شماره مدرك
21077
شماره راهنما
18079
پديد آورنده
شريفي، اميرمحسن
عنوان
يادگيري تقليدي مهارت توسط ربات انساننما و بهبود عملكرد آن با مبدلهاي بصري
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
هوش مصنوعي و رباتيكز
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
سيزده،98ص. : مصور،جدول،نمودار
توصيفگر ها
يادگيري تقليدي , شبكههاي متضاد با زمان , مبدلهاي بصري , ربات نائو , يادگيري تقويتي عميق , پاداش تقليدي , شبيهساز ويباتس
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/19
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي كامپيوتر
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/09
كد ايرانداك
23218902
چكيده فارسي
يادگيري تقليدي رويكردي مؤثر براي آموزش مهارتهاي پيچيده به رباتهاي انساننما از طريق مشاهده نمايشهاي بصري حركات يك عامل خبره است. با اين حال، روشهاي كنترل كلاسيك نيازمند حل تحليلي معادلات پيچيده سينماتيكي هستند و رويكردهاي استاندارد يادگيري تقويتي نيز به تعامل گسترده با محيط نياز دارند؛ چالشهايي كه استفاده از آنها را در سناريوهاي واقعي مستلزم زمان و از نظر محاسباتي پرهزينه ميسازد. در اين پاياننامه، به منظور فراهمسازي امكان انتقال آسان مهارتها به ساير رباتها، يك چارچوب نوين دومرحلهاي ارائه شده است كه با تركيب ادراك بصري پيشرفته و يادگيري تقويتي عميق، فرآيند انتقال دانش حركتي از يك ربات استاد به ربات شاگرد را در انجام مهارتهاي حركتي بالاتنه نظير حركت سلام و پاك كردن پيشاني تسهيل ميكند. در مرحله نخست، به منظور استخراج پايدار ويژگيهاي بصري و درك تفاوتهاي حركتي در طول زمان، دو معماري برجسته شامل شبكه عصبي كانولوشني EfficientNetV2-S و مبدل بصري ViT-B/16 بر پايه رويكرد شبكههاي متضاد با زمان مورد ارزيابي مقايسهاي قرار گرفتند. نتايج ارزيابيهاي فضاي ويژگي نشان داد كه ساختار مبتني بر توجه در معماري ViT-B/16، با ارائه بازنماييهاي منسجمتر و تفكيكپذيري بالاتر، برتري قابلتوجهي در درك تواليهاي حركتي نسبت به شبكههاي كانولوشني دارد. عامل اصلي اين برتري، توانايي مكانيزم توجه در پردازش سراسري تصوير و استخراج روابط فضايي پيچيده ميان مفاصل ربات استاد است؛ اين ويژگي به ربات شاگرد اجازه ميدهد تا با مقاومت بالا در برابر تغييرات محيطي، الگوي دقيق حركتي را از بدنه ربات مشابه استخراج نمايد. در مرحله دوم، اين بازنماييهاي بصري استخراجشده، در قالب يك چارچوب يادگيري تقويتي عميق مبتني بر الگوريتم بازيگر-نقاد نرم به كار گرفته شدند؛ به طوري كه از فاصله كسينوسي ميان ويژگيهاي استخراجشده ربات شاگرد و الگوي مرجع ربات استاد در فضاي نهان، براي طراحي دقيق تابع پاداش در محيط شبيهساز ويباتس استفاده گرديد. نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه سيگنال پاداش حاصل از فضاي ويژگي مدل ViT-B/16، به دليل پايداري بالا، ربات شاگرد را قادر ميسازد تا مهارتهاي سلامكردن و پاككردن پيشاني را با سرعت همگرايي يادگيري بالايي تقليد كند. اين نتايج، كارايي بالاي چارچوب پيشنهادي را در غلبه بر پيچيدگيهاي آموزش ربات به ربات اثبات ميكند.
چكيده انگليسي
Imitation learning is an effective approach for teaching complex skills to humanoid robots through observing the visual demonstrations of an expert agent. However, classical control methods require the analytical solution of complex kinematic equations, and standard reinforcement learning approaches also need extensive interaction with the environment; challenges that make their application in real-world scenarios time-consuming and computationally expensive. In this thesis, to enable the easy transfer of skills to other robots, a novel two-stage framework is proposed that, by combining advanced visual perception and deep reinforcement learning, facilitates the process of transferring motor knowledge from a teacher robot to a student robot in performing upper-body motor skills such as waving hello and wiping the forehead. In the first stage, to stably extract visual features and understand movement differences over time, two prominent architectures, including the EfficientNetV2-S convolutional neural network and the ViT-B/16 vision transformer, were comparatively evaluated based on the Time-Contrastive Networks approach. The results of the feature space evaluations showed that the attention-based structure in the ViT-B/16 architecture, by providing more coherent representations and higher discriminability, has a significant superiority in understanding motion sequences compared to convolutional networks. The main factor for this superiority is the ability of the attention mechanism to globally process the image and extract complex spatial relationships among the joints of the teacher robot; this feature allows the student robot to extract the precise motion pattern from the body of a similar robot with high robustness to environmental changes. In the second stage, these extracted visual representations were employed within a deep reinforcement learning framework based on the Soft Actor-Critic algorithm; such that the cosine distance between the extracted features of the student robot and the reference pattern of the teacher robot in the latent space was used for the precise design of the reward function in the Webots simulator environment. Simulation results indicate that the reward signal derived from the feature space of the ViT-B/16 model, due to its high stability, enables the student robot to imitate the waving and forehead-wiping skills with a high learning convergence rate. These results prove the high efficiency of the proposed framework in overcoming the complexities of robot-to-robot training.
استاد راهنما
مازيار پالهنگ
استاد داور
مهران صفاياني , سمانه حسيني