In this paper, a novel switching pushing skill algorithm is proposed to improve the efficiency of planar non-prehensile manipulation, which draws inspiration from human pushing actions and comprises two sub-problems, i.e., discrete decision-making of pushing point and continuous feedback control of pushing action. In order to solve the sub-problems above, a combination of Model Predictive Control (MPC) and Deep Reinforcement Learning (DRL) method is employed. Firstly, the selection of pushing point is modeled as a Markov decision process,and an off-policy DRL method is used by reshaping the reward function to train the decision-making model for selecting pushing point from a pre-constructed set based on the current state. Secondly, a motion constraint region (MCR) is constructed for the specific pushing point based on the distance from the target, followed by utilizing the MPC controller to regulate the motion of the object within the MCR towards the target pose. The trigger condition for switching the pushing point occurs when the object reaches the boundary of the MCR under the pushing action. Subsequently, the pushing point and the controller are updated iteratively until the target pose is reached. We conducted pushing experiments on four distinct object shapes in both simulated and physical environments to evaluate our method. The results indicate that our method achieves a significantly higher training efficiency, with a training time that is only about 20% of the baseline method while maintaining around the same success rate. Moreover, our method outperforms the baseline method in terms of both training and execution efficiency of pushing operations, allowing for rapid learning of robot pushing skills.


翻译:本文提出了一种新颖的开关推技能算法,旨在改善平面非抓取操作的效率,它从人类推动动作中汲取灵感,包含两个子问题,即推点的离散决策和推动作的连续反馈控制。为了解决上述子问题,本文采用了模型预测控制(MPC)和深度强化学习(DRL)方法的组合。首先,推点的选择被建模为马尔可夫决策过程,并使用离线策略 DRL 方法通过重新设计奖励函数来训练基于当前状态的从预构建集合中选择推点的决策模型。其次,基于与目标的距离构造特定的推点运动约束区域(MCR),然后利用 MPC 控制器在 MCR 中调节物体的运动,使其达到目标姿态。当物体在推动作用下达到 MCR 边界时,触发开关推点和控制器的更新迭代,直到达到目标姿态。我们在模拟和实际环境中对四种不同形状的物体进行了推动实验,以评估我们的方法。结果表明,我们的方法实现了更高的训练效率,训练时间只有基准方法的约 20%,同时保持大约相同的成功率。此外,我们的方法在推动操作的训练和执行效率方面优于基线方法,允许机器人推技能的快速学习。

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