一台机器人叠衣服失手了,另外95台机器人却因此变得更聪明。
这听上去像科幻情节,却是一项新研究的真实结果。
中国清华大学、智元机器人与无问芯穹的联合团队提出了一种名为"集体经验学习"的新方法,让已经部署的机器人共享执行经验,共同改进同一套控制策略。
相关论文已发布在预印本平台上。
在手机包装、插花、叠衣服等五项真实操作任务中,最终策略的成功率达到93.3%至99.2%,平均表现超过了人类远程操作。
一、人类"监工"跟不上机器人规模
机器人在真实世界中的每一次执行,都会产生宝贵的经验。可如何把这些经验利用起来,一直是个难题。
传统做法依靠人工纠错。远程操作人员盯着机器人干活,一旦发现策略出错,就立刻接管,示范正确动作。
这种模式在几台机器人身上还能维持。但当机器人集群扩大到几十台、上百台,人工监督迟早会跟不上。
就像一位老师可以手把手教几个学生,却很难同时照看一百个学生。专家的精力,成了机器人规模化学习的瓶颈。
研究团队的思路是:既然机器人越来越多,为什么不让它们彼此学习?
在集体经验学习中,人类只需为每次执行标注"成功"或"失败",并把环境复位,动作本身全部由机器人自己提供,不再需要额外的专家示范或纠正动作。
二、成功提供榜样,失败决定学什么
这一方法的核心算法,叫作"失败引导的经验检索微调"。它的思路可以概括为一句话:成功提供模仿对象,失败决定学什么。
整个流程分为四步。首先,集群中的机器人持续自主执行任务,每条轨迹都被标注为成功或失败。
成功的轨迹进入共享经验库,成为学习素材。失败的轨迹并不提供动作,只作为"检索线索",这样系统既能从失败中学习,又不会模仿错误动作。
接着,系统把视觉信息和机器人关节状态编码成统一的表示,让不同机器人之间的经验可以相互比较。
第三步是整个方法的关键。一个"失败"标签只能说明任务没完成,却无法指出问题出在哪里。
为此,系统截取失败前约3秒的观测画面作为查询,在成功经验库中寻找情境相似、时间对齐的成功片段。通俗地说,就是回答一个问题:"在类似的情况下,别的机器人是怎么做成的?"
最后,这些检索到的成功片段会获得更高的学习优先级。反复出现的失败情境,会让对应的成功动作被更频繁地学习。
同时,优先级会随时间逐渐衰减,让学习始终聚焦于策略当前最容易出错的环节。
研究团队还从理论上证明,这种更新方向与提升任务成功率的目标是一致的。
三、每22分钟坏一台,系统照样不停
算法之外,工程难度同样不小。在96台机器人的实际运行中,平均每22分钟就有一台出现故障。
机器人需要在毫秒级时间内拿到动作指令,而训练所需的数据动辄以GB计。如何让推理、采集和训练互不干扰,是一道现实难题。
为此,团队构建了一套"容错异步训练系统"。它采用双平面架构,一个负责数据传输与共享推理,另一个负责集群管理与故障恢复。
当某台机器人出故障时,系统会就地重启对应进程,重放被中断的调用,其余机器人完全不受影响。
过期的动作指令会被识别并丢弃,防止错误数据污染训练。
结果相当可观。96台机器人在近8小时运行中共采集了9834个回合,期间发生30起故障,却只造成1.3%的机器人时间损失。
作为对比,如果采用同步采集,采集量只剩实测的33%。如果每次故障后整体重启5分钟,也只能保住86%。
四、机器人越多,学得越好
实验使用的是智元机器人的双臂机器人AgiBot G2,基础模型为开源的π0视觉语言动作模型。
五项任务各有难点:插花考验柔性物体处理,叠衣服涉及可变形织物,手机充电要求精确对齐,凳子组装需要使用工具,手机包装则是耗时两三分钟的多阶段任务。
在最大集群规模下,传统的监督微调方法平均成功率只有36.3%。
引入人工纠错的多机器人方法提升到81.0%,而新方法在不使用任何额外专家数据的情况下,将平均成功率推高至97.3%。
其中,手机充电任务的成功率从60.0%跃升至97.5%。手机包装任务在使用96台机器人学习后,成功率从79.2%提升至98.3%。
新方法在五项任务上全面超过人类远程操作,平均高出16.7个百分点。它也领先两种强化学习基线方法,平均优势超过11个百分点。
更值得关注的是扩展规律。在每台机器人采集时长固定、只增加机器人数量的情况下,新方法的成功率总体持续上升。
在手机包装任务中,训练集群从16台扩大到96台,成功率从86.7%升至98.3%。
相比之下,依赖人工干预的方法在集群扩大后出现饱和甚至回落。
原因不难理解:人类的监控能力有限,成了性能的天花板。而机器人自己的经验,会随着集群规模自然增长。
消融实验也验证了关键设计的价值。
去掉"按失败情境检索经验"这一环节后,成功率从86.7%骤降至64.2%,是所有测试中降幅最大的一项。
当然,这项研究也有局限。评估仅限于单一机器人平台上的五个专用任务,更广泛的任务、不同型号的机器人以及长期环境变化,都有待后续研究。
此外,在集群规模较小时,新方法的表现也可能低于初始策略,因为成功经验还不足以覆盖各种失败情境。
但这项研究已经指出了一种新的部署逻辑:机器人集群贡献的不只是劳动,还有可以共享的经验。
未来,工厂里的机器人越多,或许就不只是产能越大,而是整体越学越聪明。
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