方法需要对机器人系统或机器人抓握的最少专家知识。与事后的经验重播一起采用了稀疏，基于目标的奖励，以教导控制立方体将立方体移至目标的X和Y坐标。同时，采用了基于密集的距离奖励来教授将立方体提升到目标的Z坐标（高度组成部分）的政策。该策略在将域随机化的模拟中进行培训，然后再转移到真实的机器人进行评估。尽管此次转移后的性能往往会恶化，但我们的最佳政策可以通过有效的捏合掌握能够成功地沿目标轨迹提升真正的立方体。我们的方法表现优于所有其他提交，包括那些利用更传统的机器人控制技术的提交，并且是第一个解决这一挑战的纯学习方法。

我们提出了一种从演示方法（LFD）方法的新颖学习，即示范（DMFD）的可变形操作，以使用状态或图像作为输入（给定的专家演示）来求解可变形的操纵任务。我们的方法以三种不同的方式使用演示，并平衡在线探索环境和使用专家的指导之间进行权衡的权衡，以有效地探索高维空间。我们在一组一维绳索的一组代表性操纵任务上测试DMFD，并从软件套件中的一套二维布和2维布进行测试，每个任务都带有状态和图像观测。对于基于状态的任务，我们的方法超过基线性能高达12.9％，在基于图像的任务上最多超过33.44％，具有可比或更好的随机性。此外，我们创建了两个具有挑战性的环境，用于使用基于图像的观测值折叠2D布，并为其设定性能基准。与仿真相比，我们在现实世界执行过程中归一化性能损失最小的真实机器人（约为6％），我们将DMFD部署为最小。源代码在github.com/uscresl/dmfd上

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。

机器人操纵器广泛用于现代制造过程。但是，它们在非结构化环境中的部署仍然是一个公开问题。为了应对现实世界操纵任务的多样性，复杂性和不确定性，必须开发灵活的框架，以减少环境特征的假设。近年来，加固学习（RL）为单臂机器人操纵表现出了很大的结果。然而，专注于双臂操纵的研究仍然很少见。根据经典的控制视角，解决这些任务通常涉及两个操纵器之间的相互作用的复杂建模，以及在任务中遇到的对象，以及在控制水平处耦合的两个机器人。相反，在这项工作中，我们探讨了无模型RL对双臂组件的适用性。当我们的目标是促进不限于双臂组件的方法，而是一般来说，双臂操纵，我们将尽量措施保持建模。因此，为了避免建模两个机器人与使用的组装工具之间的相互作用，我们呈现了一种模块化方法，其具有两个分散的单臂控制器，其使用单个集中式学习策略耦合。我们只使用稀疏奖励将建模努力降低到最低限度。我们的建筑使成功的装配和简单地从模拟转移到现实世界。我们展示了框架对双臂钉孔的有效性，并分析了不同动作空间的样品效率和成功率。此外，我们在处理位置不确定性时，我们比较不同的间隙和展示干扰恢复和稳健性的结果。最后，我们Zero-Shot Transfer策略在模拟中培训到现实世界并评估其性能。

我们研究了复杂几何物体的机器人堆叠问题。我们提出了一个挑战和多样化的这些物体，这些物体被精心设计，以便要求超出简单的“拾取”解决方案之外的策略。我们的方法是加强学习（RL）方法与基于视觉的互动政策蒸馏和模拟到现实转移相结合。我们的学习政策可以有效地处理现实世界中的多个对象组合，并展示各种各样的堆叠技能。在一个大型的实验研究中，我们调查在模拟中学习这种基于视觉的基于视觉的代理的选择，以及对真实机器人的最佳转移产生了什么影响。然后，我们利用这些策略收集的数据并通过离线RL改善它们。我们工作的视频和博客文章作为补充材料提供。

学习玩乒乓球是机器人的一个具有挑战性的任务，作为所需的各种笔画。最近的进展表明，深度加强学习（RL）能够在模拟环境中成功地学习最佳动作。然而，由于高勘探努力，RL在实际情况中的适用性仍然有限。在这项工作中，我们提出了一个现实的模拟环境，其中多种模型是为球的动态和机器人的运动学而建立的。代替训练端到端的RL模型，提出了一种具有TD3骨干的新的政策梯度方法，以基于击球时间基于球的预测状态来学习球拍笔划。在实验中，我们表明，所提出的方法显着优于仿真中现有的RL方法。此外，将域从仿真跨越现实，我们采用了一个有效的再培训方法，并在三种实际情况下测试。由此产生的成功率为98％，距离误差约为24.9厘米。总培训时间约为1.5小时。

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。

长期以来，可变形的物体操纵任务被视为具有挑战性的机器人问题。但是，直到最近，对这个主题的工作很少，大多数机器人操纵方法正在为刚性物体开发。可变形的对象更难建模和模拟，这限制了对模型的增强学习（RL）策略的使用，因为它们需要仅在模拟中满足的大量数据。本文提出了针对可变形线性对象（DLOS）的新形状控制任务。更值得注意的是，我们介绍了有关弹性塑性特性对这种类型问题的影响的第一个研究。在各种应用中发现具有弹性性的物体（例如金属线），并且由于其非线性行为而挑战。我们首先强调了从RL角度来解决此类操纵任务的挑战，尤其是在定义奖励时。然后，基于差异几何形状的概念，我们提出了使用离散曲率和扭转的固有形状表示。最后，我们通过一项实证研究表明，为了成功地使用深层确定性策略梯度（DDPG）成功解决所提出的任务，奖励需要包括有关DLO形状的内在信息。

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.

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/

Exploration in environments with sparse rewards has been a persistent problem in reinforcement learning (RL). Many tasks are natural to specify with a sparse reward, and manually shaping a reward function can result in suboptimal performance. However, finding a non-zero reward is exponentially more difficult with increasing task horizon or action dimensionality. This puts many real-world tasks out of practical reach of RL methods. In this work, we use demonstrations to overcome the exploration problem and successfully learn to perform long-horizon, multi-step robotics tasks with continuous control such as stacking blocks with a robot arm. Our method, which builds on top of Deep Deterministic Policy Gradients and Hindsight Experience Replay, provides an order of magnitude of speedup over RL on simulated robotics tasks. It is simple to implement and makes only the additional assumption that we can collect a small set of demonstrations. Furthermore, our method is able to solve tasks not solvable by either RL or behavior cloning alone, and often ends up outperforming the demonstrator policy.

具有通用机器人臂的外星漫游者在月球和行星勘探中具有许多潜在的应用。将自主权引入此类系统是需要增加流浪者可以花费收集科学数据并收集样本的时间的。这项工作调查了深钢筋学习对月球上对象的基于视觉的机器人抓握的适用性。创建了一个具有程序生成数据集的新型模拟环境，以在具有不平衡的地形和严酷照明的非结构化场景中训练代理。然后，采用了无模型的非政治演员 - 批评算法来端对端学习，该策略将紧凑的OCTREE观察结果直接映射到笛卡尔空间中的连续行动。实验评估表明，与传统使用的基于图像的观测值相比，3D数据表示可以更有效地学习操纵技能。域随机化改善了以前看不见的物体和不同照明条件的新场景的学识关系的概括。为此，我们通过评估月球障碍设施中的真实机器人上的训练有素的代理来证明零射击的SIM到现实转移。

由于在存在障碍物和高维视觉观测的情况下，由于在存在障碍和高维视觉观测的情况下，学习复杂的操纵任务是一个具有挑战性的问题。事先工作通过整合运动规划和强化学习来解决勘探问题。但是，运动计划程序增强策略需要访问状态信息，该信息通常在现实世界中不可用。为此，我们建议通过（1）视觉行为克隆以通过（1）视觉行为克隆来将基于国家的运动计划者增强策略，以删除运动计划员依赖以及其抖动运动，以及（2）基于视觉的增强学习来自行为克隆代理的平滑轨迹的指导。我们在阻塞环境中的三个操作任务中评估我们的方法，并将其与各种加固学习和模仿学习基线进行比较。结果表明，我们的框架是高度采样的和优于最先进的算法。此外，与域随机化相结合，我们的政策能够用零击转移到未经分散的人的未经环境环境。 https://clvrai.com/mopa-pd提供的代码和视频

最近，深度加固学习（RL）在机器人操作应用中表现出了一些令人印象深刻的成功。但是，由于样本效率和安全性问题，现实世界中的培训机器人是不平凡的。提出了SIM到现实的转移来解决上述问题，但引入了一个名为“现实差距”的新问题。在这项工作中，我们通过使用单个摄像头的输入来解决上述问题，为基于视觉的组装任务引入SIM模型学习框架，并在模拟环境中进行培训。我们提出了一种基于循环一致的生成对抗网络（CycleGAN）和力量控制转移方法来弥合现实差距的域适应方法。我们证明，在模拟环境中训练有训练的拟议框架可以成功地转移到真实的孔洞设置中。

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

稀疏奖励学习通常在加强学习（RL）方面效率低下。 Hindsight Experience重播（她）已显示出一种有效的解决方案，可以处理低样本效率，这是由于目标重新标记而导致的稀疏奖励效率。但是，她仍然有一个隐含的虚拟阳性稀疏奖励问题，这是由于实现目标而引起的，尤其是对于机器人操纵任务而言。为了解决这个问题，我们提出了一种新型的无模型连续RL算法，称为Relay-HER（RHER）。提出的方法首先分解并重新布置原始的长马任务，以增量复杂性为新的子任务。随后，多任务网络旨在以复杂性的上升顺序学习子任务。为了解决虚拟阳性的稀疏奖励问题，我们提出了一种随机混合的探索策略（RME），在该策略中，在复杂性较低的人的指导下，较高复杂性的子任务的实现目标很快就会改变。实验结果表明，在五个典型的机器人操纵任务中，与香草盖相比，RHER样品效率的显着提高，包括Push，Pickandplace，抽屉，插入物和InstaclePush。提出的RHER方法还应用于从头开始的物理机器人上的接触式推送任务，成功率仅使用250集达到10/10。

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

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。

深度加固学习（DRL）使机器人能够结束结束地执行一些智能任务。然而，长地平线稀疏奖励机器人机械手任务仍存在许多挑战。一方面，稀疏奖励设置会导致探索效率低下。另一方面，使用物理机器人的探索是高成本和不安全的。在本文中，我们提出了一种学习使用本文中名为基础控制器的一个或多个现有传统控制器的长地平线稀疏奖励任务。基于深度确定性的政策梯度（DDPG），我们的算法将现有基础控制器融入勘探，价值学习和策略更新的阶段。此外，我们介绍了合成不同基础控制器以整合它们的优点的直接方式。通过从堆叠块到杯子的实验，证明学习的国家或基于图像的策略稳定优于基础控制器。与以前的示范中的学习作品相比，我们的方法通过数量级提高了样品效率，提高了性能。总体而言，我们的方法具有利用现有的工业机器人操纵系统来构建更灵活和智能控制器的可能性。