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。

通过稀疏奖励的环境中的深度加强学习学习机器人操纵是一项具有挑战性的任务。在本文中，我们通过引入虚构对象目标的概念来解决这个问题。对于给定的操纵任务，首先通过物理逼真的模拟训练感兴趣的对象以达到自己的目标位置，而不会被操纵。然后利用对象策略来构建可编征物体轨迹的预测模型，该轨迹提供具有逐步更加困难的对象目标的机器人来达到训练期间的课程。所提出的算法，遵循对象（FO），已经在需要增加探索程度的7个Mujoco环境中进行评估，并且与替代算法相比，取得了更高的成功率。在特别具有挑战性的学习场景中，例如当物体的初始和目标位置相隔甚远，我们的方法仍然可以学习政策，而竞争方法目前失败。

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.

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.

强化学习是机器人抓握的一种有前途的方法，因为它可以在困难的情况下学习有效的掌握和掌握政策。但是，由于问题的高维度，用精致的机器人手来实现类似人类的操纵能力是具有挑战性的。尽管可以采用奖励成型或专家示范等补救措施来克服这个问题，但它们通常导致过分简化和有偏见的政策。我们介绍了Dext-Gen，这是一种在稀疏奖励环境中灵巧抓握的强化学习框架，适用于各种抓手，并学习无偏见和复杂的政策。通过平滑方向表示实现了抓地力和物体的完全方向控制。我们的方法具有合理的培训时间，并提供了包括所需先验知识的选项。模拟实验证明了框架对不同方案的有效性和适应性。

后敏感经验重播（她）是一种常见的脱离政策深度加强学习算法的目标，以解决面向目标的任务;它非常适合提供仅提供稀疏奖励的机器人操纵任务。在她身上，轨迹和过渡都是均匀地对训练进行采样的。然而，并非所有的代理商的经历都同样促进训练，因此天真的统一采样可能导致学习效率低下。在本文中，我们提出了与她（DTGSH）的多样性轨迹和目标选择。首先，根据目标状态的多样性对由决定点过程（DPP）的模型进行采样进行采样。其次，通过使用K-DPP从轨迹中选择具有不同目标状态的转换。我们在模拟机器人环境中评估五个挑战机器人操纵任务的DTGSH，在那里我们表明我们的方法可以更快地学到更快，并且比所有任务的其他最先进的方法达到更高的性能。

多目标增强学习被广泛应用于计划和机器人操纵中。多进球强化学习的两个主要挑战是稀疏的奖励和样本效率低下。 Hindsight Experience重播（她）旨在通过进球重新标记来应对这两个挑战。但是，与她相关的作品仍然需要数百万个样本和庞大的计算。在本文中，我们提出了多步事化经验重播（MHER），并根据$ n $ step Relabeling合并了多步重新标记的回报，以提高样品效率。尽管$ n $ step Relableling具有优势，但我们从理论上和实验上证明了$ n $ step Relabeling引入的非政策$ n $步骤偏置可能会导致许多环境的性能差。为了解决上述问题，提出了两种偏差降低的MHER算法，Mher（$ \ lambda $）和基于模型的Mher（Mmher）。 Mher（$ \ lambda $）利用$ \ lambda $返回，而Mmher从基于模型的价值扩展中受益。对众多多目标机器人任务的实验结果表明，我们的解决方案可以成功减轻$ n $ n $步骤的偏见，并获得比她的样本效率明显更高，并且课程引导她，而她几乎没有其他计算。

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。

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。

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。

Adversarial imitation learning (AIL) has become a popular alternative to supervised imitation learning that reduces the distribution shift suffered by the latter. However, AIL requires effective exploration during an online reinforcement learning phase. In this work, we show that the standard, naive approach to exploration can manifest as a suboptimal local maximum if a policy learned with AIL sufficiently matches the expert distribution without fully learning the desired task. This can be particularly catastrophic for manipulation tasks, where the difference between an expert and a non-expert state-action pair is often subtle. We present Learning from Guided Play (LfGP), a framework in which we leverage expert demonstrations of multiple exploratory, auxiliary tasks in addition to a main task. The addition of these auxiliary tasks forces the agent to explore states and actions that standard AIL may learn to ignore. Additionally, this particular formulation allows for the reusability of expert data between main tasks. Our experimental results in a challenging multitask robotic manipulation domain indicate that LfGP significantly outperforms both AIL and behaviour cloning, while also being more expert sample efficient than these baselines. To explain this performance gap, we provide further analysis of a toy problem that highlights the coupling between a local maximum and poor exploration, and also visualize the differences between the learned models from AIL and LfGP.

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.

有效的探索仍然是一个重要的挑战，这可以防止为许多物理系统部署加强学习。对于具有连续和高维状态和动作空间的系统尤其如此，例如机器人操纵器。挑战在稀疏奖励环境中强调，其中设计密集奖励设计所需的低级状态信息不可用。对手仿制学习（AIL）可以通过利用专家生成的最佳行为和基本上提供替代奖励信息的替代来部分克服这一屏障。不幸的是，专家示范的可用性并不一定能够改善代理商有效探索的能力，并且正如我们经常展现所在，可以导致效率低或停滞不前。我们从引导播放（LFGP）中展示了一个框架，其中我们利用了专家演示，除了主要任务，多个辅助任务。随后，使用修改的AIL过程来使用分层模型来学习每个任务奖励和策略，其中通过组合不同任务的调度程序强制对所有任务的探索。这提供了许多好处：具有挑战瓶颈转换的主要任务的学习效率得到改善，专家数据在任务之间可重复使用，并且通过重用学习辅助任务模型的传输学习成为可能。我们在一个具有挑战性的多任务机器人操纵域中的实验结果表明我们的方法有利地对监督模仿学习和最先进的AIL方法进行比较。代码可在https://github.com/utiasstars/lfgp获得。

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。

尽管深入的强化学习（DRL）在包括机器人技术在内的许多学科中都很流行，但最先进的DRL算法仍然难以学习长途，多步骤和稀疏奖励任务，例如仅在只有一项任务的情况下堆叠几个块 - 集合奖励信号。为了提高此类任务的学习效率，本文提出了一种称为A^2的DRL探索技术，该技术集成了受人类经验启发的两个组成部分：抽象演示和适应性探索。 A^2首先将复杂的任务分解为子任务，然后提供正确的子任务订单以学习。在训练过程中，该代理商会自适应地探索环境，对良好的子任务的行为更确定性，并且更随机地对不良的子任务子任务。消融和比较实验是对几个网格世界任务和三个机器人操纵任务进行的。我们证明A^2可以帮助流行的DRL算法（DQN，DDPG和SAC）在这些环境中更有效，稳定地学习。

We adapt the ideas underlying the success of Deep Q-Learning to the continuous action domain. We present an actor-critic, model-free algorithm based on the deterministic policy gradient that can operate over continuous action spaces. Using the same learning algorithm, network architecture and hyper-parameters, our algorithm robustly solves more than 20 simulated physics tasks, including classic problems such as cartpole swing-up, dexterous manipulation, legged locomotion and car driving. Our algorithm is able to find policies whose performance is competitive with those found by a planning algorithm with full access to the dynamics of the domain and its derivatives. We further demonstrate that for many of the tasks the algorithm can learn policies "end-to-end": directly from raw pixel inputs.

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。

连续控制设置中的复杂顺序任务通常需要代理在其状态空间中成功遍历一组“窄段”。通过以样本有效的方式解决具有稀疏奖励的这些任务对现代钢筋（RL）构成了挑战，由于问题的相关的长地平性，并且在学习期间缺乏充足的正信号。已应用各种工具来解决这一挑战。当可用时，大型演示可以指导代理探索。后威尔同时释放不需要额外的信息来源。然而，现有的战略基于任务不可行的目标分布探索，这可以使长地平线的解决方案不切实际。在这项工作中，我们扩展了后视可释放的机制，以指导沿着一小组成功示范所暗示的特定任务特定分布的探索。我们评估了四个复杂，单身和双臂，机器人操纵任务的方法，对抗强合适的基线。该方法需要较少的演示来解决所有任务，并且达到明显更高的整体性能作为任务复杂性增加。最后，我们研究了提出的解决方案对输入表示质量和示范人数的鲁棒性。

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。

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.