Apprentissage non-supervisé pour la découverte de propriétés d'objets par découplage entre interaction et interprétation

Unsupervised learning for object property discovery by decoupling interaction and interpretation

• Auteur / Autrice : Maxime Chareyre
• Direction : Jean-Marc Bourinet, Youcef Mezouar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique et systèmes
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) - Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Traitement de l’Information et Systèmes (DTIS)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Sigaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Bourinet, Ouiddad Labbani-Igbida, Pierre Fournier, Julien Moras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Dutech, David Filliat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage non supervisé (intelligence artificielle)

Apprentissage par renforcement (intelligence artificielle)

Robots mobiles

Mots clés libres

Apprentissage auto-Supervisé

Apprentissage par renforcement profond

Robotique mobile

Motivation intrinsèque

Estimation de propriétés d'objets

Self-Supervised learning

Deep reinforcement learning

Mobile robotics

Intrinsic motivation

Object properties estimation

Résumé

Les robots sont de plus en plus utilisés pour réaliser des tâches dans des environnements contrôlés. Leur utilisation en milieu ouvert est cependant encore confrontée à des difficultés. L'agent robotique est en effet susceptible de rencontrer des objets dont il ignore le comportement et la fonction. Dans certains cas, il doit interagir avec ces éléments pour réaliser sa mission en les collectant ou en les déplaçant mais, sans la connaissance de leurs propriétés dynamiques il n'est pas possible de mettre en place une stratégie de résolution de la mission efficace.Dans cette thèse, nous présentons une méthode visant à apprendre à un robot autonome une stratégie d'interaction physique avec des objets inconnus, sans aucune connaissance a priori, l'objectif étant d'extraire de l'information sur un maximum de propriétés physiques de l'objet à partir des interactions observées par ses capteurs. Les méthodes existantes pour la caractérisation d'objets par interactions physiques ne répondent pas entièrement à ces critères. En effet, les interactions établies ne permettent qu'une représentation implicite de la dynamique des objets, nécessitant une supervision pour identifier leurs propriétés. D'autre part, la solution proposée s'appuie sur des scénarios peu réalistes sans agent. Notre approche se distingue de l'état de l'art en proposant une méthode générique pour l'apprentissage de l'interaction, indépendante de l'objet et de ses propriétés, et pouvant donc être découplée de la phase de leurs prédictions. Cela permet notamment de mener à un pipeline global totalement non-supervisé.Dans une première phase, nous proposons d'apprendre une stratégie d'interaction avec l'objet via une méthode d'apprentissage par renforcement non-supervisée, en utilisant un signal de motivation intrinsèque qui repose sur l'idée de maximisation des variations d'un vecteur d'état de l'objet. Le but est d'obtenir une série d'interactions contenant des informations fortement corrélées aux propriétés physiques de l'objet. Cette méthode a été testée sur un robot simulé interagissant par poussée et a permis d'identifier avec précision des propriétés telles que la masse, la forme de l'objet et les frottements.Dans une seconde phase, nous réalisons l'hypothèse que les vraies propriétés physiques définissent un espace latent explicatif des comportements de l'objet et que cet espace peut être identifié à partir des observations recueillies grâce aux interactions de l'agent. Nous mettons en place une tâche de prédiction auto-supervisée dans laquelle nous adaptons une architecture de l'état de l'art pour construire cet espace latent. Nos simulations confirment que la combinaison du modèle comportemental avec cette architecture permet de faire émerger une représentation des propriétés de l'objet dont les composantes principales s'avèrent fortement corrélées avec les propriétés physiques de l'objet.Les propriétés des objets étant extraites, l'agent peut les exploiter pour améliorer son efficacité dans des tâches impliquant ces objets. Nous concluons cette étude par une mise en avant du gain de performance de l'agent au travers d'un entraînement via l'apprentissage par renforcement sur une tâche simplifiée de repositionnement d'objet où les propriétés sont parfaitement connues.L'intégralité du travail effectué en simulation confirme l'efficacité d'une méthode novatrice visant à découvrir en autonomie les propriétés physiques d'un objet au travers d'interactions physiques d'un robot. Les perspectives d'extension de ces travaux concernent le transfert vers un robot réel en milieu encombré.

Robots are increasingly used to achieve tasks in controlled environments. However, their use in open environments is still fraught with difficulties. Robotic agents are likely to encounter objects whose behaviour and function they are unaware of. In some cases, it must interact with these elements to carry out its mission by collecting or moving them, but without knowledge of their dynamic properties it is not possible to implement an effective strategy for resolving the mission.In this thesis, we present a method for teaching an autonomous robot a physical interaction strategy with unknown objects, without any a priori knowledge, the aim being to extract information about as many of the object's physical properties as possible from the interactions observed by its sensors. Existing methods for characterising objects through physical interactions do not fully satisfy these criteria. Indeed, the interactions established only provide an implicit representation of the object's dynamics, requiring supervision to identify their properties. Furthermore, the proposed solution is based on unrealistic scenarios without an agent. Our approach differs from the state of the art by proposing a generic method for learning interaction that is independent of the object and its properties, and can therefore be decoupled from the prediction phase. In particular, this leads to a completely unsupervised global pipeline.In the first phase, we propose to learn an interaction strategy with the object via an unsupervised reinforcement learning method, using an intrinsic motivation signal based on the idea of maximising variations in a state vector of the object. The aim is to obtain a set of interactions containing information that is highly correlated with the object's physical properties. This method has been tested on a simulated robot interacting by pushing and has enabled properties such as the object's mass, shape and friction to be accurately identified.In a second phase, we make the assumption that the true physical properties define a latent space that explains the object's behaviours and that this space can be identified from observations collected through the agent's interactions. We set up a self-supervised prediction task in which we adapt a state-of-the-art architecture to create this latent space. Our simulations confirm that combining the behavioural model with this architecture leads to the emergence of a representation of the object's properties whose principal components are shown to be strongly correlated with the object's physical properties.Once the properties of the objects have been extracted, the agent can use them to improve its efficiency in tasks involving these objects. We conclude this study by highlighting the performance gains achieved by the agent through training via reinforcement learning on a simplified object repositioning task where the properties are perfectly known.All the work carried out in simulation confirms the effectiveness of an innovative method aimed at autonomously discovering the physical properties of an object through the physical interactions of a robot. The prospects for extending this work involve transferring it to a real robot in a cluttered environment.