Matalaulotteisen affordanssiesityksen oppiminen ja tämän hyödyntäminen robottijärjestelmän koulutuksessa

Abstract

The development of data-driven approaches, such as deep learning, has led to the emergence of systems that have achieved human-like performance in wide variety of tasks. For robotic tasks, deep data-driven models are introduced to create adaptive systems without the need of explicitly programming them. These adaptive systems are needed in situations, where task and environment changes remain unforeseen. Convolutional neural networks (CNNs) have become the standard way to process visual data in robotics. End-to-end neural network models that operate the entire control task can perform various complex tasks with little feature engineering. However, the adaptivity of these systems goes hand in hand with the level of variation in the training data. Training end-to-end deep robotic systems requires a lot of domain-, task-, and hardware-specific data, which is often costly to provide. In this work, we propose to tackle this issue by employing a deep neural network with a modular architecture, consisting of separate perception, policy, and trajectory parts. Each part of the system is trained fully on synthetic data or in simulation. The data is exchanged between parts of the system as low-dimensional representations of affordances and trajectories. The performance is then evaluated in a zero-shot transfer scenario using the Franka Panda robotic arm. Results demonstrate that a low-dimensional representation of scene affordances extracted from an RGB image is sufficient to successfully train manipulator policies.Tietopohjaisten oppimismenetelmien etenkin syväoppimisen viimeaikainen kehitys on synnyttänyt järjestelmiä, jotka ovat saavuttaneet ihmistasoisen suorituskyvyn ihmisälyä vaativissa tehtävissä. Syväoppimiseen pohjautuvia robottijärjestelmiä ollaan kehitetty, jotta ympäristön ja tehtävän muutoksiin mukautuvaisempia robotteja voitaisiin ottaa käyttöön. Konvoluutioneuroverkkojen käyttö kuvatiedon käsittelyssä robotiikassa on yleistä. Neuroverkkomallit, jotka käsittelevät anturitietoa ja suorittavat päätöksenteon ja säädön, voivat oppia monimutkaisia tehtäviä ilman käsin tehtyä kehitystyötä. Näiden järjestelmien kyky mukautua ympäristön muutoksiin on kuitenkin suoraan verrannollinen koulutustiedon monimuotoisuuteen. Syväoppimiseen pohjautuva robottijärjestelmä vaatii oppiakseen suuren määrän ympäristö-, tehtävä-, ja laitteisto-ominaista koulutustietoa, mikä joudutaan yleensä kerätä tehottomasti käsin. Tämän työn tarkoitus on esittää ratkaisu yllämainittuun tehottomuuteen. Esittelemme neuroverkkoarkkitehtuurin, joka koostuu kolmesta erillisestä komponentista. Nämä komponentit koulutetaan erikseen ja koulutus ollaan ainoastaan toteutettu simulaatiossa tai synteettisellä tiedolla ilman fyysisen maailman lisäkouluttautumista Ensimmäinen komponentti tuottaa RGB-kuvasta matalaulotteisen affordanssiesityksen. Tämän esityksen pohjalta toinen komponentti tuottaa matalaulotteisten liikerataesityksen. Kolmas komponentti luo tämän esityksen pohjalta täysimittaisen liikeradan teollisuusrobotille. Järjestelmän suorituskykyä arvioidaan fyysisessä ympäristössä ilman lisäkoulutusta Franka Panda -teollisuusrobotilla. Tulokset osoittavat, että kuvatieto voidaan esittää matalaulotteisena affordanssiesityksenä ja tätä esitystä voidaan käyttää säätötehtävän oppimiseen