近年来，机器人的操纵和控制的重要性增加了。但是，在现实世界应用中需要操作时，最新技术仍然存在局限性。本文探讨了在模拟环境和真实环境中重播的事后观看经验，突出了其弱点，并根据奖励和目标塑造提出了基于加强学习的替代方案。此外，还发现了一些研究问题以及可以探索以解决这些问题的潜在研究方向。
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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。
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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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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。
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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。
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2020-08-05
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。
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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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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.
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在现实世界中的机器人在现实环境中的许多可能的应用领域都铰接机器人掌握物体的能力。因此，机器人Grasping多年来一直是有效的研究领域。通过我们的出版物，我们有助于使机器人能够掌握，特别关注垃圾桶采摘应用。垃圾拣选尤其挑战，由于经常杂乱和非结构化的物体排列以及通过简单的顶部掌握的物体的频繁避免的避神。为了解决这些挑战，我们提出了一种基于软演员 - 评论家（SAC）的混合离散调整的完全自我监督的强化学习方法。我们使用参数化运动原语来推动和抓握运动，以便为我们考虑的困难设置启用灵活的适应行为。此外，我们使用数据增强来提高样本效率。我们证明了我们提出的关于具有挑战性的采摘情景的方法，其中平面掌握学习或行动离散化方法会面临很大困难
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无监督的表示学习的最新进展显着提高了模拟环境中培训强化学习政策的样本效率。但是，尚未看到针对实体强化学习的类似收益。在这项工作中，我们专注于从像素中启用数据有效的实体机器人学习。我们提出了有效的机器人学习（编码器）的对比前训练和数据增强，该方法利用数据增强和无监督的学习来从稀疏奖励中实现对实体ARM策略的样本效率培训。虽然对比预训练，数据增强，演示和强化学习不足以进行有效学习，但我们的主要贡献表明，这些不同技术的组合导致了一种简单而数据效率的方法。我们表明，只有10个示范，一个机器人手臂可以从像素中学习稀疏的奖励操纵策略，例如到达，拾取，移动，拉动大物体，翻转开关并在短短30分钟内打开抽屉现实世界训练时间。我们在项目网站上包括视频和代码：https：//sites.google.com/view/felfficited-robotic-manipulation/home
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学习玩乒乓球是机器人的一个具有挑战性的任务，作为所需的各种笔画。最近的进展表明，深度加强学习（RL）能够在模拟环境中成功地学习最佳动作。然而，由于高勘探努力，RL在实际情况中的适用性仍然有限。在这项工作中，我们提出了一个现实的模拟环境，其中多种模型是为球的动态和机器人的运动学而建立的。代替训练端到端的RL模型，提出了一种具有TD3骨干的新的政策梯度方法，以基于击球时间基于球的预测状态来学习球拍笔划。在实验中，我们表明，所提出的方法显着优于仿真中现有的RL方法。此外，将域从仿真跨越现实，我们采用了一个有效的再培训方法，并在三种实际情况下测试。由此产生的成功率为98％，距离误差约为24.9厘米。总培训时间约为1.5小时。
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Dexterous manipulation with anthropomorphic robot hands remains a challenging problem in robotics because of the high-dimensional state and action spaces and complex contacts. Nevertheless, skillful closed-loop manipulation is required to enable humanoid robots to operate in unstructured real-world environments. Reinforcement learning (RL) has traditionally imposed enormous interaction data requirements for optimizing such complex control problems. We introduce a new framework that leverages recent advances in GPU-based simulation along with the strength of imitation learning in guiding policy search towards promising behaviors to make RL training feasible in these domains. To this end, we present an immersive virtual reality teleoperation interface designed for interactive human-like manipulation on contact rich tasks and a suite of manipulation environments inspired by tasks of daily living. Finally, we demonstrate the complementary strengths of massively parallel RL and imitation learning, yielding robust and natural behaviors. Videos of trained policies, our source code, and the collected demonstration datasets are available at https://maltemosbach.github.io/interactive_ human_like_manipulation/.
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Figure 1: A five-fingered humanoid hand trained with reinforcement learning manipulating a block from an initial configuration to a goal configuration using vision for sensing.
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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。
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本文展示了熊猫健身房，一套加固学习（RL）环境，适用于与Openai健身房一体化的弗兰卡·埃米卡熊猫机器人。包括五项任务：达到，推，幻灯片，拾取和堆叠。它们都遵循多目标RL框架，允许使用面向目标的RL算法。为了促进开放式研究，我们选择使用开源物理引擎Pybullet。为此包选择的实现允许定义非常容易的新任务或新机器人。本文还介绍了通过最先进的无模式脱核算法获得的结果。熊猫健身房是开源，在https://github.com/qgallouedec/panda-gym上免费提供。
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为了解决复杂环境中的任务，机器人需要从经验中学习。深度强化学习是一种常见的机器人学习方法，但需要大量的反复试验才能学习，从而限制了其在物理世界中的部署。结果，机器人学习的许多进步都取决于模拟器。另一方面，模拟器内部的学习无法捕获现实世界的复杂性，很容易模拟器不准确，并且由此产生的行为并不适应世界上的变化。 Dreamer算法最近通过在学习的世界模型中进行计划，表现出巨大的希望，可以从少量互动中学习，从而超过了视频游戏中的纯强化学习。学习一个世界模型来预测潜在行动的结果，使计划可以在想象中进行计划，从而减少了真实环境中所需的反复试验量。但是，尚不清楚梦想家是否可以促进更快地学习物理机器人。在本文中，我们将Dreamer应用于4个机器人，以直接在网上学习，直接在现实世界中，而无需模拟器。 Dreamer训练一个四倍的机器人，从头开始，站起来，站起来，仅在1小时内就没有重置。然后，我们推动机器人，发现Dreamer在10分钟内适应以承受扰动或迅速翻身并站起来。在两个不同的机器人臂上，Dreamer学会了直接从相机图像和稀疏的奖励中挑选和放置多个物体，从而接近人类的性能。在轮式机器人上，Dreamer学会了纯粹从相机图像导航到目标位置，从而自动解决有关机器人方向的歧义。在所有实验中使用相同的超参数，我们发现Dreamer能够在现实世界中在线学习，建立强大的基线。我们释放我们的基础架构，用于世界模型在机器人学习中的未来应用。
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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。
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非结构化环境中的多步操纵任务对于学习的机器人来说非常具有挑战性。这些任务相互作用，包括可以获得的预期状态，可以实现整体任务和低级推理，以确定哪些行动将产生这些国家。我们提出了一种无模型的深度加强学习方法来学习多步理操作任务。我们介绍了一个基于视觉的模型架构的机器人操纵网络（ROMANNET），以了解动作值函数并预测操纵操作候选。我们定义基于Gaussian（TPG）奖励函数的任务进度，基于导致成功的动作原语的行动和实现整体任务目标的进展来计算奖励。为了平衡探索/剥削的比率，我们介绍了一个损失调整后的探索（LAE）政策，根据亏损估计的Boltzmann分配来确定来自行动候选人的行动。我们通过培训ROMANNET来展示我们方法的有效性，以了解模拟和现实世界中的几个挑战的多步机械管理任务。实验结果表明，我们的方法优于现有的方法，并在成功率和行动效率方面实现了最先进的性能。消融研究表明，TPG和LAE对多个块堆叠的任务特别有益。代码可用：https：//github.com/skumra/romannet
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抓握是通过在一组触点上施加力和扭矩来挑选对象的过程。深度学习方法的最新进展允许在机器人对象抓地力方面快速进步。我们在过去十年中系统地调查了出版物，特别感兴趣使用最终效果姿势的所有6度自由度抓住对象。我们的综述发现了四种用于机器人抓钩的常见方法：基于抽样的方法，直接回归，强化学习和示例方法。此外，我们发现了围绕抓握的两种“支持方法”，这些方法使用深入学习来支持抓握过程，形状近似和负担能力。我们已经将本系统评论（85篇论文）中发现的出版物提炼为十个关键要点，我们认为对未来的机器人抓握和操纵研究至关重要。该调查的在线版本可从https://rhys-newbury.github.io/projects/6dof/获得
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最近，已证明模型的神经网络模型可以提高计算机视觉和增强学习任务的样本效率。本文在机器人策略学习的背景下探讨了这一想法，在这种情况下，必须完全在物理机器人系统上学习策略，而无需参考模型，模拟器或离线数据集。我们专注于模棱两可的SAC在机器人操作中的应用，并探索算法的许多变化。最终，我们证明了通过在不到一小时或两个小时的壁时钟时间内的机上体验完全学习几项非平凡操纵任务的能力。
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