將工業(yè)機(jī)器人裝配任務(wù)從仿真轉(zhuǎn)為現(xiàn)實

仿真是幫助機(jī)器人學(xué)習(xí)感知（從攝像機(jī)圖像中了解世界）、規(guī)劃（制定解決問題的行動序列）和控制（產(chǎn)生改變機(jī)器人位置和方向的電機(jī)指令）等新技能的一個必要工具。

機(jī)器人裝配在汽車、航空航天、電子和醫(yī)療設(shè)備行業(yè)中無處不在。設(shè)置機(jī)器人執(zhí)行裝配任務(wù)是一個耗時且昂貴的過程，需要一整支團(tuán)隊來設(shè)計機(jī)器人的軌跡并仔細(xì)劃定邊界。

在其他機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，仿真已經(jīng)成為不可或缺的工具，尤其是在發(fā)展 AI 的過程中。但機(jī)器人裝配涉及幾何復(fù)雜的緊密公差零件之間的高精度接觸。長期以來，仿真此類接觸緊密的活動在計算上的難度極高。

NVIDIA 近期在機(jī)器人裝配方面取得了進(jìn)展，這使得超實時仿真成為可能。這種高速仿真能夠使用強(qiáng)大、先進(jìn)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）技術(shù)。借助 RL，虛擬機(jī)器人能夠探索仿真環(huán)境、獲得豐富的經(jīng)驗，并通過智能試錯來學(xué)習(xí)有用的技能。將 RL 用于機(jī)器人裝配，可以最大限度地減少對操作者專業(yè)知識的需求、增加對變化的魯棒性并減少硬件磨損。sim-to-real一詞指的就是將仿真環(huán)境中的技能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界。

將 RL 用于機(jī)器人裝配的最大挑戰(zhàn)之一，是機(jī)器人在仿真中學(xué)習(xí)的技能通常不能有效地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界的機(jī)器人上。出現(xiàn)這個問題是因為仿真器與現(xiàn)實世界之間存在物理學(xué)、電機(jī)信號和傳感器信號等方面的微妙差異。此外，現(xiàn)實世界的機(jī)器人可能會遇到在仿真器中從未見過的情況。這些問題被統(tǒng)稱為 reality gap（現(xiàn)實差距）。

什么是 IndustReal?

為了將 RL 用于具有挑戰(zhàn)性的裝配任務(wù)并解決現(xiàn)實差距問題，我們開發(fā)了 IndustReal。IndustReal 是一套用于幫助機(jī)器人解決仿真中的裝配任務(wù)，并將這些能力轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界的算法、系統(tǒng)和工具。

IndustReal 主要提供：

• 一套使仿真機(jī)器人通過 RL 解決復(fù)雜裝配任務(wù)的算法。

• 一種解決現(xiàn)實差距，并在現(xiàn)實世界中部署時穩(wěn)定機(jī)器人所學(xué)技能的方法。

• 一個現(xiàn)實世界機(jī)器人系統(tǒng)，將在仿真中訓(xùn)練的裝配技能端到端地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實。

• 使研究人員和工程師能夠復(fù)制該系統(tǒng)的軟硬件工具套件。

1. IndustRealKit 是一套受 NIST Task Board 1（既定的機(jī)器人裝配基準(zhǔn)）啟發(fā)的 3D 可打印資產(chǎn) CAD 模型。

2. IndustRealLib 是一個輕量級的 Python 庫，可將在 NVIDIA Isaac Gym 仿真器中學(xué)到的技能部署到現(xiàn)實世界的 Franka Emika Panda 機(jī)器人臂上。

圖 1. 機(jī)器人在仿真中執(zhí)行插入釘子

和裝配齒輪的策略（上一行），

然后將這些策略部署到現(xiàn)實世界中（下一行）。

訓(xùn)練算法和部署方法

在這項工作中，我們提出了三種算法幫助機(jī)器人在仿真中使用 RL 學(xué)習(xí)裝配技能。我們還提出了一種使現(xiàn)實世界的機(jī)器人能夠執(zhí)行這些技能的部署方法。

仿真感知策略更新

像 NVIDIA Isaac Gym 和 NVIDIA Isaac Sim 這樣的機(jī)器人仿真器在滿足現(xiàn)實世界的物理學(xué)同時，還要滿足許多物理限制，其中最重要的一項是物體不能相互重疊，或者說“互穿”。在大多數(shù)仿真器中，物體之間的小規(guī)?；ネú豢杀苊?，尤其是在實時執(zhí)行時。

我們引入了仿真感知策略更新（SAPU），為仿真機(jī)器人提供關(guān)于仿真預(yù)測何時可靠或不可靠的認(rèn)知。具體而言，在 SAPU 中，我們在 NVIDIA Warp 中實現(xiàn)了一個基于 GPU 的模塊，從而在機(jī)器人學(xué)習(xí)如何使用 RL 裝配零件時檢查是否存在互穿。

當(dāng)互穿規(guī)模小時，我們對機(jī)器人的仿真體驗進(jìn)行加權(quán)，而當(dāng)互穿規(guī)模大時，我們就減少加權(quán)。該策略可以防止仿真機(jī)器人利用不準(zhǔn)確的物理規(guī)則解決任務(wù)，進(jìn)而導(dǎo)致無法將它學(xué)習(xí)的技能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界中。

有向距離場獎勵

為了使用 RL 解決任務(wù)，必須定義一個獎勵信號（例如衡量機(jī)器人在解決任務(wù)方面取得了多少進(jìn)展）。然而，在裝配過程中，很難根據(jù)形狀復(fù)雜零件的對齊情況來定義一個獎勵信號。

于是我們引入了有向距離場（SDF）獎勵，以便衡量仿真零件在裝配過程中的對齊程度。SDF 是一個數(shù)學(xué)函數(shù)，它可以從一個物體上的點計算出到另一個物體表面的最短距離。這種自然、通用的方法可以描述零件之間的對齊情況，高度對稱或不對稱都不例外。

在 SDF 獎勵中，我們將獎勵信號定義為裝配過程中一個零件的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間的 SDF 距離。

圖 2. 一個圓形釘子的 SDF 2D 切片可視化圖。

顏色代表從指定的點到釘子表面的最短距離

基于樣本的課程

課程學(xué)習(xí)是一種成熟的 RL 方法，可解決涉及到許多單獨步驟或動作的問題。畢竟，機(jī)器人在學(xué)習(xí)過程中所面對的任務(wù)難度會逐漸增加。

在我們的裝配任務(wù)中，機(jī)器人首先解決簡單的裝配問題（即零件已完成部分裝配），然后再升級到更難的問題（即零件已被拆解）。

隨著零件之間的初始接觸逐漸減少，零件會在某個時刻不再有初始接觸點。由于機(jī)器人的知識已過度偏向于部分裝配的情況，這種難度上的陡增會導(dǎo)致性能崩潰。

我們?yōu)?span style="font-size:16px;letter-spacing:.578px;">仿真機(jī)器人引入了一個基于樣本的課程（SBC）來逐步學(xué)習(xí)復(fù)雜的裝配任務(wù)。在課程的所有階段都要求機(jī)器人解決各種難度范圍內(nèi)的抽樣裝配問題，但會逐漸刪除問題分布中最簡單的問題。在課程的最后階段，各個零件在一開始就完全不接觸。請看下面的可視化圖。

圖 3. 基于樣本的課程的不同階段。

任務(wù)難度從左到右隨插頭（黃色球體）

初始位置的分布遠(yuǎn)離插座（米色）而增加。

策略級行動整合器

在最常見的機(jī)器人 RL 應(yīng)用中，通過對機(jī)器人的姿勢（即其位置和方向）進(jìn)行增量調(diào)整來產(chǎn)生機(jī)器人的動作。這些增量被應(yīng)用于機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài)，以產(chǎn)生一個瞬時的目標(biāo)姿勢。如果應(yīng)用于現(xiàn)實世界中的機(jī)器人，由于實際機(jī)器人的復(fù)雜性，這種策略可能會導(dǎo)致機(jī)器人的最終姿勢與其最終目標(biāo)姿勢之間產(chǎn)生差異。

我們還提出了一個策略級行動整合器（PLAI）。這是一種簡單的算法，在現(xiàn)實世界的機(jī)器人上部署學(xué)習(xí)到的技能時，可以減少穩(wěn)態(tài)（即長期的）錯誤。我們將增量調(diào)整應(yīng)用于先前的瞬時目標(biāo)姿勢，以產(chǎn)生新的瞬時目標(biāo)姿勢。

在數(shù)學(xué)上（類似于經(jīng)典 PID 控制器的積分項），這種策略產(chǎn)生的瞬時目標(biāo)姿勢是初始姿勢和機(jī)器人隨時間產(chǎn)生的動作之和。該技術(shù)即便在復(fù)雜的實際情況下，也可以使機(jī)器人的最終姿勢與最終目標(biāo)姿勢之間的誤差最小化。

機(jī)器人正試圖移動到一個目標(biāo)位置，期間我們比較了標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)稱）策略、PLAI 算法和經(jīng)典的 PID 控制器在抵達(dá)任務(wù)上的表現(xiàn)。請看下面的可視化圖。

圖 4. 機(jī)器人使用標(biāo)準(zhǔn)策略、PLAI 算法和 PID 策略將其指尖移動到粉色球體目標(biāo)的比較（上一行：在重力補(bǔ)償不完全的情況下進(jìn)行比較。下一行：在未建立關(guān)節(jié)處摩擦力模型的情況下進(jìn)行比較）

系統(tǒng)和工具

通過 IndustReal 進(jìn)行現(xiàn)實世界實驗所使用的裝置，包括一個 Franka Emika Panda 機(jī)器人臂、安裝在機(jī)器人手上的英特爾 RealSense D435 攝像頭，以及一個帶有零件的裝配平臺。

圖 5. 物理機(jī)器人實驗設(shè)置：一個 Franka Emika Panda 機(jī)器人臂，機(jī)器人手上裝有一個英特爾 RealSense D435 攝像頭，底部是一個帶有零件的裝配平臺。

IndustReal 提供用于復(fù)制本文中介紹的系統(tǒng)所需要的硬件（IndustRealKit）和軟件（IndustRealLib）。

IndustRealKit 包含可 3D 打印的 20 個零件的 CAD 模型，涵蓋了這項工作中使用到的所有零件。這些模型帶有 6 個釘子支架、6 個釘子插座、3 個齒輪、1 個齒輪底座（帶 3 個齒輪軸）以及 4 個 NEMA 連接器和插座支架，均使用美標(biāo)插頭和電源插座。

采購清單包括 17 個零件：6 個金屬釘子（NIST 基準(zhǔn)）、4 個 NEMA 連接器和插座、1 個光學(xué)平臺以及緊固件。

圖 6. IndustRealKit

IndustRealLib 是一個輕量級庫，包含了將在仿真中通過 RL 學(xué)到的技能部署到現(xiàn)實世界機(jī)器臂上所需要的代碼。具體而言，我們?yōu)橛脩籼峁┠_本，以便他們把在 NVIDIA Isaac Gym 仿真器中訓(xùn)練的控制策略（即將傳感器信號映射到機(jī)器人行動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）迅速部署到 Franka Emika Panda 機(jī)器人上。

未來發(fā)展方向

IndustReal 展示了一條在機(jī)器人裝配任務(wù)中充分發(fā)揮仿真潛力的路徑。隨著仿真變得更加精準(zhǔn)和高效，以及更多仿真轉(zhuǎn)現(xiàn)實的轉(zhuǎn)移技術(shù)被源源不斷地開發(fā)出來，我們已經(jīng)預(yù)見到了將這項工作擴(kuò)展到制造業(yè)其他任務(wù)（如螺絲緊固、電纜布線和焊接等）的眾多可能性。我們有理由相信，有朝一日，每一個先進(jìn)的工業(yè)制造機(jī)器人都將使用這種技術(shù)進(jìn)行仿真訓(xùn)練，以便可以無縫、靈活地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界。

我們的下一步是將該系統(tǒng)擴(kuò)展到包括更多的對象、裝配任務(wù)和復(fù)雜的環(huán)境。我們還打算開發(fā)更多的仿真轉(zhuǎn)現(xiàn)實技術(shù)，以便更加經(jīng)濟(jì)、可靠、安全而順利地轉(zhuǎn)移學(xué)到的技能。

如何使用 IndustReal

• 請訪問 IndustReal project page（https://sites.google.com/nvidia.com/industreal），查看論文和摘要視頻的鏈接。敬請關(guān)注即將推出的 IndustralKit 和 IndustralLib。

• 下載獨立運(yùn)行的NVIDIA Isaac Gym Preview Release（https://developer.nvidia.cn/isaac-gym）和 NVIDIA Isaac Gym Environments（https://github.com/NVIDIA-Omniverse/IsaacGymEnvs）。其中包含了在 IndustReal中訓(xùn)練裝配技能的基礎(chǔ) ——NVIDIA Omniverse factory environments（https://github.com/NVIDIA-Omniverse/IsaacGymEnvs/blob/main/docs/factory.md）。

• 下載 Omniverse 驅(qū)動的新一代 NVIDIA Isaac Sim（https://developer.nvidia.cn/zh-cn/isaac-sim）。

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