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清华姚班、哈佛学霸,让机器人自己写代码、练技能,终于不用人手把手带了

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机器人前瞻(公众号:robot_pro)
作者 刘俐杉
编辑 许丽思

机器人前瞻10月19日报道,近日,哈佛大学、英伟达、加州大学伯克利分校、麻省理工学院和斯坦福大学的研究团队,推出开源框架RAX(Robot Agent eXploration,机器人智能体探索)。

RAX的核心思路是扩大机器人的自主探索规模。智能体通过在线获取经验,并将有效经验转化为可执行程序,不断提升自身能力。

简单来说,RAX让一个会写代码的通用智能体,在真实或仿真环境里“边干边试”,把尝试的有效做法写成可反复运行的程序。


▲《Scaling Online Exploration for Robot Agents》

比如,在机器人执行开空气炸锅任务时,智能体一开始要边看深度相机,边写分析脚本,边试动作,花了44分钟,写了23个分析脚本才完成第一次抓取。

但一旦摸索出“怎么定位把手、怎么抓、怎么分步拉开抽屉、怎么放香蕉、怎么关上”的有效决策序列,智能体就能把这套流程编译成模块化程序,之后机器人就能快速自动执行。

基于RAX,该团队研究了如何扩大在线探索规模,以及这种方法在不同机器人本体和任务中的表现。

实验结果表明,随着探索规模扩大,机器人在未见过的环境中,其泛化能力得到持续提升。在仿真实验中,RAX的平均表现比表现最好的基线模型高出37.4%。

据悉,该论文共同第一作者黄润晗,本科毕业于清华大学姚班,今年6月获计算机科学工学学士学位,同年8月加入哈佛大学攻读计算机科学博士。他的研究主要聚焦机器人学、生成模型和智能体。另一位共同第一作者Xiangcheng Zhang,同样在哈佛大学攻读计算机科学博士。

一、智能体直接上手写程序,让机器人学会自主操作空气炸锅

VLA模型和WAM模型,分别用大规模遥操作数据,对预训练的VLM和视频生成模型进行微调。但将系统部署至新机器人,或让其执行新任务,通常仍需专门采集遥操作数据。

这类策略本质上受限于所模仿的示范数据,即使机器人能交互,测试时有额外算力,也难以实现泛化和自我改进。

这一局限引出了一个核心问题:机器人能否通过自主在线经验和主动探索,实现自我改进,并学会发现新的技能?

研究团队提出一个新的思路,让智能体直接为机器人编写程序,这样,整个过程不需要人工设计动作原语( action primitives)。

此次提出的RAX,是一种面向机器人智能体的认知架构。在RAX中,通用编码智能体拿到的是自然语言指令、至多几张目标图像或视觉示范,外加一个探索回合预算。

随后,智能体直接通过机器人的感知和控制接口,与机器人交互。整个过程不需要人工遥操作,也不依赖价值函数指导。

底层语言模型的参数始终保持固定,系统不会进行策略训练。同时,系统通过持续更新一个可长期保存的工作空间来实现学习。该工作空间包含程序、笔记和经过验证的技能。

智能体会将成功的交互过程,转化为可自主执行的代码程序,并保存可供后续实验和任务复用的知识。


而随着探索规模扩大,研究团队也观察到系统逐渐展现出多种能力。

1、多模态感知

为了构建符合真实物理世界的模型,团队为智能体提供多模态传感器输入,包括RGB图像、深度图、相机参数和力信号。

借助这些信息,智能体可以利用深度数据构建三维世界模型,并通过力反馈控制接触过程。

在机器人开空气炸锅任务中,智能体打开空气炸锅抽屉,将一根香蕉放入炸篮,再关闭抽屉。


智能体首先将RGB-D相机采集的观测数据转换为点云,并统一到机器人基座坐标系中。然后,它利用自身测量得到的数据,构建空气炸锅的几何模型。


面对新的场景布局时,智能体会通过鲁棒估计方法,拟合空气炸锅的轴线和手柄方向,从而确定其位置和姿态。

由于抽屉可以移动,模型需要表示物体的关节结构。该模型由固定机身和一个抽屉组成。

智能体以此模型为基础,规划每一个动作,包括抓取、拉动和松手,并检查每段运动轨迹是否会发生碰撞。

2、规划与控制

建立准确的世界模型后,智能体便可以直接在三维空间中规划机器人动作,并利用机器人控制软件开发工具包(SDK)和运动学求解器执行规划。

为了连接智能体与实体机器人,团队将机器人的控制SDK封装为模型上下文协议(MCP)工具,同时提供逆运动学(IK)求解器、机器人URDF模型等辅助工具。

借助这些工具,智能体可以规划每个动作,并搜索可行的运动轨迹。规划过程中,它会考虑机器人的姿态、碰撞风险和关节限位。

以空气炸锅任务为例,抽屉手柄顶部有一段较短的水平杆,杆的末端向下延伸出一个供抓握的部分。

如果像人一样从正面抓住这段握柄,智能体拉动抽屉时,靠近水平杆根部的关节几乎没有足够的活动余量。

因此,如图中动作1和2所示,智能体选择从上方抓住较短的水平杆,并以每次3厘米的步长逐步拉开抽屉。


接下来是放入香蕉的操作。香蕉长18厘米,而炸篮长19厘米,几乎没有多余空间。

如果将香蕉保持水平,直接从手中松开,香蕉就会碰到空气炸锅顶部。同时,张开的手指也可能撞到机身。

如图中动作3所示,为了解决这个问题,智能体将手部绕香蕉的轴线倾斜60°,使香蕉凹陷的一侧朝向空气炸锅。随后,它在香蕉中部刚刚越过炸篮中心的位置松手,将香蕉放入篮中。

这些动作都是智能体在探索过程中,通过搜索和尝试不同的控制工具自行发现的,没有接受人工建议,也没有使用人工示范。

3、从探索到自主机器人程序

每次动作都依赖大语言模型进行推理,成本较高,执行速度也较慢。

为了实现高频闭环规划,智能体会将决策过程自动转化为自主机器人程序,程序能够通过代码直接执行任务。

RAX智能体能够不依赖预训练策略或人工编写的动作原语,直接控制机器人。

在探索过程中,控制权逐步从高层推理,转移到自主执行的代码程序中。最终,智能体通过自身生成的代码实现自主决策。

在初始阶段,智能体通过调用工具控制机器人,并依靠大语言模型感知场景。

当任务成功完成后,智能体会将这些决策编译成代码程序。此后,程序便可以独立运行,无须每一步都等待主智能体进行推理。

例如,在识别物体的形状和几何特征后,智能体会生成三维物体模型。当遇到新的物体布局时,程序可以利用深度数据生成的点云,自动估计物体的位置和姿态。

这样就不需要主智能体反复处理原始图像,大幅减少了感知过程的时间开销和计算成本。

智能体还会将任务拆分为多个阶段,并通过程序实现模块化技能。每项技能都包含执行前检查、动作执行和结果验证。

探索过程中测得的数据,例如移动距离、抓取方向等,也会被转化为程序参数。

智能体会在探索过程中反复测试不同版本的程序,并根据各个阶段的失败情况,判断需要修改哪项具体技能。

这种设计能够将每次失败直接对应到某个具体阶段,便于定位问题并进行修正。


当程序达到足够的可靠性后,智能体会让它在新的场景中进行无人值守测试。程序具备异常处理机制,智能体则会监控程序生成的日志,以便在紧急情况下介入。

如果开放环境中出现较大变化,导致感知或规划失败,程序就会抛出异常。此时,智能体可以重新介入,感知当前环境,并做出必要调整。

通过在探索阶段大规模测试和调试程序,系统最终能够生成完整的自动化程序。即使面对未见过的场景,程序也能自主完成感知、决策和动作执行。

4、基于记忆的持续学习

机器人智能体和人类一样,遵循着类似的认知过程,即反复练习单项技能,熟练掌握后,再将这些技能组合起来,完整演练复杂的长时序任务。

研究团队让智能体通过反复练习生成并改进技能,再逐步复用技能库中的已有能力,完成越来越复杂的任务。

以家庭场景为例,该团队让智能体练习不同的子任务,例如抓取和放置箱子与桶,或对桌面物品进行分类整理。

在练习过程中,智能体会开发自主执行程序,并通过端到端的反复演练提高程序的鲁棒性。最终,经过验证的程序会被存入多任务技能库。

当执行由多个子任务组成的长时序任务时,智能体可以直接复用这些技能。同时,它还会检查技能的执行记录和适用前提,以应对练习阶段未曾遇到的环境变化。

这种技能获取和练习过程,也可以在多台机器人及多个任务之间并行开展,从而实现多机器人系统之间的协同学习。

二、前后端分离设计,一套架构适配多种机器人

RAX 使用统一的智能体架构,其支持仿真环境和真实世界中的多种机器人本体,包括单臂机械臂、双臂机器人、灵巧手、移动操作机器人和人形机器人。

为实现该目标,在设计上,RAX采用了软件工程中常见的前后端分离设计,将前端与为其提供服务的后端分开。

在RAX中,后端负责机器人的物理系统,包括硬件驱动程序、仿真器、底层控制器、传感器处理流程,以及相关的安全防护机制。

它运行厂商提供的驱动程序和实时控制器,输出经过标定的RGB-D图像,以及相应相机的内参和位姿。后端还会持续记录机器人的传感器数据和状态。这样,智能体就能在动作执行后查看实际结果。

前端从系统中接收的内容,只有工具和技能两类。

工具尽可能开放后端提供的功能,包括环境观测、底层控制,以及基于模型的辅助功能。

例如,正向运动学和逆运动学求解、平台支持的运动规划,以及仅在机器人模型上执行候选动作的预演功能。该预演不包含实际环境场景。

工具还提供构建感知系统所需的几何基础功能,包括将图像像素反投影为,具有实际尺度的三维点、获取相机在机器人坐标系中的位姿,以及获取从各个相机到末端执行器的运动学链。

技能则以文档形式说明如何使用这些工具。内容包括机器人的坐标系、动作空间、控制频率、各项限制和失效模式,以及感知规范、探索流程和记忆机制。

这些技能围绕四个维度组织:任务策略、协同控制、感知,以及机器人专用控制。

系统会根据机器人本体和观测模式,将相应技能组合到每次实验使用的独立工作空间中,智能体可以在这里观察环境、制定决策并执行动作,同时编写用于实现决策逻辑的程序。

前后端只通过工具接口连接。这种前后端分离设计,从架构上,就让RAX具备了支持多种机器人本体的能力。

同一个前端可以连接不同平台的后端,包括真实的Franka和Rainbow RB-Y1机器人,以及各类仿真基准环境。

三、六类基准评测,五组对比平均领先37.4分

在仿真测试上,团队将RAX放在RoboDojo、BEHAVIOR-1K、HumanoidArena、DexJoCo、LIBERO和LIBERO-Pro六个基准上进行评估,覆盖单臂、双臂、灵巧、移动和人形本体。五个基准上平均超过此前最强模型37.4分。

在不使用任何专家动作轨迹的情况下,RAX还在RoboDojo、BEHAVIOR-1K、DexJoCo和LIBERO-Pro上取得了最好成绩,分别领先53.4、38.3、31.4和21.2个百分点。

1、RoboDojo评测

团队使用双臂ARX X5,设置了七个覆盖域随机化、精度、记忆、长时程和开放指令的任务。

在最大预算下RAX在全部七个任务上超过所有基线,平均成功率为78.3%,排行榜最强策略VPP2为24.9%。sweep blocks random上RAX达71.7%、最佳基线仅8.0%;pour by language上所有学习策略均失败,RAX达100.0%。


2、BEHAVIOR-1K测试

在BEHAVIOR-1K上,多个协作智能体使用Galaxea R1 Pro,在并行环境中探索六个长时程家庭任务。每个任务的探索预算为128个回合。

在练习时,RAX只给智能体任务描述、RGB-D观测,以及任务完成后的图像序列作为参考,不给动作示范。

练完后,RAX把智能体摸索出的程序、笔记和技能冻结。评估时,RAX会启动一个新的智能体副本,让它带着这套冻结成果去跑十个官方公开测试场景。评分看每个任务完成了多少目标条件,完全成功才给满分。

结果显示,RAX在这个基准上比此前最好成绩高38.3分。


3、HumanoidArena

面对Unitree G1配Dex3手的七项任务,RAX的平均成功率达到89.8%,比世界动作模型WB-WAM高出7.9个百分点。两者使用的示范数据量也不同,RAX每项任务仅获得3段遥操作示范,而基线方法使用了100段。


4、DexJoCo

研究团队进一步测试了灵巧手操作能力。该基准包含11项任务,其中6项使用单臂,5项使用双臂。机器人需要使用搭载16自由度Allegro灵巧手的Franka机械臂,去完成任务。

随着探索从2个回合增加到8个回合、再增加到32个回合,RAX 在11项任务上的平均成功率,从31.9%升至86.9%,最终达到96.7%。


在32个回合的设置下,RAX 在每项任务上的成功率,均超过论文所比较的既有最优结果。

5、LIBERO和LIBERO-Pro

在LIBERO基准中,研究团队使用单臂Franka Panda机械臂和两指平行夹爪。

在标准LIBERO场景中,RAX 的平均成功率达到98.5%,且没有使用动作示范数据。作为对照,经过示范数据训练的世界动作模型Cosmos Policy,平均成功率同样为98.5%。


如上图所示,在没有针对扰动场景进行额外探索的情况下,RAX 的平均成功率达到76.0%,高于采用示范训练的VPP2模型的42.3%。在此基础上,RAX再进行最多5个探索回合的适应,平均成功率提升至84.4%,比未进行适应时提高8.4个百分点。

结语:不靠示范数据的RAX,真机上的技能复用仍待验证

RAX 提供了一种不同于传统机器人策略训练的技术路径,即让智能体在限定的机器人控制接口和安全机制下,通过在线探索寻找操作方法,再将有效经验保存为可执行程序和可复用技能。

从实验结果看来,RAX在多类仿真基准上取得了较好的成绩,在部分场景扰动测试中也展现出一定的适应能力。

对于机器人行业来说,这条路线的价值在于,有机会减少部分任务对专门动作示范数据,和重复策略训练的依赖。

但目前,RAX 仍需要通过探索来获得任务经验,在线推理和真实机器人试错也会带来时间与计算成本。仿真环境中的优势并不能带到真实世界中,不同任务的自动化程度、人工介入情况的差异,都会让智能体在实际部署中有不一样的表现。

因此,RAX能否进一步降低探索成本,并在真实场景中稳定复用这些技能,仍然需要持续关注。

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