Effizientes und stabiles online Lernen für "Developmental Robots"

Recent progress in robotics and cognitive science has inspired a new generation of more versatile robots, so-called developmental robots. Many learning approaches for these robots are inspired by developmental processes and learning mechanisms observed in children. It is widely accepted that developmental robots must autonomously develop, acquire their skills, and cope with unforeseen challenges in unbounded environments through lifelong learning. Continuous online adaptation and intrinsically motivated learning are thus essential capabilities for these robots. However, the high sample-complexity of online learning and intrinsic motivation methods impedes the efficiency and practical feasibility of these methods for lifelong learning. Consequently, the majority of previous work has been demonstrated only in simulation. This thesis devises new methods and learning schemes to mitigate this problem and to permit direct online training on physical robots. A novel intrinsic motivation method is developed to drive the robot’s exploration to efficiently select what to learn. This method combines new knowledge-based and competence-based signals to increase sample-efficiency and to enable lifelong learning. While developmental robots typically acquire their skills through self-exploration, their autonomous development could be accelerated by additionally learning from humans. Yet there is hardly any research to integrate intrinsic motivation with learning from a teacher. The thesis therefore establishes a new learning scheme to integrate intrinsic motivation with learning from observation. The underlying exploration mechanism in the proposed learning schemes relies on Goal Babbling as a goal-directed method for learning direct inverse robot models online, from scratch, and in a learning while behaving fashion. Online learning of multiple solutions for redundant robots with this framework was missing. This thesis devises an incremental online associative network to enable simultaneous exploration and solution consolidation and establishes a new technique to stabilize the learning system. The proposed methods and learning schemes are demonstrated for acquiring reaching skills. Their efficiency, stability, and applicability are benchmarked in simulation and demonstrated on a physical 7-DoF Baxter robot arm.Jüngste Entwicklungen in der Robotik und den Kognitionswissenschaften haben zu einer Generation von vielseitigen Robotern geführt, die als ”Developmental Robots” bezeichnet werden. Lernverfahren für diese Roboter sind inspiriert von Lernmechanismen, die bei Kindern beobachtet wurden. ”Developmental Robots” müssen autonom Fertigkeiten erwerben und unvorhergesehene Herausforderungen in uneingeschränkten Umgebungen durch lebenslanges Lernen meistern. Kontinuierliches Anpassen und Lernen durch intrinsische Motivation sind daher wichtige Eigenschaften. Allerdings schränkt der hohe Aufwand beim Generieren von Datenpunkten die praktische Nutzbarkeit solcher Verfahren ein. Daher wurde ein Großteil nur in Simulationen demonstriert. In dieser Arbeit werden daher neue Methoden konzipiert, um dieses Problem zu meistern und ein direktes Online-Training auf realen Robotern zu ermöglichen. Dazu wird eine neue intrinsisch motivierte Methode entwickelt, die während der Umgebungsexploration effizient auswählt, was gelernt wird. Sie kombiniert neue wissens- und kompetenzbasierte Signale, um die Sampling-Effizienz zu steigern und lebenslanges Lernen zu ermöglichen. Während ”Developmental Robots” Fertigkeiten durch Selbstexploration erwerben, kann ihre Entwicklung durch Lernen durch Beobachten beschleunigt werden. Dennoch gibt es kaum Arbeiten, die intrinsische Motivation mit Lernen von interagierenden Lehrern verbinden. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein neues Lernschema, das diese Verbindung schafft. Der in den vorgeschlagenen Lernmethoden genutzte Explorationsmechanismus beruht auf Goal Babbling, einer zielgerichteten Methode zum Lernen inverser Modelle, die online-fähig ist, kein Vorwissen benötigt und Lernen während der Ausführung von Bewegungen ermöglicht. Das Online-Lernen mehrerer Lösungen inverser Modelle redundanter Roboter mit Goal Babbling wurde bisher nicht erforscht. In dieser Arbeit wird dazu ein inkrementell lernendes, assoziatives neuronales Netz entwickelt und eine Methode konzipiert, die es stabilisiert. Das Netz ermöglicht deren gleichzeitige Exploration und Konsolidierung. Die vorgeschlagenen Verfahren werden für das Greifen nach Objekten demonstriert. Ihre Effizienz, Stabilität und Anwendbarkeit werden simulativ verglichen und mit einem Roboter mit sieben Gelenken demonstriert

Goal Babbling with direction sampling for simultaneous exploration and learning of inverse kinematics of a humanoid robot

Rayyes R, Steil JJ. Goal Babbling with direction sampling for simultaneous exploration and learning of inverse kinematics of a humanoid robot. In: Proceedings of the workshop on New Challenges in Neural Computation. Machine Learning Reports. Vol 4. 2016: 56-63

Learning Inverse Statics Models Efficiently With Symmetry-Based Exploration

Learning (inverse) kinematics and dynamics models of dexterous robots for the entire action or observation space is challenging and costly. Sampling the entire space is usually intractable in terms of time, tear, and wear. We propose an efficient approach to learn inverse statics models—primarily for gravity compensation—by exploring only a small part of the configuration space and exploiting the symmetry properties of the inverse statics mapping. In particular, there exist symmetric configurations that require the same absolute motor torques to be maintained. We show that those symmetric configurations can be discovered, the functional relations between them can be successfully learned and exploited to generate multiple training samples from one sampled configuration-torque pair. This strategy drastically reduces the number of samples required for learning inverse statics models. Moreover, we demonstrate that exploiting symmetries for learning inverse statics models is a generally applicable strategy for online and offline learning algorithms. We exemplify this by two different learning approaches. First, we modify the Direction Sampling approach for learning inverse statics models online, in a plain exploratory fashion, from scratch and without using a closed-loop controller. Second, we show that inverse statics mappings can be efficiently learned offline utilizing lattice sampling. Results for a 2R planar robot and a 3R simplified human arm demonstrate that their inverse statics mappings can be learned successfully for the entire configuration space. Furthermore, we demonstrate that the number of samples required for learning inverse statics mappings for 2R and 3R manipulators can be reduced at least by factors of approximately 8 and 16, respectively–depending on the number of discovered symmetries

Effizientes und stabiles online Lernen für "Developmental Robots"

Recent progress in robotics and cognitive science has inspired a new generation of more versatile robots, so-called developmental robots. Many learning approaches for these robots are inspired by developmental processes and learning mechanisms observed in children. It is widely accepted that developmental robots must autonomously develop, acquire their skills, and cope with unforeseen challenges in unbounded environments through lifelong learning. Continuous online adaptation and intrinsically motivated learning are thus essential capabilities for these robots. However, the high sample-complexity of online learning and intrinsic motivation methods impedes the efficiency and practical feasibility of these methods for lifelong learning. Consequently, the majority of previous work has been demonstrated only in simulation. This thesis devises new methods and learning schemes to mitigate this problem and to permit direct online training on physical robots. A novel intrinsic motivation method is developed to drive the robot’s exploration to efficiently select what to learn. This method combines new knowledge-based and competence-based signals to increase sample-efficiency and to enable lifelong learning. While developmental robots typically acquire their skills through self-exploration, their autonomous development could be accelerated by additionally learning from humans. Yet there is hardly any research to integrate intrinsic motivation with learning from a teacher. The thesis therefore establishes a new learning scheme to integrate intrinsic motivation with learning from observation. The underlying exploration mechanism in the proposed learning schemes relies on Goal Babbling as a goal-directed method for learning direct inverse robot models online, from scratch, and in a learning while behaving fashion. Online learning of multiple solutions for redundant robots with this framework was missing. This thesis devises an incremental online associative network to enable simultaneous exploration and solution consolidation and establishes a new technique to stabilize the learning system. The proposed methods and learning schemes are demonstrated for acquiring reaching skills. Their efficiency, stability, and applicability are benchmarked in simulation and demonstrated on a physical 7-DoF Baxter robot arm.Jüngste Entwicklungen in der Robotik und den Kognitionswissenschaften haben zu einer Generation von vielseitigen Robotern geführt, die als ”Developmental Robots” bezeichnet werden. Lernverfahren für diese Roboter sind inspiriert von Lernmechanismen, die bei Kindern beobachtet wurden. ”Developmental Robots” müssen autonom Fertigkeiten erwerben und unvorhergesehene Herausforderungen in uneingeschränkten Umgebungen durch lebenslanges Lernen meistern. Kontinuierliches Anpassen und Lernen durch intrinsische Motivation sind daher wichtige Eigenschaften. Allerdings schränkt der hohe Aufwand beim Generieren von Datenpunkten die praktische Nutzbarkeit solcher Verfahren ein. Daher wurde ein Großteil nur in Simulationen demonstriert. In dieser Arbeit werden daher neue Methoden konzipiert, um dieses Problem zu meistern und ein direktes Online-Training auf realen Robotern zu ermöglichen. Dazu wird eine neue intrinsisch motivierte Methode entwickelt, die während der Umgebungsexploration effizient auswählt, was gelernt wird. Sie kombiniert neue wissens- und kompetenzbasierte Signale, um die Sampling-Effizienz zu steigern und lebenslanges Lernen zu ermöglichen. Während ”Developmental Robots” Fertigkeiten durch Selbstexploration erwerben, kann ihre Entwicklung durch Lernen durch Beobachten beschleunigt werden. Dennoch gibt es kaum Arbeiten, die intrinsische Motivation mit Lernen von interagierenden Lehrern verbinden. Die vorliegende Arbeit entwickelt ein neues Lernschema, das diese Verbindung schafft. Der in den vorgeschlagenen Lernmethoden genutzte Explorationsmechanismus beruht auf Goal Babbling, einer zielgerichteten Methode zum Lernen inverser Modelle, die online-fähig ist, kein Vorwissen benötigt und Lernen während der Ausführung von Bewegungen ermöglicht. Das Online-Lernen mehrerer Lösungen inverser Modelle redundanter Roboter mit Goal Babbling wurde bisher nicht erforscht. In dieser Arbeit wird dazu ein inkrementell lernendes, assoziatives neuronales Netz entwickelt und eine Methode konzipiert, die es stabilisiert. Das Netz ermöglicht deren gleichzeitige Exploration und Konsolidierung. Die vorgeschlagenen Verfahren werden für das Greifen nach Objekten demonstriert. Ihre Effizienz, Stabilität und Anwendbarkeit werden simulativ verglichen und mit einem Roboter mit sieben Gelenken demonstriert