基于模型的强化学习和控制已经在各种顺序决策问题领域（包括机器人设置）中表现出巨大的潜力。但是，现实世界中的机器人系统通常会提出限制这些方法的适用性的挑战。特别是，我们注意到在许多工业系统中共同发生的两个问题：1）不规则/异步观察和动作以及2）环境动力学从发作到另一个事件的急剧变化（例如，有效载荷有效惯用属性不同）。我们提出了一个通用框架，该框架通过元学习自适应动力学模型来克服这些困难，以进行连续的时间预测和控制。我们在模拟工业机器人上评估了建议的方法。在此预印的将来迭代中，将添加对实际机器人系统的评估。
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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。
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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。
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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。
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机器人布操作是自动机器人系统的相关挑战性问题。高度可变形的对象，因为纺织品在操纵过程中可以采用多种配置和形状。因此，机器人不仅应该了解当前的布料配置，还应能够预测布的未来行为。本文通过使用模型预测控制（MPC）策略在对象的其他部分应用动作，从而解决了间接控制纺织对象某些点的配置的问题，该策略还允许间接控制的行为点。设计的控制器找到了最佳控制信号，以实现所需的未来目标配置。本文中的探索场景考虑了通过抓住其上角，以平方布的下角跟踪参考轨迹。为此，我们提出并验证线性布模型，该模型允许实时解决与MPC相关的优化问题。增强学习（RL）技术用于学习所提出的布模型的最佳参数，并调整所得的MPC。在模拟中获得准确的跟踪结果后，在真实的机器人中实现并执行了完整的控制方案，即使在不利条件下也可以获得准确的跟踪。尽管总观察到的误差达到5 cm标记，但对于30x30 cm的布，分析表明，MPC对该值的贡献少于30％。
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机器学习算法中多个超参数的最佳设置是发出大多数可用数据的关键。为此目的，已经提出了几种方法，例如进化策略，随机搜索，贝叶斯优化和启发式拇指规则。在钢筋学习（RL）中，学习代理在与其环境交互时收集的数据的信息内容严重依赖于许多超参数的设置。因此，RL算法的用户必须依赖于基于搜索的优化方法，例如网格搜索或Nelder-Mead单简单算法，这对于大多数R1任务来说是非常效率的，显着减慢学习曲线和离开用户的速度有目的地偏见数据收集的负担。在这项工作中，为了使RL算法更加用户独立，提出了一种使用贝叶斯优化的自主超参数设置的新方法。来自过去剧集和不同的超参数值的数据通过执行行为克隆在元学习水平上使用，这有助于提高最大化获取功能的加强学习变体的有效性。此外，通过紧密地整合在加强学习代理设计中的贝叶斯优化，还减少了收敛到给定任务的最佳策略所需的状态转换的数量。与其他手动调整和基于优化的方法相比，计算实验显示了有希望的结果，这突出了改变算法超级参数来增加所生成数据的信息内容的好处。
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Hierarchical methods in reinforcement learning have the potential to reduce the amount of decisions that the agent needs to perform when learning new tasks. However, finding a reusable useful temporal abstractions that facilitate fast learning remains a challenging problem. Recently, several deep learning approaches were proposed to learn such temporal abstractions in the form of options in an end-to-end manner. In this work, we point out several shortcomings of these methods and discuss their potential negative consequences. Subsequently, we formulate the desiderata for reusable options and use these to frame the problem of learning options as a gradient-based meta-learning problem. This allows us to formulate an objective that explicitly incentivizes options which allow a higher-level decision maker to adjust in few steps to different tasks. Experimentally, we show that our method is able to learn transferable components which accelerate learning and performs better than existing prior methods developed for this setting. Additionally, we perform ablations to quantify the impact of using gradient-based meta-learning as well as other proposed changes.
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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。
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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。
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深度学习的兴起导致机器人研究中的范式转变，有利于需要大量数据的方法。在物理平台上生成这样的数据集是昂贵的。因此，最先进的方法在模拟中学习，其中数据生成快速以及廉价并随后将知识转移到真实机器人（SIM-to-Real）。尽管变得越来越真实，但所有模拟器都是基于模型的施工，因此不可避免地不完善。这提出了如何修改模拟器以促进学习机器人控制政策的问题，并克服模拟与现实之间的不匹配，通常称为“现实差距”。我们对机器人学的SIM-Teal研究提供了全面的审查，专注于名为“域随机化”的技术，这是一种从随机仿真学习的方法。
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2021-12-03
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。
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在部分可观察域中的预测和规划的常见方法是使用经常性的神经网络（RNN），其理想地开发和维持关于隐藏，任务相关因素的潜伏。我们假设物理世界中的许多这些隐藏因素随着时间的推移是恒定的，而只是稀疏变化。为研究这一假设，我们提出了Gated $ L_0 $正规化的动态（Gatel0rd），一种新的经常性架构，它包含归纳偏差，以保持稳定，疏口改变潜伏状态。通过新颖的内部门控功能和潜在状态变化的$ l_0 $ norm的惩罚来实现偏差。我们证明Gatel0rd可以在各种部分可观察到的预测和控制任务中与最先进的RNN竞争或优于最先进的RNN。 Gatel0rd倾向于编码环境的基础生成因子，忽略了虚假的时间依赖性，并概括了更好的，提高了基于模型的规划和加强学习任务中的采样效率和整体性能。此外，我们表明可以容易地解释开发的潜在状态，这是朝着RNN中更好地解释的步骤。
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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。
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我们开发了一种新的持续元学习方法，以解决连续多任务学习中的挑战。在此设置中，代理商的目标是快速通过任何任务序列实现高奖励。先前的Meta-Creenifiltive学习算法已经表现出有希望加速收购新任务的结果。但是，他们需要在培训期间访问所有任务。除了简单地将过去的经验转移到新任务，我们的目标是设计学习学习的持续加强学习算法，使用他们以前任务的经验更快地学习新任务。我们介绍了一种新的方法，连续的元策略搜索（Comps），通过以增量方式，在序列中的每个任务上，通过序列的每个任务来消除此限制，而无需重新访问先前的任务。 Comps持续重复两个子程序：使用RL学习新任务，并使用RL的经验完全离线Meta学习，为后续任务学习做好准备。我们发现，在若干挑战性连续控制任务的旧序列上，Comps优于持续的持续学习和非政策元增强方法。
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深度强化学习已经证明了通过梯度下降调整的神经网络的潜力，以解决良好的环境中的复杂任务。但是，这些神经系统是缓慢的学习者，生产专门的药物，没有任何机制，无法继续学习培训课程。相反，生物突触可塑性是持久和多种多样的，并被认为在执行功能中起关键作用，例如工作记忆和认知灵活性，可能支持更高效和更通用的学习能力。受此启发的启发，我们建议建立具有动态权重的网络，能够不断执行自反射修改，这是其当前突触状态和动作奖励反馈的函数，而不是固定的网络配置。最终的模型，Metods（用于元优化的动力突触）是一种广泛适用的元强制学习系统，能够在代理策略空间中学习有效而强大的控制规则。具有动态突触的单层可以执行单次学习，将导航原则概括为看不见的环境，并表现出强大的学习自适应运动策略的能力，并与以前的元强化学习方法进行了比较。
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Dealing with sparse rewards is one of the biggest challenges in Reinforcement Learning (RL). We present a novel technique called Hindsight Experience Replay which allows sample-efficient learning from rewards which are sparse and binary and therefore avoid the need for complicated reward engineering. It can be combined with an arbitrary off-policy RL algorithm and may be seen as a form of implicit curriculum. We demonstrate our approach on the task of manipulating objects with a robotic arm. In particular, we run experiments on three different tasks: pushing, sliding, and pick-and-place, in each case using only binary rewards indicating whether or not the task is completed. Our ablation studies show that Hindsight Experience Replay is a crucial ingredient which makes training possible in these challenging environments. We show that our policies trained on a physics simulation can be deployed on a physical robot and successfully complete the task. The video presenting our experiments is available at https://goo.gl/SMrQnI.
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Meta强化学习（META-RL）旨在学习一项政策，同时并迅速适应新任务。它需要大量从培训任务中汲取的数据，以推断任务之间共享的共同结构。如果没有沉重的奖励工程，长期任务中的稀疏奖励加剧了元RL样品效率的问题。 Meta-RL中的另一个挑战是任务之间难度级别的差异，这可能会导致一个简单的任务主导共享策略的学习，从而排除政策适应新任务。这项工作介绍了一个新颖的目标功能，可以在培训任务中学习动作翻译。从理论上讲，我们可以验证带有操作转换器的传输策略的值可以接近源策略的值和我们的目标函数（大约）上限的值差。我们建议将动作转换器与基于上下文的元元算法相结合，以更好地收集数据，并在元训练期间更有效地探索。我们的方法从经验上提高了稀疏奖励任务上元RL算法的样本效率和性能。
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我们考虑在一个有限时间范围内的离散时间随机动力系统的联合设计和控制。我们将问题作为一个多步优化问题，在寻求识别系统设计和控制政策的不确定性下，共同最大化所考虑的时间范围内收集的预期奖励总和。转换函数，奖励函数和策略都是参数化的，假设与其参数有所不同。然后，我们引入了一种深度加强学习算法，将策略梯度方法与基于模型的优化技术相结合以解决这个问题。从本质上讲，我们的算法迭代地估计通过Monte-Carlo采样和自动分化的预期返回的梯度，并在环境和策略参数空间中投影梯度上升步骤。该算法称为直接环境和策略搜索（DEPS）。我们评估我们算法在三个环境中的性能，分别在三种环境中进行了一个群众弹簧阻尼系统的设计和控制，分别小型离网电力系统和无人机。此外，我们的算法是针对用于解决联合设计和控制问题的最先进的深增强学习算法的基准测试。我们表明，在所有三种环境中，DEPS至少在或更好地执行，始终如一地产生更高的迭代返回的解决方案。最后，通过我们的算法产生的解决方案也与由算法产生的解决方案相比，不共同优化环境和策略参数，突出显示在执行联合优化时可以实现更高返回的事实。
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With the development of deep representation learning, the domain of reinforcement learning (RL) has become a powerful learning framework now capable of learning complex policies in high dimensional environments. This review summarises deep reinforcement learning (DRL) algorithms and provides a taxonomy of automated driving tasks where (D)RL methods have been employed, while addressing key computational challenges in real world deployment of autonomous driving agents. It also delineates adjacent domains such as behavior cloning, imitation learning, inverse reinforcement learning that are related but are not classical RL algorithms. The role of simulators in training agents, methods to validate, test and robustify existing solutions in RL are discussed.
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这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。
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