多任务机器人学习在应对多样化和复杂情景方面具有重要意义。然而，当前的方法受到性能问题和收集训练数据集的困难的限制。
这篇论文提出了GeRM（通用机器人模型），研究人员利用离线强化学习来优化数据利用策略，从演示和次优数据中学习，从而超越了人类演示的局限性。
作者：宋文轩，赵晗，丁鹏翔，崔灿，吕尚可，范亚凝，王东林
单位：西湖大学、浙江大学
论文地址：https://arxiv.org/abs/2403.13358
项目地址：https://songwxuan.github.io/GeRM/
之后采用基于Transformer的视觉-语言-动作模型来处理多模态输入并输出动作。
通过引入专家混合结构，GeRM实现了更快的推理速度和更高的整体模型容量，从而解决了强化学习参数量受限的问题，提高了多任务学习中的模型性能，同时控制了计算成本。
通过一系列实验证明，GeRM在所有任务中均优于其他方法，同时验证了其在训练和推理过程中的效率。
此外，研究人员还提供了QUARD-Auto数据集以支持训练，该数据集的构建遵循文中提出的数据自动化收集的新范式，该方法可以降低收集机器人数据的成本，推动多任务学习社区的进步。
主要贡献：
1. 首次提出了用于四足强化学习的混合专家模型，其在混合质量的数据上进行训练，从而具备习得最优策略的潜力。
2. 与现有方法相比，GeRM在只激活自身1/2参数的情况下展现出更高的成功率，激活了涌现能力，同时在训练过程中展现了更优的数据利用策略。
3.提出了一个全自动机器人数据集收集的范式，并收集了一个大规模开源数据集。
方法
GeRM网络结构如图1所示，包含示范数据和失败数据的视觉-语言输入，分别经过编码器和tokenizer后输入到8层混合专家结构的decoder中，并生成动作token，最终转化为离散的机器人动作数据并通过底层策略部署到机器人上，此外我们用强化学习的方式进行训练。
图1 GeRM网络结构图
GeRM Decoder是一个包含 Transformer Decoder架构模型，其中前馈网络（FFN）从一组 8 个不同的专家网络中选择。
在每一层，对于每一个标记，门控网络选择两个专家来处理token，并将它们的输出加权组合。
不同的专家擅长不同的任务/不同的动作维度，以解决不同场景中的问题，从而学习跨多个任务的通用模型。该架构扩大了网络参数量，同时保持计算成本基本不变。
图2 Decoder结构图
我们提出了一个自动的范式来收集机器人多模态数据。通过这种方式，我们构建了一个大规模的机器人数据集QUARD-Auto，其中包含演示和次优数据的组合。它包括5个任务和99个子任务，总共有257k条轨迹。我们将进行开源以促进机器人社区发展。
表1 数据集介绍
图3 数据量统计
实验
我们进行了一系列全面而可靠的实验，涵盖了所有 99 个子任务，每个子任务进行了 400 条轨迹的精心测试。
如表1所示，GeRM在所有任务中具有最高的成功率。与 RT-1 和其他GeRM 的变体相比，它有效地从混合质量的数据中学习，优于其他方法，并在多任务中展现出优越的能力。与此同时，MoE 模块通过在推理时激活部分参数来平衡计算成本和性能。
表2 多任务对比实验
GeRM表现出令人称赞的训练效率。与其他方法相比，GeRM 仅需极少的batch就获得了极低的Loss和较高的成功率，凸显了GeRM优化数据利用策略的能力。
图4 成功率/Loss变化曲线
GeRM 在动态自适应路径规划方面展现出了涌现能力。如视频所示，四足机器人在初始位置视野受限，难以确定移动方向。为了避开障碍物，它随机选择向左转。
随后，在遇到错误的视觉输入后，机器人执行了大幅度的重新定向，以与原始视野之外的正确目标对齐。然后，它继续向目的地驶去，最终完成任务。
值得注意的是，这样的轨迹不属于我们的训练数据集分布之内。这表明 GeRM 在场景背景下的动态自适应路径规划方面具有涌现能力，即它能够根据视觉感知进行决策、规划未来路径，并根据需要改变下一步行动。
图5 涌现能力
