WM-DAgger: Enabling Efficient Data Aggregation for Imitation Learning with World Models

TL;DR

WM-DAgger通过世界模型合成OOD恢复数据,五次演示下软包推送成功率达93.3%。

cs.RO 🔴 高级 2026-04-13 4 次浏览
Anlan Yu Zaishu Chen Peili Song Zhiqing Hong Haotian Wang Desheng Zhang Tian He Yi Ding Daqing Zhang
模仿学习 数据聚合 世界模型 机器人操作 无监督学习

核心发现

方法论

WM-DAgger通过世界模型生成OOD恢复数据,避免人工干预。采用纠正动作合成模块和一致性引导过滤模块,确保生成数据的物理一致性和任务导向性。

关键结果

  • 在软包推送任务中,WM-DAgger在仅五次演示下实现了93.3%的成功率,显著优于标准行为克隆和DMD方法。
  • 在多个真实世界任务中验证了方法的有效性,成功率显著提高。
  • 通过消融实验验证了纠正动作合成模块和一致性引导过滤模块的关键作用。

研究意义

该研究通过减少对人类干预的依赖,显著提高了模仿学习的可扩展性。通过合成高质量的OOD恢复数据,解决了传统DAgger框架中的复合误差问题,对机器人学习领域具有重要意义。

技术贡献

提出了一种基于世界模型的无监督数据合成方法,显著提高了模仿学习的鲁棒性。纠正动作合成模块和一致性引导过滤模块的引入,确保了生成数据的物理一致性。

新颖性

首次利用世界模型合成OOD恢复数据,避免了人工标注的需求。与现有方法相比,显著提高了数据的物理一致性和任务导向性。

局限性

  • 在复杂物理交互场景中,生成数据可能仍存在一定的物理不一致性。
  • 对世界模型的训练数据质量有较高要求。

未来方向

未来工作可探索在更复杂的物理交互场景中应用该框架,并结合其他学习范式以提高模型的泛化能力。

AI 总览摘要

模仿学习在机器人策略训练中具有重要作用,但其性能受限于复合误差问题。现有的DAgger框架依赖于人工干预,限制了其可扩展性。WM-DAgger通过利用世界模型合成OOD恢复数据,解决了这一问题。该方法在多个真实世界任务中进行了验证,显著提高了成功率,尤其是在软包推送任务中,仅五次演示下成功率达到93.3%。

WM-DAgger引入了纠正动作合成模块和一致性引导过滤模块,确保生成数据的物理一致性和任务导向性。通过减少对人类干预的依赖,该方法显著提高了模仿学习的可扩展性,对机器人学习领域具有重要意义。

尽管取得了显著成果,该方法在复杂物理交互场景中仍面临一定挑战。未来工作将探索在更复杂的场景中应用该框架,并结合其他学习范式以提高模型的泛化能力。

深度分析

研究背景

模仿学习是将人类专业知识转移到机器人系统中的重要范式。然而,其在实际应用中常受到分布偏移和复合执行误差的限制。DAgger框架通过迭代地结合专家反馈来解决这一问题,但其对人工干预的依赖限制了其可扩展性。

核心问题

模仿学习中的核心问题是复合误差:策略的微小不准确可能导致机器人进入训练集中未见过的分布外状态,从而产生更大的错误,最终导致任务失败。

核心创新

WM-DAgger通过世界模型生成OOD恢复数据,避免人工干预。引入纠正动作合成模块和一致性引导过滤模块,确保生成数据的物理一致性和任务导向性。

方法详解

  • �� 使用世界模型合成OOD恢复数据,减少人工干预需求。
  • �� 纠正动作合成模块生成任务导向的恢复动作,避免误导性监督。
  • �� 一致性引导过滤模块通过将合成帧与专家演示中的真实帧进行对比,筛除物理不合理的轨迹。

实验设计

在多个真实世界任务中验证了WM-DAgger的有效性,包括软包推送、抓取放置、投票插入和毛巾折叠。实验采用标准行为克隆和DMD作为基线,评估了成功率和模型的鲁棒性。

结果分析

WM-DAgger在软包推送任务中实现了93.3%的成功率,显著优于标准行为克隆和DMD方法。消融实验验证了纠正动作合成模块和一致性引导过滤模块的关键作用。

应用场景

该方法可直接应用于需要高效数据聚合的机器人操作任务中,如物流中的自动分拣和复杂物理交互场景中的机器人学习。

局限与展望

生成数据在复杂物理交互场景中可能仍存在一定的物理不一致性。对世界模型的训练数据质量有较高要求。未来工作将探索在更复杂的场景中应用该框架。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个机器人在厨房里学习做饭。传统方法需要厨师不断指导,告诉它每一步该怎么做。WM-DAgger就像一个聪明的助手,通过观察厨师的几次演示,就能自己推测出如何处理意外情况,比如锅掉了或食材不够。它通过模拟厨房环境,生成可能的解决方案,而不需要厨师一直在旁边指挥。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个机器人游戏,机器人需要学会做一些任务,比如推一个软包到篮子里。通常,你需要一直告诉它怎么做,但这很麻烦。WM-DAgger就像一个超级聪明的游戏助手,它只需要看你玩几次,就能自己学会怎么处理意外情况,比如包掉了。它会模拟游戏环境,自己想办法解决问题,而不需要你一直指导。是不是很酷?

术语表

模仿学习 (Imitation Learning)

通过模仿人类专家的行为来训练机器人策略的方法。

用于将人类专业知识转移到机器人系统中。

数据聚合 (Data Aggregation)

通过收集和合成数据来改进模型训练的过程。

在DAgger框架中用于生成恢复数据。

世界模型 (World Models)

模拟环境动态的内部模型,帮助代理预测其动作的结果。

用于合成OOD恢复数据,减少人工干预。

纠正动作合成模块 (Corrective Action Synthesis Module)

生成任务导向的恢复动作,避免误导性监督。

在WM-DAgger中用于生成物理一致的恢复数据。

一致性引导过滤模块 (Consistency-Guided Filtering Module)

通过对比合成帧与真实帧,筛除物理不合理的轨迹。

确保生成数据的物理一致性。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在更复杂的物理交互场景中应用WM-DAgger?
  • 2 生成数据在多样化任务中的泛化能力如何提高?

应用场景

近期应用

物流自动化

在物流中实现自动分拣,减少对人工操作的依赖,提高效率。

远期愿景

复杂物理交互中的机器人学习

在复杂物理交互场景中实现高效的机器人学习,推动机器人技术的发展。

原文摘要

Imitation learning is a powerful paradigm for training robotic policies, yet its performance is limited by compounding errors: minor policy inaccuracies could drive robots into unseen out-of-distribution (OOD) states in the training set, where the policy could generate even bigger errors, leading to eventual failures. While the Data Aggregation (DAgger) framework tries to address this issue, its reliance on continuous human involvement severely limits scalability. In this paper, we propose WM-DAgger, an efficient data aggregation framework that leverages World Models to synthesize OOD recovery data without requiring human involvement. Specifically, we focus on manipulation tasks with an eye-in-hand robotic arm and only few-shot demonstrations. To avoid synthesizing misleading data and overcome the hallucination issues inherent to World Models, our framework introduces two key mechanisms: (1) a Corrective Action Synthesis Module that generates task-oriented recovery actions to prevent misleading supervision, and (2) a Consistency-Guided Filtering Module that discards physically implausible trajectories by anchoring terminal synthesized frames to corresponding real frames in expert demonstrations. We extensively validate WM-DAgger on multiple real-world robotic tasks. Results that our method significantly improves success rates, achieving a 93.3\% success rate in soft bag pushing with only five demonstrations. The source code is publicly available at https://github.com/czs12354-xxdbd/WM-Dagger.

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