在对关节对象表示表示的工作之后，引入了面向对象的网络（FOON）作为机器人的知识图表示。以双方图的形式，Foon包含符号（高级）概念，可用于机器人对任务及其对象级别计划的环境的理解及其环境。在本文之前，几乎没有做任何事情来证明如何通过任务树检索从FOON获取的任务计划如何由机器人执行，因为Foon中的概念太抽象了，无法立即执行。我们提出了一种分层任务计划方法，该方法将FOON图转换为基于PDDL的域知识表示操作计划的表示。由于这个过程，可以获取一个任务计划，即机器人可以从头到尾执行，以利用动态运动原始功能（DMP）的形式使用动作上下文和技能。我们演示了从计划到使用Coppeliasim执行的整个管道，并展示如何将学习的动作上下文扩展到从未见过的场景。

从制造环境到个人房屋的最终用户任务的巨大多样性使得预编程机器人非常具有挑战性。事实上，教学机器人从划痕的新行动可以重复使用以前看不见的任务仍然是一个艰难的挑战，一般都留给了机器人专家。在这项工作中，我们展示了Iropro，这是一个交互式机器人编程框架，允许最终用户没有技术背景，以教授机器人新的可重用行动。我们通过演示和自动规划技术将编程结合起来，以允许用户通过通过动力学示范教授新的行动来构建机器人的知识库。这些行动是概括的，并重用任务计划程序来解决用户定义的先前未经调查的问题。我们将iropro作为Baxter研究机器人的端到端系统实施，同时通过演示通过示范来教授低级和高级操作，以便用户可以通过图形用户界面自定义以适应其特定用例。为了评估我们的方法的可行性，我们首先进行了预设计实验，以更好地了解用户采用所涉及的概念和所提出的机器人编程过程。我们将结果与设计后实验进行比较，在那里我们进行了用户学习，以验证我们对真实最终用户的方法的可用性。总体而言，我们展示了具有不同编程水平和教育背景的用户可以轻松学习和使用Iropro及其机器人编程过程。

灵活的任务计划继续对机器人构成艰巨的挑战，在这种机器人中，机器人无法创造性地将其任务计划改编成新的或看不见的问题，这主要是由于它对其行动和世界的知识有限。通过人类适应能力的激励，我们探索了如何从知识图（称为功能对象的网络（FOON））中获得的任务计划，可以用于针对需要在其知识库中不容易获得机器人可用概念的新型问题的新问题。来自140种烹饪食谱的知识是在FOON知识图中构造的，该图用于获取称为任务树的任务计划序列。可以修改任务树以以Foon知识图格式复制配方，这对于通过依靠语义相似性来丰富FOON的新食谱很有用。我们演示了任务树生成的力量，可以在食谱中从食谱中看到的1M+数据集中的食谱中看到，从未见过的成分和状态组合创建任务树的功能，我们根据它们的精确描述了新添加的成分的方式来评估树的质量。我们的实验结果表明，我们的系统能够提供76％正确性的任务序列。

3D场景图（3DSG）是新兴的描述；统一符号，拓扑和度量场景表示。但是，典型的3DSG即使在小环境中包含数百个对象和符号。完整图上的任务计划是不切实际的。我们构建任务法，这是第一个大规模的机器人任务计划基准3DSGS。尽管大多数基准在该领域的基准努力都集中在基于愿景的计划上，但我们系统地研究了符号计划，以使计划绩效与视觉表示学习相结合。我们观察到，在现有方法中，基于经典和学习的计划者都不能在完整的3DSG上实时计划。实现实时计划需要（a）稀疏3DSG进行可拖动计划的进展，以及（b）设计更好利用3DSG层次结构的计划者。针对前一个目标，我们提出了磨砂膏，这是一种由任务条件的3DSG稀疏方法。使经典计划者能够匹配，在某些情况下可以超过最新的学习计划者。我们提出寻求后一个目标，这是一种使学习计划者能够利用3DSG结构的程序，从而减少了当前最佳方法所需的重型查询数量的数量级。我们将开放所有代码和基线，以刺激机器人任务计划，学习和3DSGS的交叉点进行进一步的研究。

Robotic planning in real-world scenarios typically requires joint optimization of logic and continuous variables. A core challenge to combine the strengths of logic planners and continuous solvers is the design of an efficient interface that informs the logical search about continuous infeasibilities. In this paper we present a novel iterative algorithm that connects logic planning with nonlinear optimization through a bidirectional interface, achieved by the detection of minimal subsets of nonlinear constraints that are infeasible. The algorithm continuously builds a database of graphs that represent (in)feasible subsets of continuous variables and constraints, and encodes this knowledge in the logical description. As a foundation for this algorithm, we introduce Planning with Nonlinear Transition Constraints (PNTC), a novel planning formulation that clarifies the exact assumptions our algorithm requires and can be applied to model Task and Motion Planning (TAMP) efficiently. Our experimental results show that our framework significantly outperforms alternative optimization-based approaches for TAMP.

在工厂或房屋等环境中协助我们的机器人必须学会使用对象作为执行任务的工具，例如使用托盘携带对象。我们考虑了学习常识性知识何时可能有用的问题，以及如何与其他工具一起使用其使用以完成由人类指示的高级任务。具体而言，我们引入了一种新型的神经模型，称为Tooltango，该模型首先预测要使用的下一个工具，然后使用此信息来预测下一项动作。我们表明，该联合模型可以告知学习精细的策略，从而使机器人可以顺序使用特定工具，并在使模型更加准确的情况下增加了重要价值。 Tooltango使用图神经网络编码世界状态，包括对象和它们之间的符号关系，并使用人类教师的演示进行了培训，这些演示是指导物理模拟器中的虚拟机器人的演示。该模型学会了使用目标和动作历史的知识来参加场景，最终将符号动作解码为执行。至关重要的是，我们解决了缺少一些已知工具的看不见的环境的概括，但是存在其他看不见的工具。我们表明，通过通过从知识库中得出的预训练的嵌入来增强环境的表示，该模型可以有效地将其推广到新的环境中。实验结果表明，在预测具有看不见对象的新型环境中模拟移动操纵器的成功符号计划时，至少48.8-58.1％的绝对改善对基准的绝对改善。这项工作朝着使机器人能够快速合成复杂任务的强大计划的方向，尤其是在新颖的环境中

我们提出了一种新颖的通用方法，该方法可以找到动作的，离散的对象和效果类别，并为非平凡的行动计划建立概率规则。我们的机器人使用原始操作曲目与对象进行交互，该曲目被认为是早先获取的，并观察到它在环境中可以产生的效果。为了形成动作界面的对象，效果和关系类别，我们在预测性的，深的编码器折线网络中采用二进制瓶颈层，该网络以场景的形象和应用为输入应用的动作，并在场景中生成结果效果在像素坐标中。学习后，二进制潜在向量根据机器人的相互作用体验代表动作驱动的对象类别。为了将神经网络代表的知识提炼成对符号推理有用的规则，对决策树进行了训练以复制其解码器功能。概率规则是从树的决策路径中提取的，并在概率计划域定义语言（PPDDL）中表示，允许现成的计划者根据机器人的感觉运动体验所提取的知识进行操作。模拟机器人操纵器的建议方法的部署使发现对象属性的离散表示，例如``滚动''和``插入''。反过来，将这些表示形式用作符号可以生成有效的计划来实现目标，例如建造所需高度的塔楼，证明了多步物体操纵方法的有效性。最后，我们证明了系统不仅通过评估其对MNIST 8个式式域的适用性来限于机器人域域，在该域​​中，学习的符号允许生成将空图块移至任何给定位置的计划。

在机器人域中，学习和计划因连续的状态空间，连续的动作空间和较长的任务范围而变得复杂。在这项工作中，我们通过神经符号关系过渡模型（NSRTS）解决了这些挑战，这是一种具有数据效率学习的新型模型，与强大的机器人计划方法兼容，并且可以推广到对象上。NSRT具有符号和神经成分，实现了双重计划方案，其中外循环中的符号AI规划指导内部循环中的神经模型的连续计划。四个机器人计划域中的实验表明，仅在数十或数百个培训情节之后就可以学习NSRT，然后用于快速规划的新任务，这些任务需要高达60个动作，并且涉及比培训期间看到的更多物体。视频：https：//tinyurl.com/chitnis-nsrts

在具有连续以对象的状态，连续的动作，长距离和稀疏反馈的机器人环境中，决策是具有挑战性的。诸如任务和运动计划（TAMP）之类的层次结构方法通过将决策分解为两个或更多级别的抽象来解决这些挑战。在给出演示和符号谓词的环境中，先前的工作已经显示了如何通过手动设计的参数化策略来学习符号操作员和神经采样器。我们的主要贡献是一种与操作员和采样器结合使用的参数化策略的方法。这些组件被包装到模块化神经符号技能中，并与搜索 - 然后样本tamp一起测序以解决新任务。在四个机器人域的实验中，我们表明我们的方法 - 具有神经符号技能的双重计划 - 可以解决具有不同初始状态，目标和对象不同的各种任务，表现优于六个基线和消融。视频：https：//youtu.be/pbfzp8rpugg代码：https：//tinyurl.com/skill-learning

开发智能和自治机器人的主要组成部分是一个合适的知识表示，从中机器人可以获得有关其行为或世界的知识。然而，与人类不同，机器人不能创造性地适应新颖的情景，因为他们的知识和环境严格定义。为了解决叫做任务树的新颖和灵活的任务计划的问题，我们探讨我们如何通过最初在机器人知识库中获得概念的计划。知识图形形式的现有知识用作引用的基本，以创建以新对象或状态组合修改的任务树。为了展示我们方法的灵活性，我们从Recipe1M + DataSet中随机选择了食谱并生成了其任务树。然后用可视化工具彻底检查任务树，该工具描绘了每个成分如何随着每个动作而改变以产生所需的膳食。我们的结果表明，即使对于从未出现之前的成分组合，该方法也可以以高精度生产任务计划。

在环境抽象中进行高级搜索来指导低水平决策，这是一种有效的方法，是解决连续状态和行动空间中的长途任务的有效方法。最近的工作表明，可以以符号操作员和神经采样器的形式学习使这种二聚体计划的动作抽象，并且鉴于实现已知目标的符号谓词和演示。在这项工作中，我们表明，在动作往往会导致大量谓词发生变化的环境中，现有的方法不足。为了解决这个问题，我们建议学习具有忽略效果的操作员。激发我们方法的关键思想是，对谓词的每一个观察到的变化进行建模是不必要的。唯一需要建模的更改是高级搜索以实现指定目标所需的更改。在实验上，我们表明我们的方法能够学习具有忽略六个混合机器人域效果的操作员，这些企业能够解决一个代理，以解决具有不同初始状态，目标和对象数量的新任务变化，比几个基线要高得多。

多步兵的操纵任务（例如打开推动的儿童瓶）需要机器人来做出各种计划选择，这些选择受到在任务期间施加力量的要求所影响的各种计划。机器人必须推荐与动作顺序相关的离散和连续选择，例如是否拾取对象以及每个动作的参数，例如如何掌握对象。为了实现计划和执行有力的操纵，我们通过限制了扭矩和摩擦限制，通过拟议的有力的运动链约束来增强现有的任务和运动计划者。在三个领域，打开一个防儿童瓶，扭动螺母并切割蔬菜，我们演示了系统如何从组合组合组合中进行选择。我们还展示了如何使用成本敏感的计划来查找强大的策略和参数物理参数的不确定性。

In the process of materials discovery, chemists currently need to perform many laborious, time-consuming, and often dangerous lab experiments. To accelerate this process, we propose a framework for robots to assist chemists by performing lab experiments autonomously. The solution allows a general-purpose robot to perform diverse chemistry experiments and efficiently make use of available lab tools. Our system can load high-level descriptions of chemistry experiments, perceive a dynamic workspace, and autonomously plan the required actions and motions to perform the given chemistry experiments with common tools found in the existing lab environment. Our architecture uses a modified PDDLStream solver for integrated task and constrained motion planning, which generates plans and motions that are guaranteed to be safe by preventing collisions and spillage. We present a modular framework that can scale to many different experiments, actions, and lab tools. In this work, we demonstrate the utility of our framework on three pouring skills and two foundational chemical experiments for materials synthesis: solubility and recrystallization. More experiments and updated evaluations can be found at https://ac-rad.github.io/arc-icra2023.

最近的作品表明，如何将大语言模型（LLM）的推理能力应用于自然语言处理以外的领域，例如机器人的计划和互动。这些具体的问题要求代理商了解世界上许多语义方面：可用技能的曲目，这些技能如何影响世界以及对世界的变化如何映射回该语言。在体现环境中规划的LLMS不仅需要考虑要做什么技能，还需要考虑如何以及何时进行操作 - 答案随着时间的推移而变化，以响应代理商自己的选择。在这项工作中，我们调查了在这种体现的环境中使用的LLM在多大程度上可以推论通过自然语言提供的反馈来源，而无需任何其他培训。我们建议，通过利用环境反馈，LLM能够形成内部独白，使他们能够在机器人控制方案中进行更丰富的处理和计划。我们研究了各种反馈来源，例如成功检测，场景描述和人类互动。我们发现，闭环语言反馈显着改善了三个领域的高级指导完成，包括模拟和真实的桌面顶部重新排列任务以及现实世界中厨房环境中的长途移动操作任务。

在本文中，我们研究了可以从原始图像中学习低级技能的曲目的问题，这些曲目可以测序以完成长效的视觉运动任务。强化学习（RL）是一种自主获取短疗法技能的有前途的方法。但是，RL算法的重点很大程度上是这些个人技能的成功，而不是学习和扎根大量的技能曲目，这些技能可以对这些技能进行测序，这些技能可以对完成扩展的多阶段任务进行测序。后者需要稳健性和持久性，因为技能的错误会随着时间的流逝而复杂，并且可能要求机器人在其曲目中具有许多原始技能，而不仅仅是一个。为此，我们介绍了Ember，Ember是一种基于模型的RL方法，用于学习原始技能，适合完成长途视觉运动任务。 Ember使用学识渊博的模型，评论家和成功分类器学习和计划，成功分类器既可以作为RL的奖励功能，又是一种基础机制，可连续检测机器人在失败或扰动下是否应重试技能。此外，学到的模型是任务不合时宜的，并使用来自所有技能的数据进行了培训，从而使机器人能够有效地学习许多不同的原语。这些视觉运动原始技能及其相关的前后条件可以直接与现成的符号计划者结合在一起，以完成长途任务。在Franka Emika机器人部门上，我们发现Ember使机器人能够以85％的成功率完成三个长马视觉运动任务，例如组织办公桌，文件柜和抽屉，需要排序多达12个技能，这些技能最多需要12个技能，涉及14个独特的学识渊博，并要求对新物体进行概括。

机器人中的任务和运动规划问题通常将符号规划与连续状态和动作变量相处的运动优化相结合，从而满足满足在任务变量上强加的逻辑约束的轨迹。符号规划可以用任务变量的数量呈指数级级，因此最近的工作诸如PDDLSTREAM的工作侧重于乐观规划，以逐步增长的对象和事实，直到找到可行的轨迹。然而，这种设置以宽度第一的方式被彻底地且均匀地扩展，无论手头的问题的几何结构如何，这使得具有大量物体的长时间地理推理，这令人难以耗时。为了解决这个问题，我们提出了一个几何通知的符号规划员，以最佳的方式扩展了一组对象和事实，优先由从现有搜索计算中学到的基于神经网络的基于神经网络的分数。我们在各种问题上评估我们的方法，并展示了在大型或困难情景中规划的提高能力。我们还在几个块堆叠操作任务中将算法应用于7DOF机器人手臂。

PDDLStream solvers have recently emerged as viable solutions for Task and Motion Planning (TAMP) problems, extending PDDL to problems with continuous action spaces. Prior work has shown how PDDLStream problems can be reduced to a sequence of PDDL planning problems, which can then be solved using off-the-shelf planners. However, this approach can suffer from long runtimes. In this paper we propose LAZY, a solver for PDDLStream problems that maintains a single integrated search over action skeletons, which gets progressively more geometrically informed as samples of possible motions are lazily drawn during motion planning. We explore how learned models of goal-directed policies and current motion sampling data can be incorporated in LAZY to adaptively guide the task planner. We show that this leads to significant speed-ups in the search for a feasible solution evaluated over unseen test environments of varying numbers of objects, goals, and initial conditions. We evaluate our TAMP approach by comparing to existing solvers for PDDLStream problems on a range of simulated 7DoF rearrangement/manipulation problems.

我们最近推出了一个系统自动生成人类示范的机器人规划运营商。我们的系统的一个特征是操作员计数，它跟踪演示中每个操作员的应用程序频率。在这种扩展的摘要中，我们表明我们可以使用尺寸缩小域的缩减域，其目的是降低搜索时间，以便为Long-Horizo n计划目标进行降低。我们的方法背后的概念性想法是我们希望优先考虑经常发生的经常发生的运营商，这些运营商在那些未如此频繁观察到的人。因此，我们建议仅将域限制为最受欢迎的运营商。如果该运算符的子集不足以找到计划，我们迭代地扩展此操作员的子集。我们表明，这显着降低了Long-Horizo n计划目标的搜索时间。

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。

行为树（BT）是一种在自主代理中（例如机器人或计算机游戏中的虚拟实体）之间在不同任务之间进行切换的方法。 BT是创建模块化和反应性的复杂系统的一种非常有效的方法。这些属性在许多应用中至关重要，这导致BT从计算机游戏编程到AI和机器人技术的许多分支。在本书中，我们将首先对BTS进行介绍，然后我们描述BTS与早期切换结构的关系，并且在许多情况下如何概括。然后，这些想法被用作一套高效且易于使用的设计原理的基础。安全性，鲁棒性和效率等属性对于自主系统很重要，我们描述了一套使用BTS的状态空间描述正式分析这些系统的工具。借助新的分析工具，我们可以对BTS如何推广早期方法的形式形式化。我们还显示了BTS在自动化计划和机器学习中的使用。最后，我们描述了一组扩展的工具，以捕获随机BT的行为，其中动作的结果由概率描述。这些工具可以计算成功概率和完成时间。