【转载】Sim2Real问题[3]

原文链接
原创 Cong Wang
2月17日
微信公众号：robot_learning123

今天来看一篇paper: Setting up a Reinforcement Learning Task with a Real-World Robot, 主要是以UR5为例, 分析了RL在实际机器人task中遇到的问题, 对于研究真机实验有一定的帮助. 作者后续增加了移动机器人和舵机的控制, 发表在CoRL2018 Benchmarking Reinforcement Learning Algorithms on Real-World Robots. 不过今天主要看第一篇, 因为里面有很多与机械臂相关的分析(其实是因为我在用UR5啊~).

Kindred公司

Kindred是一家成立于2014年的公司, 致力于AI-Powered Robots, 也算是产学研结合了. 具体感兴趣的可以去了解一下, 几个官网的视频（稍有不同，具体参见原文）

Paper概述

一个好的Benchmark对于一个领域的发展能够起到积极的促进作用, 比如CV中的ImageNet, RL中的OpenAI Gym. 同台竞技, 八仙过海, 各显神通. 但是, 当前RL在应用到真实世界机器人时是缺乏有效的guidelines, 所以作者采用UR5开发了一个直接在真实世界进行学习的task, 希望能够成为一个通用的benchmark. 该task也不复杂, 模仿的是Gym Reacher, 包括2D的Reacher task和3D的Reacher task, 就是让UR5末端到达工作空间内一个指定的目标点.

Task: UR-Reacher-2

Task: UR-Reacher-6

UR5 Reacher Task

UR5是一个轻量级的协作型机械臂, 底层控制器是URControl, 可以通过TCP/IP进行通讯, 通过脚本URScript进行编程控制, 实时通讯的周期是8ms, 也就是125Hz. 每一个数据packet包含所有关节的位置, 速度, 加速度, 电流. URScript中的servoj提供位置控制, speedj提供速度控制, 没有力矩控制.
Task中的状态空间包括:

• joint angles

• joint velocities

• vector difference between the target and the fingertip coordinates

• previous action (be helpful for learning in systems with delay)

  奖励函数: , 其中是target与fingertip之间的Euclidean distance. 每一个episode的时间是4s. 另外定义了fingertip的有效工作空间, 目标位置也是随机在里面进行选取.

关键因素分析

下面就是分析几个在仿真中不太关注, 但是在真实机器人上比较重要的因素.

1. Concurrency, ordering and delays of computations

在仿真中, agent与environment之间的计算同步一般都不是问题, 但是真实世界就不一样了. 下图是仿真与真实世界的RL流程. 真实机器人上agent获得机器人的状态反馈通常都会有延时, 这对于agent的学习和机器人的控制都会有一定的影响. 作者将task的实现分成两部分: robot communication process和reinforcement learning process. Robot部分又分成sensor thread和actuator thread两个独立线程, 以8ms的时间周期运行. RL部分也是分成两个线程, learning update和action有一定的独立性, 和仿真相区别.

2. The medium of data transmission

作者通过测试发现, 有线TCP/IP连接的8ms周期实际值是[7.8,8.6]ms, 而如果换成无线的WiFi连接, 则变成[0.2,127]ms.

3. The rate of sending actuation commands to the Robot

不同机器人的控制方式不同, UR5 Reacher中选择默认的8ms.

4. The action cycle time

action cycle time, 也即time-step duration, 就是agent策略更新相邻两个action序列之间的时间. 选择一个合适的时间并不是显而易见的, 文献中也没有很多可供参考的内容. 太长或者太短的周期都可能会有问题, 作者针对这个任务选择的周期是40ms, 并且对不同长短时间周期的影响进行了比较.
5. The action space: position vs velocity control

真实世界的action space选择是比较困难的, 因为一般机器人在设计的时候并没有考虑learning这个过程. 很多仿真中的机器人会选择力矩作为action, 实际的UR5可以以8ms的周期发送位置或者速度指令进行控制. 直接位置控制存在一些问题, 因为policy初始阶段随机生成的动作可能导致运动不连续或急停等, 而速度控制就会平滑很多. 因此选择速度控制作为baseline, 平滑后的位置控制作为对比. 此处速度限制为[-0.3,+0.3] rad/s, 加速度限制为1.4 rad/s2. 位置控制需要平滑两次才能避免大的抖动. 下图实验也表明速度控制与电机的反馈信号相关性比位置控制要好.

实验对比

下图就是不同因素对学习过程的影响. 作者认为, 系统延时和action space的选择对learning性能的影响最大, action cycle time相对较小.

结论

作者最后得出来的几条结论, 有助于指导我们的实验:

• System delays occurring in different computational stages are generally detrimental to learning. Consequently, wired communications are preferable to the wireless ones. (有线优于无线)

• Too small action cycle times make learning harder. Too long action cycle times also impede performance as they reduce precision and cause slow data collection. (选择合适的动作时间周期)

• Choosing action spaces where actions are applied more directly to the robot makes learning easier by having more direct relationships with future observations. (尽量选择对状态影响比较直接的action space)

• Due to reduced delays, some concurrent computations are preferable to sequential computations of conventional simulated tasks. (对RL过程合理划分, 降低延时)

资源

Code: https://github.com/kindredresearch/SenseAct
Paper: https://arxiv.org/pdf/1803.07067.pdf