On learning and generalization in unstructured taskspaces

L'apprentissage robotique est incroyablement prometteur pour l'intelligence artificielle incarnée, avec un apprentissage par renforcement apparemment parfait pour les robots du futur: apprendre de l'expérience, s'adapter à la volée et généraliser à des scénarios invisibles.  Cependant, notre réalité actuelle nécessite de grandes quantités de données pour former la plus simple des politiques d'apprentissage par renforcement robotique, ce qui a suscité un regain d'intérêt de la formation entièrement dans des simulateurs de physique efficaces. Le but étant l'intelligence incorporée, les politiques formées à la simulation sont transférées sur du matériel réel pour évaluation; cependant, comme aucune simulation n'est un modèle parfait du monde réel, les politiques transférées se heurtent à l'écart de transfert sim2real: les erreurs se sont produites lors du déplacement des politiques des simulateurs vers le monde réel en raison d'effets non modélisés dans des modèles physiques inexacts et approximatifs.  La randomisation de domaine - l'idée de randomiser tous les paramètres physiques dans un simulateur, forçant une politique à être robuste aux changements de distribution - s'est avérée utile pour transférer des politiques d'apprentissage par renforcement sur de vrais robots. En pratique, cependant, la méthode implique un processus difficile, d'essais et d'erreurs, montrant une grande variance à la fois en termes de convergence et de performances. Nous introduisons Active Domain Randomization, un algorithme qui implique l'apprentissage du curriculum dans des espaces de tâches non structurés (espaces de tâches où une notion de difficulté - tâches intuitivement faciles ou difficiles - n'est pas facilement disponible). La randomisation de domaine active montre de bonnes performances sur le pourrait utiliser zero shot sur de vrais robots. La thèse introduit également d'autres variantes de l'algorithme, dont une qui permet d'incorporer un a priori de sécurité et une qui s'applique au domaine de l'apprentissage par méta-renforcement. Nous analysons également l'apprentissage du curriculum dans une perspective d'optimisation et tentons de justifier les avantages de l'algorithme en étudiant les interférences de gradient. Robotic learning holds incredible promise for embodied artificial intelligence, with reinforcement learning seemingly a strong candidate to be the \textit{software} of robots of the future: learning from experience, adapting on the fly, and generalizing to unseen scenarios.  However, our current reality requires vast amounts of data to train the simplest of robotic reinforcement learning policies, leading to a surge of interest of training entirely in efficient physics simulators. As the goal is embodied intelligence, policies trained in simulation are transferred onto real hardware for evaluation; yet, as no simulation is a perfect model of the real world, transferred policies run into the sim2real transfer gap: the errors accrued when shifting policies from simulators to the real world due to unmodeled effects in inaccurate, approximate physics models.  Domain randomization - the idea of randomizing all physical parameters in a simulator, forcing a policy to be robust to distributional shifts - has proven useful in transferring reinforcement learning policies onto real robots. In practice, however, the method involves a difficult, trial-and-error process, showing high variance in both convergence and performance. We introduce Active Domain Randomization, an algorithm that involves curriculum learning in unstructured task spaces (task spaces where a notion of difficulty - intuitively easy or hard tasks - is not readily available). Active Domain Randomization shows strong performance on zero-shot transfer on real robots. The thesis also introduces other variants of the algorithm, including one that allows for the incorporation of a safety prior and one that is applicable to the field of Meta-Reinforcement Learning. We also analyze curriculum learning from an optimization perspective and attempt to justify the benefit of the algorithm by studying gradient interference.

Keyphrases: simulation, domain randomization, robotics, reinforcement learning, simulation, domain randomization