The ability to effectively reuse prior knowledge is a key requirement when building general and flexible Reinforcement Learning (RL) agents. Skill reuse is one of the most common approaches, but current methods have considerable limitations.For example, fine-tuning an existing policy frequently fails, as the policy can degrade rapidly early in training. In a similar vein, distillation of expert behavior can lead to poor results when given sub-optimal experts. We compare several common approaches for skill transfer on multiple domains including changes in task and system dynamics. We identify how existing methods can fail and introduce an alternative approach to mitigate these problems. Our approach learns to sequence existing temporally-extended skills for exploration but learns the final policy directly from the raw experience. This conceptual split enables rapid adaptation and thus efficient data collection but without constraining the final solution.It significantly outperforms many classical methods across a suite of evaluation tasks and we use a broad set of ablations to highlight the importance of differentc omponents of our method.

对于在现实世界中运营的机器人来说，期望学习可以有效地转移和适应许多任务和场景的可重复使用的行为。我们提出了一种使用分层混合潜变量模型来从数据中学习抽象运动技能的方法。与现有工作相比，我们的方法利用了离散和连续潜在变量的三级层次结构，以捕获一组高级行为，同时允许如何执行它们的差异。我们在操纵域中展示该方法可以有效地将离线数据脱落到不同的可执行行为，同时保留连续潜变量模型的灵活性。由此产生的技能可以在新的任务，看不见的对象和州内转移和微调到基于视觉的策略，与现有的技能和仿制的方法相比，产生更好的样本效率和渐近性能。我们进一步分析了技能最有益的方式以及何时：他们鼓励定向探索来涵盖与任务相关的国家空间的大区域，使其在挑战稀疏奖励环境中最有效。

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。

Skill-based reinforcement learning (RL) has emerged as a promising strategy to leverage prior knowledge for accelerated robot learning. Skills are typically extracted from expert demonstrations and are embedded into a latent space from which they can be sampled as actions by a high-level RL agent. However, this skill space is expansive, and not all skills are relevant for a given robot state, making exploration difficult. Furthermore, the downstream RL agent is limited to learning structurally similar tasks to those used to construct the skill space. We firstly propose accelerating exploration in the skill space using state-conditioned generative models to directly bias the high-level agent towards only sampling skills relevant to a given state based on prior experience. Next, we propose a low-level residual policy for fine-grained skill adaptation enabling downstream RL agents to adapt to unseen task variations. Finally, we validate our approach across four challenging manipulation tasks that differ from those used to build the skill space, demonstrating our ability to learn across task variations while significantly accelerating exploration, outperforming prior works. Code and videos are available on our project website: https://krishanrana.github.io/reskill.

基于模型的增强学习（RL）是一种通过利用学习的单步动力学模型来计划想象中的动作来学习复杂行为的样本效率方法。但是，计划为长马操作计划的每项行动都是不切实际的，类似于每个肌肉运动的人类计划。相反，人类有效地计划具有高级技能来解决复杂的任务。从这种直觉中，我们提出了一个基于技能的RL框架（SKIMO），该框架能够使用技能动力学模型在技能空间中进行计划，该模型直接预测技能成果，而不是预测中级状态中的所有小细节，逐步。为了准确有效的长期计划，我们共同学习了先前经验的技能动力学模型和技能曲目。然后，我们利用学到的技能动力学模型准确模拟和计划技能空间中的长范围，这可以有效地学习长摩盛，稀疏的奖励任务。导航和操纵域中的实验结果表明，Skimo扩展了基于模型的方法的时间范围，并提高了基于模型的RL和基于技能的RL的样品效率。代码和视频可在\ url {https://clvrai.com/skimo}上找到

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.

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。

我们提出了一种层次结构的增强学习方法Hidio，可以以自我监督的方式学习任务不合时宜的选项，同时共同学习利用它们来解决稀疏的奖励任务。与当前倾向于制定目标的低水平任务或预定临时的低级政策不同的层次RL方法不同，Hidio鼓励下级选项学习与手头任务无关，几乎不需要假设或很少的知识任务结构。这些选项是通过基于选项子对象的固有熵最小化目标来学习的。博学的选择是多种多样的，任务不可能的。在稀疏的机器人操作和导航任务的实验中，Hidio比常规RL基准和两种最先进的层次RL方法，其样品效率更高。

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。

We propose an approach for semantic imitation, which uses demonstrations from a source domain, e.g. human videos, to accelerate reinforcement learning (RL) in a different target domain, e.g. a robotic manipulator in a simulated kitchen. Instead of imitating low-level actions like joint velocities, our approach imitates the sequence of demonstrated semantic skills like "opening the microwave" or "turning on the stove". This allows us to transfer demonstrations across environments (e.g. real-world to simulated kitchen) and agent embodiments (e.g. bimanual human demonstration to robotic arm). We evaluate on three challenging cross-domain learning problems and match the performance of demonstration-accelerated RL approaches that require in-domain demonstrations. In a simulated kitchen environment, our approach learns long-horizon robot manipulation tasks, using less than 3 minutes of human video demonstrations from a real-world kitchen. This enables scaling robot learning via the reuse of demonstrations, e.g. collected as human videos, for learning in any number of target domains.

机器人的长期愿景是装备机器人，技能与人类的多功能性和精度相匹配。例如，在播放乒乓球时，机器人应该能够以各种方式返回球，同时精确地将球放置在所需位置。模拟这种多功能行为的常见方法是使用专家（MOE）模型的混合，其中每个专家是一个上下文运动原语。然而，由于大多数目标强迫模型涵盖整个上下文空间，因此学习此类MOS是具有挑战性的，这可以防止基元的专业化导致相当低质量的组件。从最大熵增强学习（RL）开始，我们将目标分解为优化每个混合组件的个体下限。此外，我们通过允许组件专注于本地上下文区域来介绍课程，使模型能够学习高度准确的技能表示。为此，我们使用与专家原语共同调整的本地上下文分布。我们的下限主张迭代添加新组件，其中新组件将集中在当前MOE不涵盖的本地上下文区域上。这种本地和增量学习导致高精度和多功能性的模块化MOE模型，其中可以通过在飞行中添加更多组件来缩放两个属性。我们通过广泛的消融和两个具有挑战性的模拟机器人技能学习任务来证明这一点。我们将我们的绩效与Live和Hireps进行了比较，这是一个已知的分层政策搜索方法，用于学习各种技能。

长摩根和包括一系列隐性子任务的日常任务仍然在离线机器人控制中构成了重大挑战。尽管许多先前的方法旨在通过模仿和离线增强学习的变体来解决这种设置，但学习的行为通常是狭窄的，并且经常努力实现可配置的长匹配目标。由于这两个范式都具有互补的优势和劣势，因此我们提出了一种新型的层次结构方法，结合了两种方法的优势，以从高维相机观察中学习任务无关的长胜压策略。具体而言，我们结合了一项低级政策，该政策通过模仿学习和从离线强化学习中学到的高级政策学习潜在的技能，以促进潜在的行为先验。各种模拟和真实机器人控制任务的实验表明，我们的配方使以前看不见的技能组合能够通过“缝制”潜在技能通过目标链条，并在绩效上提高绩效的顺序，从而实现潜在的目标。艺术基线。我们甚至还学习了一个多任务视觉运动策略，用于现实世界中25个不同的操纵任务，这既优于模仿学习和离线强化学习技术。

从过去的经验中发现有用的行为并将其转移到新任务的能力被认为是自然体现智力的核心组成部分。受神经科学的启发，发现在瓶颈状态下切换的行为一直被人们追求，以引起整个任务的最小描述长度的计划。先前的方法仅支持在线，政策，瓶颈状态发现，限制样本效率或离散的状态行动域，从而限制适用性。为了解决这个问题，我们介绍了基于模型的离线选项（MO2），这是一个脱机后视框架，支持在连续的状态行动空间上发现样品效率高效瓶颈选项。一旦脱机而在源域上学习了瓶颈选项，它们就会在线转移，以改善转移域的探索和价值估计。我们的实验表明，在复杂的长途连续控制任务上，具有稀疏，延迟的奖励，MO2的属性至关重要，并且导致性能超过最近的选项学习方法。其他消融进一步证明了对期权可预测性和信用分配的影响。

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。

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。

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。

最先进的多机构增强学习（MARL）方法为各种复杂问题提供了有希望的解决方案。然而，这些方法都假定代理执行同步的原始操作执行，因此它们不能真正可扩展到长期胜利的真实世界多代理/机器人任务，这些任务固有地要求代理/机器人以异步的理由，涉及有关高级动作选择的理由。不同的时间。宏观行动分散的部分可观察到的马尔可夫决策过程（MACDEC-POMDP）是在完全合作的多代理任务中不确定的异步决策的一般形式化。在本论文中，我们首先提出了MacDec-Pomdps的一组基于价值的RL方法，其中允许代理在三个范式中使用宏观成果功能执行异步学习和决策：分散学习和控制，集中学习，集中学习和控制，以及分散执行的集中培训（CTDE）。在上述工作的基础上，我们在三个训练范式下制定了一组基于宏观行动的策略梯度算法，在该训练范式下，允许代理以异步方式直接优化其参数化策略。我们在模拟和真实的机器人中评估了我们的方法。经验结果证明了我们在大型多代理问题中的方法的优势，并验证了我们算法在学习具有宏观actions的高质量和异步溶液方面的有效性。

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

我们提出了一种新型的参数化技能学习算法，旨在学习可转移的参数化技能并将其合成为新的动作空间，以支持长期任务中的有效学习。我们首先提出了新颖的学习目标 - 以轨迹为中心的多样性和平稳性 - 允许代理商能够重复使用的参数化技能。我们的代理商可以使用这些学习的技能来构建时间扩展的参数化行动马尔可夫决策过程，我们为此提出了一种层次的参与者 - 批判算法，旨在通过学习技能有效地学习高级控制政策。我们从经验上证明，所提出的算法使代理能够解决复杂的长途障碍源环境。

强化学习可以培训有效执行复杂任务的政策。然而，对于长地平线任务，这些方法的性能与地平线脱落，通常需要推理和构成较低级别的技能。等级强化学习旨在通过为行动抽象提供一组低级技能来实现这一点。通过抽象空间状态，层次结构也可以进一步提高这一点。我们对适当的状态抽象应取决于可用的较低级别策略的功能。我们提出了价值函数空间：通过使用与每个较低级别的技能对应的值函数来产生这种表示的简单方法。这些价值函数捕获场景的可取性，从而形成了紧凑型摘要任务相关信息的表示，并强大地忽略了分散的人。迷宫解决和机器人操纵任务的实证评估表明，我们的方法提高了长地平的性能，并且能够比替代的无模型和基于模型的方法能够更好的零拍泛化。