具身智能controller---RT-1（Robotics Transformer）（上---方法介绍）

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摘要和简介

迁移学习在计算机视觉领域已有很多研究，但在端到端的机器人学习控制的领域研究还比较少，本论文提出通用的机器人模型一个关键点在于开放式的（open-ended）任务不可知的(task-agnostic)训练, 有着高容量(high-capacity)的网络结构，可以吸收所有不同种类的机器人数据。
论文里的核心问题：可否利用大量的机器人任务数据训练一个大规模多任务骨干模型?这个模型是否会从别的领域观测获得好处, 表现出对新任务、环境和对象的zero-shot能力? 其挑战主要存在两个方面：正确的数据集和合适的模型设计

• 数据集：好的泛化性需要数据集同时具有规模和宽泛性，包含各种不同的任务和设置；
• 模型设计： 需要大容量，Transformer网络很符合这个需求。
  为此，该论文提出一个先进的机器人控制网络RT-1
  (Robotics Transformer 1), 它将高维输入和输出编码成紧凑的token表征，包括图像，文本指令和电机控制指令，并可以进行实时推理控制。

相关工作与预备知识

• 在使用语言和Transformer控制机器人这个方向，本工作在此方向上更进一步，将语言视觉观测映射到机器人动作的过程当作一个序列建模过程，并使用Transformer网络来学习这个映射；
• 大部分工作专注于让Transformer学习单个任务（如Goto, Behaviour Transformer）,本工作验证了基于Transformer的策略在保持实时性的同时，具有高容量（high capacity）和泛化性；
• 本工作进一步支持了多任务和language-conditioned机器人学习的能力, 在大规模数据集（有大量不同行为，对象和场景）上提供了实验结果，并提出了新的结构和设计选项，使得机器人可以在更大规模上进行学习；
• 机器人学习(Robot learning): 我们旨在学习机器人策略，用于从视觉观测中解决language-conditioned任务；
• Transformers：,一个Transformer网络是一系列的模型映射，它将一个输入序列映射到一个输出序列，联合使用自注意力(self-attention)层和全连接神经网络；
• 模仿学习(Imitation learning)：在演示数据上学习机器人策略，类似一般深度学习中的监督学习，目标是最小化基于观测的预测值与标签值之间的差异。

系统概述

目标：创建和演示一个通用的机器人学习系统，可以吸收大规模的数据并能有效地泛化；
机器人平台：EverydayRobots的移动操作机器人，具有7自由度的机械臂，两指夹爪和一个移动底盘；

环境:三个厨房环境—两个真实办公厨房和一个基于这些真实厨房建模的训练环境；

数据: 人类提供的示教，并对每个episode进行文本标注，用于表示其动作指令。我们最大的数据集包含在超过700个任务上超过130条独立示教；

RT-1: 输入短序列图像和一条自然语言指令，输出当前时刻机器人的动作。为此，网络结构包括多个部分:首先使用一个基于ImageNet预训练的卷积神经网络对图像和文本进行处理生成多个token，然后使用Token Learner计算一个紧凑的token集合，最后使用一个Transformer处理这些Token，并产生离散的动作tokens。输出的动作包括机械臂的七自由度运动 (x, y, z, roll, pitch, yaw, opening of the gripper), 底盘的三自由度运动(x, y, yaw)和一个离散维度用于表征动作模式转换（控制机械臂，控制底盘或者结束)。

模型 RT-1: ROBOTICS TRANSFORMER

本部分介绍如何tokenize图像，文本指令和动作,然后讨论RT-1模型结构，并描述如何进行实时控制，最后介绍数据采集流程以及数据集中的技能和指令。

模型

指令和图像tokenization：RT-1通过将最新的6帧图像输入到基于ImageNet预训练的EfficientNet-B3网络来tokenizes这些图像,该网络使用6张300x300的图像，输出一张9x9x512的空间特征图，然后变平成81个512维的token输给后面的网络层来处理；指令首先通过universal sentense encoder进行编码，得到一个512维的向量，这个embedding然后输入到 identity-initialized FiLM层，加入到预训练的EfficientNet中用来训练图像编码器。整个图像和指令tokenization网络共有约6M参数，包括26层MBConv块和FiLM层,最终产生81个指令图像token；
TokenLearner：TokenLearner对81视觉指令token进行采样，最终获得仅仅8个tokens，输入到后续的Transformer层；
Transformer: 历史6张张图像指令对应的8 个token拼接在一起形成48个token(包括增加的位置编码)，输入到Transformer骨干。Transformer是一个 decoder-only序列模型，它有8个self-attention层，总共约19M参数，最终输出action tokens；
动作tokenization：每个连续的动作被离散到256维的bin中，并被映射到其中之一；
Loss：标准分类交叉熵和随机mask
实时推理加速：1，使用token learner对原始token进行压缩；2，推理时保留历史5帧图像对应的指令图像token，而不必全部重新计算；分别加速2.4倍和1.7倍。