一群機(jī)械臂手忙腳亂地自己干活，彼此配合、互不碰撞。

科幻大片場景真的走入現(xiàn)實了。優(yōu)雅，實在是優(yōu)雅。

△視頻中為4個機(jī)械臂，在仿真環(huán)境下4個安裝在桌子上，另外4個安裝在天花板上。

這就是發(fā)表在Science子刊Science Robotics上，由DeepMind、Intrinsic AI和UCL等研究機(jī)構(gòu)共同提出的最新成果——RoboBallet（機(jī)器芭蕾）。

RoboBallet創(chuàng)新性地將圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）用于強(qiáng)化學(xué)習(xí)，作為其策略網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)-動作價值估計，以解決多機(jī)器人（機(jī)械臂）協(xié)作運(yùn)動規(guī)劃中的復(fù)雜問題。

這一方法最多可以同時控制8個機(jī)械臂，協(xié)調(diào)多達(dá)56個自由度的配置空間，并處理多達(dá)40個共享任務(wù)， 每一步規(guī)劃僅需0.3毫秒，且任務(wù)分配和調(diào)度完全不受約束。

值得一提的是，這篇論文的通訊作者——Matthew Lai，可謂是谷歌DeepMind的資深研究員。自2016年加入谷歌DeepMind以來，他曾參與過AlphaGo、AlphaZero等明星項目。

利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)

總的來說，RoboBallet的核心是把圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)合起來，采用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）作為策略網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)-動作價值估計，解決了大規(guī)模多機(jī)器人任務(wù)分配、調(diào)度和運(yùn)動規(guī)劃的聯(lián)合問題，實現(xiàn)了在計算上高效、可擴(kuò)展且能零樣本泛化的高質(zhì)量軌跡規(guī)劃。

具體來說，在現(xiàn)代自動化制造中，核心挑戰(zhàn)在于如何讓多個機(jī)器人在共享的、充滿障礙物的空間中無碰撞地高效協(xié)作，以完成大量任務(wù)（如焊接、裝配等）。

這涉及到三個高度復(fù)雜的子問題：

• 任務(wù)分配（Task Allocation）：決定哪個機(jī)器人執(zhí)行哪個任務(wù)，以最小化總執(zhí)行時間。
• 任務(wù)調(diào)度（Task Scheduling）：決定任務(wù)的執(zhí)行順序。
• 運(yùn)動規(guī)劃（Motion Planning）：在關(guān)節(jié)空間中尋找一條無碰撞路徑，使機(jī)器人末端執(zhí)行器移動到目標(biāo)姿態(tài)。

這三個子問題一組合，復(fù)雜度急劇增加，傳統(tǒng)算法在真實場景中往往難以計算可行解，工業(yè)界目前主要依賴耗時且勞動密集的人工規(guī)劃。

因此，為了應(yīng)對這種高維復(fù)雜性，RoboBallet就被用來在隨機(jī)生成的環(huán)境中進(jìn)行任務(wù)和運(yùn)動規(guī)劃，其能夠為與訓(xùn)練期間所見環(huán)境不同的環(huán)境（具有任意障礙物幾何形狀、任務(wù)姿態(tài)和機(jī)器人位置）規(guī)劃多臂抓取軌跡。

為了實現(xiàn)這一點，RoboBallet在數(shù)據(jù)表示層面，創(chuàng)新性地將整個場景建模為圖結(jié)構(gòu)。

其中，圖中的節(jié)點代表場景中的核心實體，包括機(jī)器人、任務(wù)和障礙物，而邊（Edge）則表示這些實體之間的關(guān)系（例如，相對姿態(tài)）。

機(jī)器人節(jié)點之間存在雙向邊，以支持相互協(xié)調(diào)和避碰。而任務(wù)節(jié)點和障礙物節(jié)點到機(jī)器人節(jié)點則存在單向邊，用于向機(jī)器人傳遞規(guī)劃所需的環(huán)境信息（如圖c）

接下來，RoboBallet使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）作為策略網(wǎng)絡(luò)，通過權(quán)重共享來處理不斷變化的圖大小。其以觀測圖作為輸入，并在每個時間步為所有機(jī)器人生成指令關(guān)節(jié)速度。這使得機(jī)械臂能夠在只接收原始狀態(tài)作為輸入的情況下，進(jìn)行關(guān)系和組合推理。

而在具體的策略學(xué)習(xí)和評估階段，RoboBallet通過微調(diào)TD3（Twin-Delayed Deep Deterministic Policy Gradient）算法來訓(xùn)練策略網(wǎng)絡(luò)，使模型能夠生成多機(jī)械臂軌跡，同時解決任務(wù)分配、調(diào)度和運(yùn)動規(guī)劃等子問題，使得昂貴的在線計算轉(zhuǎn)移到了離線訓(xùn)練階段。

（注：在此任務(wù)中，機(jī)械臂因成功解決任務(wù)和避免碰撞而獲得獎勵）

同時，為了解決稀疏獎勵的問題，RoboBallet還采用了Hindsight Experience Replay方法，使模型能夠在沒有人工設(shè)計的獎勵函數(shù)的情況下高效學(xué)習(xí)。

在具體的部署方面，RoboBallet使用Franka Panda的七自由度機(jī)械臂、在隨機(jī)障礙物和任務(wù)的模擬環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練。

為了驗證性能，研究團(tuán)隊在一個包含4（8）個機(jī)器人、40個任務(wù)和30個障礙物的模擬工作單元中進(jìn)行測試，并與RRT-Connect方法進(jìn)行比較。值得一提的是，這一切都只需在一塊 GPU（圖形處理單元）上完成，無論是真實的還是模擬的多臂工作單元。

實驗表明，RoboBallet在多個關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)出色：

在訓(xùn)練時間的擴(kuò)展性方面，即使任務(wù)數(shù)量增加四倍，RoboBallet收斂所需的訓(xùn)練步數(shù)也只是略有增加。

在規(guī)劃速度方面。實驗表明，在推理階段，即便是包含8個機(jī)器人和40個任務(wù)的最大場景，每個規(guī)劃步在NVIDIA A100上只需約0.3毫秒，能夠?qū)崿F(xiàn)10 Hz時間步下超過300倍的實時規(guī)劃速度。

在單個Intel Cascade Lake CPU核心上，每個步長大約需要30毫秒，在10Hz時間步下仍比實時快約3倍。每個規(guī)劃步驟包括對整個場景進(jìn)行一次推理和一次碰撞檢測。

在多智能體協(xié)同方面，隨著機(jī)器人數(shù)量從4個增加到8個 ，平均執(zhí)行時間減少了約60%。

而在泛化性方面，模型在隨機(jī)生成的環(huán)境中訓(xùn)練后，無需額外訓(xùn)練即可零樣本遷移（zero-shot）到具有不同機(jī)器人位置、障礙物幾何形狀和任務(wù)姿態(tài)的新環(huán)境中。

最后，RoboBallet 的高速和可擴(kuò)展性使其能夠應(yīng)用于工作單元布局優(yōu)化（將任務(wù)執(zhí)行時間縮短了33%）、容錯規(guī)劃和基于在線感知的重新規(guī)劃等新能力。