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使用归纳逻辑编程从演示中学习组合符号任务规则
Learning Compositional Symbolic Task Rules from Demonstrations with Inductive Logic Programming

作者: Oleh Borys, Karla Stepanova
arXiv: 2605.26828v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
从示范中学习(LfD)不仅应捕获任务的执行方式,还应解释所展示行为的高层任务结构。随着机器人自主性不断增强,此类任务表示必须具有可检查性、可重用性和人类可解释性。为此,我们研究如何通过将复杂任务分解为不同抽象(本体)层次上的一系列简单学习目标,利用归纳逻辑编程(ILP)来表示和学习机器人任务。该系统从示范和先验(领域)知识中推断符号规则,并在学习更高层次任务结构时重用已学规则。我们在一个合成积木组装场景中评估了该方法,结果表明所学抽象具有可解释性,并能强泛化到包含未见物体的更困难、保留的任务中。这些初步证据表明,分解式ILP是实现任务级LfD的可行方法。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 现有的**从演示中学习(Learning from Demonstration, LfD)** 方法主要关注任务执行方式,而忽略了高级任务结构,导致任务表示缺乏可检查性、可重用性和可解释性 - 机器人自主性要求任务表示能够被人类理解并轻松复用,但复杂任务通常难以直接学习其完整结构 - 需要一种方法能够从演示中自动提取符号化的任务规则,并支持组合与泛化到新场景
🔧 核心方法
- 采用**归纳逻辑编程(Inductive Logic Programming, ILP)** 作为核心学习框架,从演示数据和先验领域知识中推断符号规则 - 将复杂任务**分解(compositional decomposition)** 为不同抽象(本体)层次的简单学习目标,逐层递进学习 - 在高层任务结构学习过程中**重用(reuse)** 已学习的低层符号规则,形成组合式的任务表示
💡 核心创新
- **层次化分解学习**:首次将ILP应用于任务级LfD,通过本体层次分解降低单步学习复杂度,实现从简单规则到复杂任务结构的渐进构建 - **规则重用与组合**:学习到的低层规则可被高层任务学习直接复用,避免了重复推理,提升了学习效率与表示紧凑性 - **强泛化能力**:学到的符号任务规则能够泛化到包含**未见物体(unseen objects)** 的更困难、保留任务,验证了分解ILP在任务推理中的可迁移性
🏆 总体贡献
- 为**任务级从演示中学习(task-level LfD)** 提供了一种新的可解释、可组合的符号学习范式,填补了现有方法在高级结构捕获上的空白 - 在合成的积木组装场景中初步验证了分解ILP的可行性,展示了其生成可解释规则和支持强泛化的潜力 - 为后续将**符号推理(symbolic reasoning)** 与机器人学习结合提供了方法论基础,促进了可检查、可重用机器人任务表示的发展