針把持のための深層視覚運動ポリシーのエンドツーエンド学習
End-to-End Learning of Deep Visuomotor Policy for Needle Picking
手術支援ロボットの針把持タスクに対し、デモンストレーションを活用したモデルベース強化学習(DreamerV2拡張)によるエンドツーエンドの視覚運動ポリシー学習手法を提案し、未見の針形状や画像ノイズへの汎化性能を示した。
著者: Hongbin Lin, Bin Li, Xiangyu Chu, Qi Dou, Yunhui Liu, Kwok Wai Samuel Au
分類: cs.RO
原文アブストラクト
Needle picking is a challenging manipulation task in robot-assisted surgery due to the characteristics of small slender shapes of needles, needles' variations in shapes and sizes, and demands for millimeter-level control. Prior works, heavily relying on the prior of needles (e.g., geometric models), are hard to scale to unseen needles' variations. In this paper, we present the first end-to-end learning method to train deep visuomotor policy for needle picking. Concretely, we propose DreamerfD to maximally leverage demonstrations to improve the learning efficiency of a state-of-the-art model-based reinforcement learning method, DreamerV2; Since Variational Auto-Encoder (VAE) in DreamerV2 is difficult to scale to high-resolution images, we propose Dynamic Spotlight Adaptation to represent control-related visual signals in a low-resolution image space; Virtual Clutch is also proposed to reduce performance degradation due to significant error between prior and posterior encoded states at the beginning of a rollout. We conducted extensive experiments in simulation to evaluate the performance, robustness, in-domain variation adaptation, and effectiveness of individual components of our method. Our method, trained by 8k demonstration timesteps and 140k online policy timesteps, can achieve a remarkable success rate of 80%. Furthermore, our method effectively demonstrated its superiority in generalization to unseen in-domain variations including needle variations and image disturbance, highlighting its robustness and versatility. Codes and videos are available at https://sites.google.com/view/DreamerfD.
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