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報酬学習arXiv:2605.22123

ピクセルを超えて:少数のデモから実世界ロボットの不変報酬を学習する

Beyond Pixels: Learning Invariant Rewards for Real-World Robotics From a Few Demonstrations

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少数のデモンストレーションから、視覚的な変化に不変な記号的報酬関数を学習するフレームワークを提案し、実世界の位置・視点・物体の変化に対してゼロショットで汎化することを示した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- ロボティクスにおける強化学習の報酬設計を、少数のデモンストレーションから学習するフレームワーク。 - 視覚的特徴のフィッティングではなく、行動不変量(タスクレベルで視覚的実現に依存しない性質)を発見する。 - 構造的報酬定式化とハイブリッド記号-数値手続きの2要素からなる。 - 8つのMeta-Worldタスクと3つのFranka操作タスクで評価。 - 実世界の3つの分布外実験でゼロショット汎化を実証。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の視覚ベース報酬モデルは特定のピクセル分布を記憶し、訓練条件を超えた汎化が困難。 - 提案手法は視覚的特徴ではなく行動不変量を学習するため、視覚的変動に頑健。 - 5つという少数のデモンストレーションで学習可能。 - オンラインインタラクションなしで報酬を蒸留。 - プロセス整合性とポリシーロールアウトランキング能力でベースラインを上回る。

3. 技術・手法の肝は?

- 構造的報酬定式化:タスクレベルの戦略と物理的制約を符号化し、最適ポリシー不変性を保持。 - ハイブリッド記号-数値手続き:デモンストレーションから不変量を蒸留。オンラインインタラクション不要。 - 視覚的特徴フィッティングから行動不変量の発見への転換。 - タスクレベルで視覚的実現を超えて一定に保たれる性質を利用。

4. どうやって有効だと検証した?

- 8つのMeta-Worldタスクと3つのFranka操作タスクで実験。 - プロセス整合性とポリシーロールアウトランキング能力をベースラインと比較。 - 下流のポリシー学習を加速することを示す。 - 実世界の3つの分布外実験:位置、視点、物体の変動に対してゼロショット汎化を確認。 - 単一の報酬表現が多様なタスク変種で再利用可能であることを実証。

5. 議論はある?

- 要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- Meta-World(ベンチマーク) - Franka操作タスク - 視覚ベース報酬モデル(関連手法) - 強化学習における報酬設計(一般分野)

※ 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: Tengye Xu, Yangting Sun, Ziju Shen, Guanqi Chen, Zhen Fu, Chen yizhou, Hua Chen, Jia Pan

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Designing reward functions that generalize beyond controlled laboratory settings remains a fundamental challenge in reinforcement learning for robotics. In open-world manipulation problems, a single task can appear in numerous variants through different object instances, positions, and camera viewpoints. Recent vision-based reward models tend to memorize specific pixel distributions and fail to generalize beyond their training conditions. To address this, we propose a framework that learns invariant symbolic reward functions from as few as five demonstrations. The insight is to shift from visual feature-fitting to the discovery of behavioral invariants: task-level properties that remain constant across diverse visual instantiations. The framework has two coupled components: a structural reward formulation that encodes task-level strategies and physical constraints while preserving optimal policy invariance, and a hybrid symbolic-numerical procedure that distills these invariants from demonstrations without online interaction. Experiments on eight Meta-World tasks and three Franka manipulation tasks demonstrate that our method achieves stronger process alignment and policy rollout ranking abilities compared to baselines, accelerating downstream policy learning. Three real-world out-of-distribution experiments further show that the same learned reward generalizes zero-shot to position, viewpoint, and object variations, enabling a single reward representation to be reused across diverse task variants in practice.

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