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.

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

我们调查视觉跨实施的模仿设置，其中代理商学习来自其他代理的视频（例如人类）的策略，示范相同的任务，但在其实施例中具有缺点差异 - 形状，动作，终效应器动态等。在这项工作中，我们证明可以从对这些差异强大的跨实施例证视频自动发现和学习基于视觉的奖励功能。具体而言，我们介绍了一种用于跨实施的跨实施的自我监督方法（XIRL），它利用时间周期 - 一致性约束来学习深度视觉嵌入，从而从多个专家代理的示范的脱机视频中捕获任务进度，每个都执行相同的任务不同的原因是实施例差异。在我们的工作之前，从自我监督嵌入产生奖励通常需要与参考轨迹对齐，这可能难以根据STARK实施例的差异来获取。我们凭经验显示，如果嵌入式了解任务进度，则只需在学习的嵌入空间中占据当前状态和目标状态之间的负距离是有用的，作为培训与加强学习的培训政策的奖励。我们发现我们的学习奖励功能不仅适用于在训练期间看到的实施例，而且还概括为完全新的实施例。此外，在将现实世界的人类示范转移到模拟机器人时，我们发现XIRL比当前最佳方法更具样本。 https://x-irl.github.io提供定性结果，代码和数据集

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.

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。

技能链是一种希望通过顺序结合以前学习的技能来合成复杂行为的有希望的方法。然而，当政策遭遇在培训期间从未见过的起始状态时，幼稚的技能组成失败。对于成功的技能链接，先前的方法试图扩大策略的起始状态分布。然而，这些方法需要覆盖更大的状态分布，因为更多的策略进行测序，因此仅限于短的技能序列。在本文中，我们通过在对抗学习框架中规范终端状态分布来提出连锁多个初始状态分布的多重政策。我们评估了我们对家具组件的两个复杂的长地平衡任务的方法。我们的结果表明，我们的方法建立了第一种无模型加强学习算法来解决这些任务;而先前的技能链接方法失败。代码和视频可在https://clvrai.com/skill-chaining上获得

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.

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。

Large-scale data is an essential component of machine learning as demonstrated in recent advances in natural language processing and computer vision research. However, collecting large-scale robotic data is much more expensive and slower as each operator can control only a single robot at a time. To make this costly data collection process efficient and scalable, we propose Policy Assisted TeleOperation (PATO), a system which automates part of the demonstration collection process using a learned assistive policy. PATO autonomously executes repetitive behaviors in data collection and asks for human input only when it is uncertain about which subtask or behavior to execute. We conduct teleoperation user studies both with a real robot and a simulated robot fleet and demonstrate that our assisted teleoperation system reduces human operators' mental load while improving data collection efficiency. Further, it enables a single operator to control multiple robots in parallel, which is a first step towards scalable robotic data collection. For code and video results, see https://clvrai.com/pato

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。

本文考虑了从专家演示中学习机器人运动和操纵任务。生成对抗性模仿学习（GAIL）训练一个区分专家与代理转换区分开的歧视者，进而使用歧视器输出定义的奖励来优化代理商的策略生成器。这种生成的对抗训练方法非常强大，但取决于歧视者和发电机培训之间的微妙平衡。在高维问题中，歧视训练可能很容易过度拟合或利用与任务 - 核定功能进行过渡分类的关联。这项工作的一个关键见解是，在合适的潜在任务空间中进行模仿学习使训练过程稳定，即使在挑战高维问题中也是如此。我们使用动作编码器模型来获得低维的潜在动作空间，并使用对抗性模仿学习（Lapal）训练潜在政策。可以从州行动对脱机来训练编码器模型，以获得任务无关的潜在动作表示或与歧视器和发电机培训同时在线获得，以获得任务意识到的潜在行动表示。我们证明了Lapal训练是稳定的，具有近乎单的性能的改进，并在大多数运动和操纵任务中实现了专家性能，而Gail基线收敛速度较慢，并且在高维环境中无法实现专家的表现。

在现实世界中行为的自治工人的核心挑战是调整其曲目的技能来应对其嘈杂的感知和动态。为了将技能缩放到长地平线任务，机器人应该能够通过轨迹以结构化方式学习，然后在每次步骤中单独做出瞬间决策。为此，我们提出了软演员 - 评论家高斯混合模型（SAC-GMM），一种新型混合方法，通过动态系统学习机器人技巧，并通过与环境的互动来适应自己的轨迹分配空间中的学习技巧。我们的方法结合了经典的机器人技术与深度加强学习框架的演示和利用他们的互补性。我们表明，我们的方法仅在执行初步学习技能期间使用的传感器，以提取导致更快的技能细化的相关功能。模拟和现实世界环境的广泛评估展示了我们通过利用物理交互，高维感官数据和稀疏任务完成奖励来精炼机器人技能的方法的有效性。视频，代码和预先训练的模型可用于\ url {http://sac-gmm.cs.uni-freiburg.de}。

模仿学习在有效地学习政策方面对复杂的决策问题有着巨大的希望。当前的最新算法经常使用逆增强学习（IRL），在给定一组专家演示的情况下，代理会替代奖励功能和相关的最佳策略。但是，这种IRL方法通常需要在复杂控制问题上进行实质性的在线互动。在这项工作中，我们提出了正规化的最佳运输（ROT），这是一种新的模仿学习算法，基于最佳基于最佳运输轨迹匹配的最新进展。我们的主要技术见解是，即使只有少量演示，即使只有少量演示，也可以自适应地将轨迹匹配的奖励与行为克隆相结合。我们对横跨DeepMind Control Suite，OpenAI Robotics和Meta-World基准的20个视觉控制任务进行的实验表明，与先前最新的方法相比，平均仿真达到了90％的专家绩效的速度，达到了90％的专家性能。 。在现实世界的机器人操作中，只有一次演示和一个小时的在线培训，ROT在14个任务中的平均成功率为90.1％。

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。

Identifying statistical regularities in solutions to some tasks in multi-task reinforcement learning can accelerate the learning of new tasks. Skill learning offers one way of identifying these regularities by decomposing pre-collected experiences into a sequence of skills. A popular approach to skill learning is maximizing the likelihood of the pre-collected experience with latent variable models, where the latent variables represent the skills. However, there are often many solutions that maximize the likelihood equally well, including degenerate solutions. To address this underspecification, we propose a new objective that combines the maximum likelihood objective with a penalty on the description length of the skills. This penalty incentivizes the skills to maximally extract common structures from the experiences. Empirically, our objective learns skills that solve downstream tasks in fewer samples compared to skills learned from only maximizing likelihood. Further, while most prior works in the offline multi-task setting focus on tasks with low-dimensional observations, our objective can scale to challenging tasks with high-dimensional image observations.

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。

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.

加强学习是机器人获得从经验中获得技能的强大框架，但通常需要大量的在线数据收集。结果，很难收集机器人概括所需的足够多样化的经验。另一方面，人类的视频是一种易于获得的广泛和有趣的经历来源。在本文中，我们考虑问题：我们可以直接进行强化学习，以便在人类收集的经验吗？这种问题特别困难，因为这种视频没有用动作注释并相对于机器人的实施例展示了大量的视觉畴偏移。为了解决这些挑战，我们提出了一种与视频（RLV）的强化学习框架。 RLV使用人类收集的经验结合机器人收集的数据来了解策略和价值函数。在我们的实验中，我们发现RLV能够利用此类视频来学习基于视觉的愿景技能，以不到一半的样本作为从头开始学习的RL方法。

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

在移动操作（MM）中，机器人可以在内部导航并与其环境进行交互，因此能够完成比仅能够导航或操纵的机器人的更多任务。在这项工作中，我们探讨如何应用模仿学习（IL）来学习MM任务的连续Visuo-Motor策略。许多事先工作表明，IL可以为操作或导航域训练Visuo-Motor策略，但很少有效应用IL到MM域。这样做是挑战的两个原因：在数据方面，当前的接口使得收集高质量的人类示范困难，在学习方面，有限数据培训的政策可能会在部署时遭受协变速转变。为了解决这些问题，我们首先提出了移动操作Roboturk（Momart），这是一种新颖的遥控框架，允许同时导航和操纵移动操纵器，并在现实的模拟厨房设置中收集一类大规模的大规模数据集。然后，我们提出了一个学习错误检测系统来解决通过检测代理处于潜在故障状态时的协变量转变。我们从该数据中培训表演者的IL政策和错误探测器，在专家数据培训时，在多个多级任务中达到超过45％的任务成功率和85％的错误检测成功率。 CodeBase，DataSets，Visualization，以及更多可用的https://sites.google.com/view/il-for-mm/home。