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sim2realarXiv:2602.14174

方向が鍵:力の方向を学習することで接触の多い操作のSim-to-Real転移を実現

Direction Matters: Learning Force Direction Enables Sim-to-Real Contact-Rich Manipulation

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シミュレーションで人間設計の位置・力制御器を教師として使い、接触力の方向を予測する方策を学習。実機では力覚アダミタンス制御器を構成し、電子レンジ開けやペグ挿しなど4タスクで高い成功率と頑健性を示した。

詳しい要約

1. どんなもの?

本論文は、contact-rich manipulation の sim-to-real 転移のためのフレームワークを提案する。シミュレーション内で人間設計の finite state machine ベースの position/force controller を privileged guidance として用い、policy に end-effector pose、contact state、そして重要な desired contact force direction を予測させる。実機展開時には、予測された方向意図と手動調整された低コストな一定の力の大きさを組み合わせて force-aware admittance controller を構成し、適応的でタスクに沿った compliance を生成する。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

既存手法は高コストな実世界データに依存するか、固定コントローラによる blind compliance を用いることが多い。提案手法は、kinematic タスクにおける privileged supervision の成功に着想を得て、シミュレーション内の人間設計コントローラを privileged guidance として活用する。力の大きさはシミュレーションの不正確さに敏感だが、力の方向は高レベルのタスク幾何を符号化し sim-to-real gap に対して頑健である点を利用する。これにより、実世界データを必要とせず、軽量な調整(contact state ごとに通常1つのスカラーのみ)で適応的な compliance を実現する。

3. 技術・手法の肝は?

シミュレーションで人間設計の finite state machine ベースの position/force controller を privileged guidance として使用。policy は end-effector pose、contact state、desired contact force direction を予測するよう訓練される。実機では、これらの予測が force-aware admittance controller を構成し、policy の方向意図と手動調整された一定の低コストな力の大きさを組み合わせて、適応的でタスクに沿った compliance を生成する。力の大きさの調整は contact state ごとに通常1つのスカラーで済む。安定性と外乱に対するロバスト性の理論解析も提供。

4. どうやって有効だと検証した?

4つの実世界タスク(microwave opening、peg-in-hole、whiteboard wiping、door opening)で実験を行い、提案手法が強力な baselines と比較して成功率とロバスト性の両方で大幅に優れることを示した。

5. 議論はある?

安定性と外乱に対するロバスト性の理論解析を提供している。力の大きさはシミュレーションの不正確さに敏感だが、力の方向は sim-to-real gap に対して頑健であるという議論がある。その他の議論や限界については要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

要旨で参照/比較されている研究として、privileged supervision in kinematic tasks、blind compliance through fixed controllers、force-aware admittance controller が挙げられる。関連手法として、sim-to-real transfer for contact-rich manipulation の既存研究や admittance control の文献が次に読むべき候補となる。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Yifei Yang, Anzhe Chen, Zhenjie Zhu, Kechun Xu, Yunxuan Mao, Yufei Wei, Lu Chen, Rong Xiong, Yue Wang

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Sim-to-real transfer for contact-rich manipulation remains challenging due to the inherent discrepancy in contact dynamics. While existing methods often rely on costly real-world data or utilize blind compliance through fixed controllers, we propose a framework that leverages expert-designed controller logic for transfer. Inspired by the success of privileged supervision in kinematic tasks, we employ a human-designed finite state machine based position/force controller in simulation to provide privileged guidance. The resulting policy is trained to predict the end-effector pose, contact state, and crucially the desired contact force direction. Unlike force magnitudes, which are highly sensitive to simulation inaccuracies, force directions encode high-level task geometry and remain robust across the sim-to-real gap. At deployment, these predictions configure a force-aware admittance controller. By combining the policy's directional intent with a constant, low-cost manually tuned force magnitude, the system generates adaptive, task-aligned compliance. This tuning is lightweight, typically requiring only a single scalar per contact state. We provide theoretical analysis for stability and robustness to disturbances. Experiments on four real-world tasks, i.e., microwave opening, peg-in-hole, whiteboard wiping, and door opening, demonstrate that our approach significantly outperforms strong baselines in both success rate and robustness. Videos are available at: https://yifei-y.github.io/project-pages/DirectionMatters/.

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