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| 本文作者： 劉潔 | 2024-09-06 17:09 |
倒茶、疊衣服、整理書籍、丟垃圾，現(xiàn)在的家務(wù)機器人干活真是越來越熟練了。
不過，也不是每個家務(wù)機器人都能做到像動圖里那么流暢的。
熟練家務(wù)的背后，是李飛飛團(tuán)隊琢磨出來的一種新辦法。
他們把任務(wù)動作拆解后標(biāo)記出幾個關(guān)鍵點，再給到具體規(guī)則讓機器人知道這些點之間有什么聯(lián)系，要怎么操作比較好。除此之外，機器人還能自主學(xué)習(xí)，越練習(xí)越厲害。
以倒茶這個動作為例，機器人會先用攝像頭確定茶杯茶壺等的位置、形狀等要素，再識別出關(guān)鍵點，比如茶杯的中心點和把手的中心點，ReKep 會給機器人編寫出一系列規(guī)則，告訴它要用什么角度、怎么拿怎么傾倒、用多大力氣等，機器人只要按照規(guī)則行動就能成功倒茶了。
不得不說，這么一個簡單的動作想讓機器人做好是真的是太難了。要是沒有 ReKep 技術(shù)，想看到機器人熟練地干各種家務(wù)活還不知道要等到猴年馬月。
畢竟今年三月份的時候，李飛飛團(tuán)隊的家務(wù)機器人還是這樣的，只會擦擦桌子切個水果：
而半年后的今天，就已經(jīng)進(jìn)化成全能選手了：
目前，李飛飛團(tuán)隊關(guān)于 ReKep 技術(shù)的論文已在 arXiv 公開，代碼也已開源。
論文標(biāo)題：ReKep: Spatio-Temporal Reasoning of Relational Keypoint Constraints for Robotic Manipulation
論文地址：https://arxiv.org/pdf/2409.01652
項目網(wǎng)站：https://rekep-robot.github.io/
項目代碼：github.com/huangwl18/ReKep
李飛飛團(tuán)隊旨在解決與機器人操作任務(wù)相關(guān)的挑戰(zhàn)，這些任務(wù)涉及多個空間關(guān)系和時間依賴階段，需要對復(fù)雜的空間和時間關(guān)系進(jìn)行編碼。
他們希望開發(fā)一個廣泛適用的框架，能夠適應(yīng)需要多階段、野外環(huán)境、雙手操作和反應(yīng)行為的任務(wù)，通過基礎(chǔ)模型的進(jìn)展在獲取約束方面具有可擴展性，并能夠?qū)崟r優(yōu)化以產(chǎn)生復(fù)雜的操作行為。
現(xiàn)有的使用剛體變換表示操作任務(wù)約束的方法缺乏幾何細(xì)節(jié)，要求預(yù)定義的物體模型，并且無法處理可變形物體。
在視覺空間中直接學(xué)習(xí)約束的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法也在收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)時面臨挑戰(zhàn)，因為約束的數(shù)量在物體和任務(wù)方面呈組合增長。
李飛飛團(tuán)隊提出了一種名為關(guān)系關(guān)鍵點約束（ReKep）的方法，用于機器人操作。
ReKep 將操作任務(wù)編碼為約束，連接機器人與其環(huán)境，而無需手動標(biāo)注。該方法利用Python函數(shù)將一組語義上有意義的三維關(guān)鍵點映射為數(shù)值成本，從而能夠表示復(fù)雜的空間和時間關(guān)系。
該框架旨在通過大型視覺模型和視覺-語言模型自動生成約束，實現(xiàn)從自然語言指令和RGB-D觀測中高效地指定任務(wù)。
他們還提出了一種算法實例，可以實時高效地解決優(yōu)化問題。
實驗涉及多個任務(wù)，包括倒茶、回收罐、整理書籍、打包盒子、折疊衣物、裝鞋盒和協(xié)作折疊等。這些任務(wù)被設(shè)計來測試系統(tǒng)在不同方面的性能，如空間和時間依賴性、對環(huán)境的適應(yīng)性、雙手協(xié)調(diào)和與人類的互動。
輪式單臂平臺和固定式雙臂平臺的成功率
兩個機器人平臺在外部干擾下的成功率
ReKep 用于折疊不同類別服裝的新型雙臂策略及其成功率
實驗結(jié)果顯示，ReKep在多種任務(wù)上的成功率較高，證明了其在自動化操控任務(wù)中的潛力。成功率根據(jù)任務(wù)的不同而有所差異，但總體上表現(xiàn)良好。
首先，他們定義了單個ReKep實例，并且假設(shè)已經(jīng)指定了一組 ? 個關(guān)鍵點。每個關(guān)鍵點 ??∈?3 指的是場景表面上的一個 3D 點，其坐標(biāo)依賴于任務(wù)語義和環(huán)境（例如，手柄上的抓取點，壺嘴）。
本質(zhì)上來說，一個 ReKep 實例編碼了關(guān)鍵點之間的一個期望的空間關(guān)系，這些關(guān)系可能屬于機器人手臂、物體部分或其他代理。
然而，一個操作任務(wù)通常涉及多個空間關(guān)系，并且可能具有多個時間上依賴的階段，每個階段都涉及不同的空間關(guān)系。為此，他們將任務(wù)分解為 ? 個階段，并為每個階段 ?∈{1,…,?} 使用 ReKep 來指定兩類約束：
子目標(biāo)約束
路徑約束
其中 ?sub-goal (?) 編碼階段 ? 結(jié)束時需要達(dá)到的關(guān)鍵點關(guān)系，而 ?path (?) 編碼階段 ? 內(nèi)部需要滿足的關(guān)鍵點關(guān)系。
如下圖所示的傾倒任務(wù)由三個階段組成：抓取、對齊和傾倒。
階段 1 的子目標(biāo)約束拉動末端執(zhí)行器向茶壺手柄靠近。階段 2 的子目標(biāo)約束指定壺嘴需要位于杯口上方，階段 2 的路徑約束確保茶壺直立，以避免傾倒時溢出。最后，階段 3 的子目標(biāo)約束指定傾倒角度。
他們將末端執(zhí)行器姿態(tài)表示為 e∈ SE（3），將操控任務(wù)表述為一個優(yōu)化問題，目標(biāo)是找到一系列滿足ReKep約束的末端執(zhí)行器（end-effector）姿態(tài)，并將控制問題表述如下：
對于每個階段，優(yōu)化算法需要找到滿足子目標(biāo)約束的末端執(zhí)行器姿態(tài)，以及實現(xiàn)這些子目標(biāo)的路徑。
為了實時求解優(yōu)化問題，他們采用了分解方法，僅優(yōu)化下一個子目標(biāo)及其對應(yīng)的路徑。
子目標(biāo)問題：首先解決子目標(biāo)問題，確定當(dāng)前階段的末端執(zhí)行器目標(biāo)姿態(tài)。
路徑問題：在獲得子目標(biāo)姿態(tài)后，解決路徑問題，規(guī)劃從當(dāng)前姿態(tài)到子目標(biāo)姿態(tài)的軌跡。
回溯：如果發(fā)現(xiàn)任何子目標(biāo)約束不再滿足，系統(tǒng)可以回溯到之前的階段進(jìn)行重新規(guī)劃。
為了使系統(tǒng)能夠在給定自由形式任務(wù)指令的情況下執(zhí)行野外任務(wù)，他們設(shè)計了一個使用大型視覺模型和視覺語言模型進(jìn)行關(guān)鍵點提議和ReKep生成的管道，并分成了兩個部分：
使用大型視覺模型（LVM），如DINOv2，來提取場景中的特征，并利用這些特征來識別潛在的關(guān)鍵點。這些關(guān)鍵點通常是場景中具有語義意義的3D點，例如物體的邊緣、角落或特定物體部分的中心。
結(jié)合關(guān)鍵點和任務(wù)指令，使用視覺-語言模型（VLM）來生成ReKep，這些約束將用于指導(dǎo)機器人的動作規(guī)劃和執(zhí)行。這一步驟利用了視覺模型對場景的理解以及語言模型對指令的解釋能力。
李飛飛博士是斯坦福大學(xué)計算機科學(xué)系首任紅杉教授，也是斯坦福以人為本的人工智能研究所的聯(lián)席主任，曾擔(dān)任擔(dān)任谷歌副總裁和首席科學(xué)家，在多家上市公司或私營公司擔(dān)任董事會成員或顧問。
李飛飛主導(dǎo)的斯坦福AI實驗室、斯坦福視覺與學(xué)習(xí)實驗室(SVL)和斯坦福以人為本人工智能研究院涌現(xiàn)出大量優(yōu)秀人才，包括 OpenAI 聯(lián)合創(chuàng)始人 Andrej Karpathy、國內(nèi)內(nèi)第一個堅探索具身智能的盧策吾、前Google AI中國中心總裁李佳、前阿里自動駕駛掌舵人王剛等。
她目前的研究興趣包括認(rèn)知啟發(fā)式人工智能、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、計算機視覺、機器人學(xué)習(xí)和人工智能+醫(yī)療，尤其是用于醫(yī)療保健的環(huán)境智能系統(tǒng)。
Wenlong Huang 是斯坦福大學(xué)計算機科學(xué)專業(yè)的博士生，由李飛飛指導(dǎo)，也是斯坦福視覺與學(xué)習(xí)實驗室 （SVL）的成員。他于 2018 年獲得加州大學(xué)伯克利分校計算機科學(xué)學(xué)士學(xué)位，指導(dǎo)老師是 Deepak Pathak、Igor Mordatch 和 Pieter Abbeel。
他的研究目標(biāo)是賦予機器人廣泛的泛化能力，使其能夠執(zhí)行開放世界操控任務(wù)，尤其是在家庭環(huán)境中。研究興趣包括：
開發(fā)能夠充分利用互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)或基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的模型的抽象概念
開發(fā)能夠表現(xiàn)出廣泛泛化行為的運動技能
Chen Wang是斯坦福計算機科學(xué)學(xué)院的博士生，導(dǎo)師是李飛飛和 C. Karen Liu。他本科就讀于上海交通大學(xué)計算機科學(xué)專業(yè)，是第一批加入盧策吾團(tuán)隊研究機器人具身智能的學(xué)生之一。
他的研究目標(biāo)是制造出具有與人類一樣的靈活性和處理日常任務(wù)能力的機器人，因此專注于機器人學(xué)習(xí)，以實現(xiàn)靈巧操作、模仿人類動作以及長期規(guī)劃和控制。
Yunzhu Li現(xiàn)在是哥倫比亞大學(xué)計算機科學(xué)助理教授，曾是斯坦福視覺與學(xué)習(xí)實驗室 (SVL）的博士后，與李飛飛、Jiajun Wu 一起工作。北京大學(xué)本科畢業(yè)后，他在麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室（CSAIL）獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是 Antonio Torralba 和 Russ Tedrake。
目前他在機器人感知、交互和學(xué)習(xí)實驗室（RoboPIL）進(jìn)行機器人技術(shù)、計算機視覺和機器學(xué)習(xí)的交叉研究，專注于機器人學(xué)習(xí)，特別是直觀物理學(xué)、具身智能、多模式感知三個方向，旨在顯著擴展機器人的感知和物理交互能力。
Ruohan Zhang是斯坦福視覺與學(xué)習(xí)實驗室 (SVL)的研究員，和李飛飛、Jiajun Wu、Silvio Savarese 一起工作。他曾在在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校獲得博士學(xué)位，指導(dǎo)教授是 Dana Ballard 和 Mary Hayhoe。
他的長期研究興趣是以人為本的人工智能：理解人類智能以開發(fā)受生物啟發(fā)的人工智能算法，以及使人工智能與人類更加兼容。最近專注于以人為本的機器人技術(shù)：通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法開發(fā)可增強人類福祉的機器人解決方案（系統(tǒng)和算法）。雷峰網(wǎng)雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))
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