Meta-reinforcement learning algorithms can enable robots to acquire new skills much more quickly, by leveraging prior experience to learn how to learn. However, much of the current research on meta-reinforcement learning focuses on task distributions that are very narrow. For example, a commonly used meta-reinforcement learning benchmark uses different running velocities for a simulated robot as different tasks. When policies are meta-trained on such narrow task distributions, they cannot possibly generalize to more quickly acquire entirely new tasks. Therefore, if the aim of these methods is enable faster acquisition of entirely new behaviors, we must evaluate them on task distributions that are sufficiently broad to enable generalization to new behaviors. In this paper, we propose an open-source simulated benchmark for meta-reinforcement learning and multitask learning consisting of 50 distinct robotic manipulation tasks. Our aim is to make it possible to develop algorithms that generalize to accelerate the acquisition of entirely new, held-out tasks. We evaluate 7 state-of-the-art meta-reinforcement learning and multi-task learning algorithms on these tasks. Surprisingly, while each task and its variations (e.g., with different object positions) can be learned with reasonable success, these algorithms struggle to learn with multiple tasks at the same time, even with as few as ten distinct training tasks. Our analysis and open-source environments pave the way for future research in multi-task learning and meta-learning that can enable meaningful generalization, thereby unlocking the full potential of these methods. 1

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。

我们提出了Composuite，这是一种用于组成多任务增强学习（RL）的开源模拟机器人操纵基准。每个复合仪任务都需要特定的机器人组来操纵一个单独的对象，以实现一个任务目标，同时避免障碍物。该任务的这种组成定义赋予了Composuite具有两个非凡的属性。首先，改变机器人/对象/客观/障碍元素会导致数百个RL任务，每个任务都需要有意义的不同行为。其次，可以专门评估RL方法，以了解其学习任务的组成结构的能力。后者在功能上分解问题的能力将使智能代理能够识别和利用学习任务之间的共同点，以处理大量高度多样化的问题。我们在各种培训环境中基准了现有的单任务，多任务和组成学习算法，并评估其在构图上概括到看不见的任务的能力。我们的评估暴露了现有RL方法在组成方面的缺点，并为调查开辟了新的途径。

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。

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。

While reinforcement learning (RL) has become a more popular approach for robotics, designing sufficiently informative reward functions for complex tasks has proven to be extremely difficult due their inability to capture human intent and policy exploitation. Preference based RL algorithms seek to overcome these challenges by directly learning reward functions from human feedback. Unfortunately, prior work either requires an unreasonable number of queries implausible for any human to answer or overly restricts the class of reward functions to guarantee the elicitation of the most informative queries, resulting in models that are insufficiently expressive for realistic robotics tasks. Contrary to most works that focus on query selection to \emph{minimize} the amount of data required for learning reward functions, we take an opposite approach: \emph{expanding} the pool of available data by viewing human-in-the-loop RL through the more flexible lens of multi-task learning. Motivated by the success of meta-learning, we pre-train preference models on prior task data and quickly adapt them for new tasks using only a handful of queries. Empirically, we reduce the amount of online feedback needed to train manipulation policies in Meta-World by 20$\times$, and demonstrate the effectiveness of our method on a real Franka Panda Robot. Moreover, this reduction in query-complexity allows us to train robot policies from actual human users. Videos of our results and code can be found at https://sites.google.com/view/few-shot-preference-rl/home.

智能代理人应该有能力利用先前学习的任务中的知识，以便快速有效地学习新任务。元学习方法已成为实现这一目标的流行解决方案。然而，迄今为止，元强化学习（META-RL）算法仅限于具有狭窄任务分布的简单环境。此外，预处理的范式随后进行了微调以适应新任务，这是一种简单而有效的解决方案，这些解决方案是监督和自我监督的学习。这使质疑元学习方法的好处在加强学习中的好处，这通常是以高复杂性为代价的。因此，我们研究了包括Procgen，rlbench和Atari在内的各种基于视觉的基准测试中的元RL方法，在这些基准测试中，对完全新颖的任务进行了评估。我们的发现表明，当对不同任务（而不是相同任务的不同变化）评估元学习方法时，对新任务进行微调的多任务预处理也相同或更好，或者更好，比用meta进行元数据。测试时间适应。这对于将来的研究令人鼓舞，因为多任务预处理往往比Meta-RL更简单和计算更便宜。从这些发现中，我们主张评估未来的Meta-RL方法在更具挑战性的任务上，并包括以简单但强大的基线进行微调预处理。

加强学习（RL）提供了通过试验和错误学习的自然主义框架，这是由于其简单和有效性，并且由于其与人类和动物如何通过经验获得技能。然而，现实世界的体现学习，例如由人类和动物执行的，位于持续的非剧目世界中，而RL中的共同基准任务是epiSodic，在试验之间重置的环境以提供多次尝试。当尝试采取为ePiSodic模拟环境开发的RL算法并在现实世界平台上运行时，这种差异呈现出一项重大挑战，如机器人。在本文中，我们的目标是通过为自主强化学习（ARL）框架（ARL）提供框架来解决这一差异：加强学习的代理商不仅通过自己的经验学习，而且还争夺缺乏人类监督在试验之间重置。我们在此框架上介绍了一个模拟的基准伯爵，其中包含一系列多样化和具有挑战性的模拟任务，这些任务反映了所引入学习的障碍，当只有最小的对外在干预的依赖性时，可以假设。我们表明，作为干预措施的剧集RL和现有方法斗争的标准方法最小化，强调了对强化学习开发新算法的需求，更加注重自主。

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

人类通常通过将它们分解为更容易的子问题，然后结合子问题解决方案来解决复杂的问题。这种类型的组成推理允许在解决共享一部分基础构图结构的未来任务时重复使用子问题解决方案。在持续或终身的强化学习（RL）设置中，将知识分解为可重复使用的组件的能力将使代理通过利用积累的组成结构来快速学习新的RL任务。我们基于神经模块探索一种特定形式的组成形式，并提出了一组RL问题，可以直观地接受组成溶液。从经验上讲，我们证明了神经组成确实捕获了问题空间的基本结构。我们进一步提出了一种构图终身RL方法，该方法利用累积的神经成分来加速学习未来任务的学习，同时通过离线RL通过离线RL保留以前的RL，而不是重播经验。

In order to avoid conventional controlling methods which created obstacles due to the complexity of systems and intense demand on data density, developing modern and more efficient control methods are required. In this way, reinforcement learning off-policy and model-free algorithms help to avoid working with complex models. In terms of speed and accuracy, they become prominent methods because the algorithms use their past experience to learn the optimal policies. In this study, three reinforcement learning algorithms; DDPG, TD3 and SAC have been used to train Fetch robotic manipulator for four different tasks in MuJoCo simulation environment. All of these algorithms are off-policy and able to achieve their desired target by optimizing both policy and value functions. In the current study, the efficiency and the speed of these three algorithms are analyzed in a controlled environment.

有效的探索是深度强化学习的关键挑战。几种方法，例如行为先验，能够利用离线数据，以便在复杂任务上有效加速加强学习。但是，如果手动的任务与所证明的任务过度偏离，则此类方法的有效性是有限的。在我们的工作中，我们建议从离线数据中学习功能，这些功能由更加多样化的任务共享，例如动作与定向之间的相关性。因此，我们介绍了无国有先验，该先验直接在显示的轨迹中直接建模时间一致性，并且即使在对简单任务收集的数据进行培训时，也能够在复杂的任务中推动探索。此外，我们通过从政策和行动之前的概率混合物中动态采样动作，引入了一种新颖的集成方案，用于非政策强化学习中的动作研究。我们将我们的方法与强大的基线相提并论，并提供了经验证据，表明它可以在稀疏奖励环境下的长途持续控制任务中加速加强学习。

对看不见的环境变化的深入强化学习的概括通常需要对大量各种培训变化进行政策学习。我们从经验上观察到，接受过许多变化的代理商（通才）倾向于在一开始就更快地学习，但是长期以来其最佳水平的性能高原。相比之下，只接受一些变体培训的代理商（专家）通常可以在有限的计算预算下获得高回报。为了两全其美，我们提出了一个新颖的通才特权训练框架。具体来说，我们首先培训一名通才的所有环境变化。当它无法改善时，我们会推出大量的专家，并从通才克隆过重量，每个人都接受了训练，以掌握选定的一小部分变化子集。我们终于通过所有专家的示范引起的辅助奖励恢复了通才的培训。特别是，我们调查了开始专业培训的时机，并在专家的帮助下比较策略以学习通才。我们表明，该框架将政策学习的信封推向了包括Procgen，Meta-World和Maniskill在内的几个具有挑战性和流行的基准。

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。

Complex and contact-rich robotic manipulation tasks, particularly those that involve multi-fingered hands and underactuated object manipulation, present a significant challenge to any control method. Methods based on reinforcement learning offer an appealing choice for such settings, as they can enable robots to learn to delicately balance contact forces and dexterously reposition objects without strong modeling assumptions. However, running reinforcement learning on real-world dexterous manipulation systems often requires significant manual engineering. This negates the benefits of autonomous data collection and ease of use that reinforcement learning should in principle provide. In this paper, we describe a system for vision-based dexterous manipulation that provides a "programming-free" approach for users to define new tasks and enable robots with complex multi-fingered hands to learn to perform them through interaction. The core principle underlying our system is that, in a vision-based setting, users should be able to provide high-level intermediate supervision that circumvents challenges in teleoperation or kinesthetic teaching which allow a robot to not only learn a task efficiently but also to autonomously practice. Our system includes a framework for users to define a final task and intermediate sub-tasks with image examples, a reinforcement learning procedure that learns the task autonomously without interventions, and experimental results with a four-finger robotic hand learning multi-stage object manipulation tasks directly in the real world, without simulation, manual modeling, or reward engineering.

For an autonomous agent to fulfill a wide range of user-specified goals at test time, it must be able to learn broadly applicable and general-purpose skill repertoires. Furthermore, to provide the requisite level of generality, these skills must handle raw sensory input such as images. In this paper, we propose an algorithm that acquires such general-purpose skills by combining unsupervised representation learning and reinforcement learning of goal-conditioned policies. Since the particular goals that might be required at test-time are not known in advance, the agent performs a self-supervised "practice" phase where it imagines goals and attempts to achieve them. We learn a visual representation with three distinct purposes: sampling goals for self-supervised practice, providing a structured transformation of raw sensory inputs, and computing a reward signal for goal reaching. We also propose a retroactive goal relabeling scheme to further improve the sample-efficiency of our method. Our off-policy algorithm is efficient enough to learn policies that operate on raw image observations and goals for a real-world robotic system, and substantially outperforms prior techniques. * Equal contribution. Order was determined by coin flip.

我们研究机器人如何自主学习需要联合导航和抓握的技能。虽然原则上的加固学习提供自动机器人技能学习，但在实践中，在现实世界中的加固学习是挑战性的，并且往往需要大量的仪器和监督。我们的宗旨是以无论没有人为干预的自主方式，设计用于学习导航和操纵的机器人强化学习系统，在没有人为干预的情况下，在现实的假设下实现持续学习。我们建议的系统relmm，可以在没有任何环境仪器的现实世界平台上不断学习，没有人为干预，而无需访问特权信息，例如地图，对象位置或环境的全局视图。我们的方法采用模块化策略与组件进行操纵和导航，其中操纵政策不确定性驱动导航控制器的探索，操作模块为导航提供奖励。我们在房间清理任务上评估我们的方法，机器人必须导航到并拾取散落在地板上的物品。在掌握课程训练阶段之后，relmm可以在自动真实培训的大约40小时内自动学习导航并完全抓住。

元强化学习（RL）方法可以使用比标准RL少的数据级的元培训策略，但元培训本身既昂贵又耗时。如果我们可以在离线数据上进行元训练，那么我们可以重复使用相同的静态数据集，该数据集将一次标记为不同任务的奖励，以在元测试时间适应各种新任务的元训练策略。尽管此功能将使Meta-RL成为现实使用的实用工具，但离线META-RL提出了除在线META-RL或标准离线RL设置之外的其他挑战。 Meta-RL学习了一种探索策略，该策略收集了用于适应的数据，并元培训策略迅速适应了新任务的数据。由于该策略是在固定的离线数据集上进行了元训练的，因此当适应学识渊博的勘探策略收集的数据时，它可能表现得不可预测，这与离线数据有系统地不同，从而导致分布变化。我们提出了一种混合脱机元元素算法，该算法使用带有奖励的脱机数据来进行自适应策略，然后收集其他无监督的在线数据，而无需任何奖励标签来桥接这一分配变化。通过不需要在线收集的奖励标签，此数据可以便宜得多。我们将我们的方法比较了在模拟机器人的运动和操纵任务上进行离线元rl的先前工作，并发现使用其他无监督的在线数据收集可以显着提高元训练政策的自适应能力，从而匹配完全在线的表现。在一系列具有挑战性的域上，需要对新任务进行概括。

强大而广义的工具操作需要了解不同工具的属性和提供的功能。我们研究有关工具的语言信息（例如，其几何形状，常用用途）是否可以帮助控制策略更快地适应给定任务的新工具。我们获得了自然语言中各种工具的各种描述，并使用预训练的语言模型来生成其功能表示。然后，我们执行语言条件的元学习，以学习可以有效地适应新工具的政策。我们的结果表明，将语言信息和元学习结合起来可以显着加速工具在几个操纵任务中的学习，包括推动，举重，清扫和锤击。

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。