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時空最優傳輸注意力:面向接觸豐富操作的視觸模仿學習

文章摘要

該論文提出一種三模態融合框架SO-TA,用最優傳輸替代softmax注意力,顯著提升機器人在緊密裝配、連接器插入等接觸豐富任務中的性能,在擾動下保持高成功率。

來源arXiv Robotics作者: Yue Feng, Weicheng Huang, I-Ming Chen
時空最優傳輸注意力:面向接觸豐富操作的視觸模仿學習
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在機器人操作領域,接觸豐富的任務——如緊密間隙的插入、連接器的配對、拋光以及曲面擦拭——對數據驅動的控制器來説仍然是一大挑戰。這些任務不僅涉及不連續的接觸動力學,還面臨部分可觀測性和嚴格的安全約束。單一傳感模態無法滿足所有需求:視覺在接觸前提供全局上下文,力/力矩(F/T)反饋在接觸後主導交互,而本體感覺位姿則提供一致的運動學骨幹。然而,大多數先前的模仿學習策略僅使用單模態或雙模態信號,少數融合三模態的方法通常採用現成的注意力模塊,但並未明確如何跨任務相關區域分配注意力質量。

為了解決這一問題,本文提出了時空最優傳輸注意力(SO-TA),一種三模態融合骨幹網絡。SO-TA的核心創新在於用熵正則化最優傳輸(OT)對齊力-位姿派生的子查詢與視覺塊,替代了傳統的softmax歸一化塊注意力。顯式的邊際約束作為一種結構化的歸納偏置,能夠促進條件感知的空間選擇,使得模型在光照變化、干擾物和部分遮擋下仍能保持穩定。這種機制不僅提升了注意力分配的精確性,還增強了模型對複雜環境的魯棒性。

SO-TA與基於擴散的序列策略相結合,將觀測窗口映射到位姿動作塊。研究者在三個真實機器人任務上評估了SO-TA:緊密銷孔裝配、BCM接線連接器插入以及曲面標記擦除。每個條件進行約200次試驗,結果顯示,SO-TA在緊密銷孔裝配任務中達到了100%的成功率,而在相同容量下交叉注意力僅為93%;在光照、干擾物和部分遮擋擾動下,SO-TA仍保持了82.5%的成功率,而拼接基線則降至43.5%。此外,OT導出的塊熱圖以及留一模態影響比提供了可解釋的、階段相關的診斷信息,為任務階段的診斷和調試提供了有力依據。

這項研究的意義在於,SO-TA通過最優傳輸理論為多模態融合提供了結構化的先驗,顯著提升了機器人執行復雜接觸任務的能力。未來,該方法有望在更廣泛的工業應用中發揮作用。

展開要點與分析

文章情報

研究者進階

要點

  • SO-TA通過熵正則化最優傳輸對齊力-位姿子查詢與視覺塊,實現穩定的空間選擇。
  • 在三種真實機器人任務中,SO-TA均優於交叉注意力基線,尤其在擾動下魯棒性突出。
  • 最優傳輸生成的可解釋熱圖與模態影響比為任務階段診斷提供依據。

技術影響

可能影響合規要求、模型發佈節奏、數據治理和企業採購。

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