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模倣学習arXiv:2604.03759

事前知識を活用する:視覚・言語ガイドによるニューロシンボリック模倣学習で実世界ロボット操作をデータ効率的に実現

Build on Priors: Vision--Language--Guided Neuro-Symbolic Imitation Learning for Data-Efficient Real-World Robot Manipulation

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少数のデモンストレーションから長期的な操作タスクを学習するためのニューロシンボリックフレームワークを提案し、VLMを用いてシンボリックなプランニングドメインと制御ポリシーを自動構築する。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 実世界のロボットマニピュレーションにおいて、少数の未注釈デモンストレーションから長期的タスクを学習する neuro-symbolic フレームワーク。 - 1〜30個の未注釈スキルデモンストレーションから、シンボリック計画ドメインとデータ効率の良い制御ポリシーを自動構築。 - 手動のドメインエンジニアリングを必要とせず、VLM と ASP を活用。 - 実産業用フォークリフトと Kinova Gen3 で検証。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 既存の neuro-symbolic 手法は手作りシンボリック抽象化、意味ラベル付き軌道、大規模デモデータセットに依存。 - 提案手法は未注釈デモのみから自動でシンボリック計画ドメインを構築し、スケーラビリティと実世界適用性を向上。 - 手動ドメインエンジニアリング不要で、専門家不要の解釈可能な neuro-symbolic ロボティクスを実現。

3. 技術・手法の肝は?

- デモをスキルに分割し、VLM でスキル分類と等価な高レベル状態を同定。 - 状態遷移グラフを自動構築し、Answer Set Programming ソルバで PDDL 計画ドメインを合成。 - オラクル関数が各スキルポリシーに最小限のタスク関連・ターゲット相対観測/行動空間を分離。 - ポリシーは生のアクチュエータ信号ではなく制御参照レベルで学習し、滑らかでノイズの少ない学習ターゲットを実現。 - 既知のコントローラを活用し、単一デモをシーン内の他オブジェクトに投影してデータ拡張。

4. どうやって有効だと検証した?

- 実産業用フォークリフトで統計的に厳密なマニピュレーショントライアルを実施。 - Kinova Gen3 ロボットアームで2つの標準ベンチマークを用いてクロスプラットフォーム汎用性を実証。 - 制御学習、VLM 駆動抽象化、自動計画合成を統合パイプラインに接地することが有効であることを示した。

5. 議論はある?

- 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は明示されていない。 - 関連手法として neuro-symbolic imitation learning、Vision-Language Model (VLM)、Answer Set Programming、PDDL 計画、制御参照レベル学習が挙げられる。

※ 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: Pierrick Lorang, Johannes Huemer, Timothy Duggan, Kai Goebel, Patrik Zips, Matthias Scheutz

分類: cs.RO, cs.AI

原文アブストラクト

Enabling robots to learn long-horizon manipulation tasks from a handful of demonstrations remains a central challenge in robotics. Existing neuro-symbolic approaches often rely on hand-crafted symbolic abstractions, semantically labeled trajectories or large demonstration datasets, limiting their scalability and real-world applicability. We present a scalable neuro-symbolic framework that autonomously constructs symbolic planning domains and data-efficient control policies from as few as one to thirty unannotated skill demonstrations, without requiring manual domain engineering. Our method segments demonstrations into skills and employs a Vision-Language Model (VLM) to classify skills and identify equivalent high-level states, enabling automatic construction of a state-transition graph. This graph is processed by an Answer Set Programming solver to synthesize a PDDL planning domain, which an oracle function exploits to isolate the minimal, task-relevant and target relative observation and action spaces for each skill policy. Policies are learned at the control reference level rather than at the raw actuator signal level, yielding a smoother and less noisy learning target. Known controllers can be leveraged for real-world data augmentation by projecting a single demonstration onto other objects in the scene, simultaneously enriching the graph construction process and the dataset for imitation learning. We validate our framework primarily on a real industrial forklift across statistically rigorous manipulation trials, and demonstrate cross-platform generality on a Kinova Gen3 robotic arm across two standard benchmarks. Our results show that grounding control learning, VLM-driven abstraction, and automated planning synthesis into a unified pipeline constitutes a practical path toward scalable, data-efficient, expert-free and interpretable neuro-symbolic robotics.

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