原始课件 · 逐页中英对照

第7章 · 原课件与完整中文翻译

上方为英文原页,下方为对应的完整中文翻译,标题、正文、图内文字和公式按原页顺序排列。

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具身智能导论

第7讲——视觉与抓取 III

王鹤教授

具身感知与交互实验室|2025年春季

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抓取数据合成

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术语
  • 抓取位姿定义手的位置和朝向。
    • 4自由度抓取:三维位置,以及与重力方向对齐的一维手朝向,也称“自上而下抓取”。
    • 6自由度抓取:由三维位置与三维朝向定义。
  • 力闭合意味着:抓取在一组有摩擦接触上能够施加的力,足以补偿作用于物体的任意外部力旋量。

灵巧手|平行夹爪|自上而下|6自由度抓取

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力闭合
  • 在物理学中:
    • 给定作用在刚体上的一组有摩擦接触,如果力旋量锥的正张成覆盖整个力旋量空间,则该接触组处于力闭合。
    • 如果一个刚体被一组刚性固定夹具完全固定,则称其处于形闭合。
  • 如果所有接触均无摩擦,力闭合条件与一阶形闭合条件相同。
  • 机器人手规划抓取时,力闭合是合适的最低要求。形闭合通常过于严格,需要太多接触。
  • 简单地说:成功抓取 ≤ 力闭合 ≤ 形闭合。

https://modernrobotics.northwestern.edu/nu-gm-book-resource/12-2-3-force-closure

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力闭合
  • 简化的二维问题。

无摩擦接触的二维抓取

  • ✓ 三个可能的力向量,其中两个线性独立。
  • × 每个接触均施加非零力时,无法产生零合力。
  • × 原点不在可能施加力的空间内部。

一个有摩擦接触与一个无摩擦接触构成的二维抓取

  • ✓ 三个可能的力向量,其中两个线性独立。
  • ✓ 每个接触均施加非零力时,能够产生零合力。
  • ✓ 原点位于可能施加力的空间内部。

观看:https://www.youtube.com/watch?v=6RWFFMtD5k8

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数据集
  • 标注真实数据。
  • 生成带抓取标签的合成数据。
    • 根据物体几何采样候选抓取。
    • 用物理模拟器评估这些候选。
    • 将构成力闭合的抓取标为正例。

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物体数据集

合成数据集

物体集合:不带抓取标注。

ShapeNet|ModelNet

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物体数据集

Objaverse-XL:1000万以上三维物体。

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抓取数据集

合成数据集

ACRONYM:带抓取标注。

C. Eppner、A. Mousavian、D. Fox:《ACRONYM:基于仿真的大规模抓取数据集》,ICRA 2021。

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抓取数据集

真实数据集

  • GraspNet-1Billion:带抓取标注。

物体模型;视角1、视角2;多视角;Kinect4A、RealSense;多相机;RGB彩色图;深度;点云;6D位姿;6自由度抓取位姿;实例掩码;基于矩形的抓取位姿。

H.-S. Fang、C. Wang、M. Gou、C. Lu:《GraspNet-1Billion:通用物体抓取的大规模基准》,CVPR 2020。

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GraspNet-1Billion:抓取标注如何生成?

抓取位姿标注管线

  • 首先从点云采样抓取点。
  • 随后采样并评估抓取视角、平面内旋转和夹爪深入距离。最后利用每个物体的6D位姿,将抓取投影到场景中。
  • 还进行碰撞检测,以避免抓取与背景或其他物体碰撞。

抓取点采样 → 抓取生成与标注 → 抓取投影 / 碰撞检测。

抓取视角采样|平面内旋转采样|夹爪深入距离采样。

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抓取检测

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抓取检测

由于抓取分布具有多峰性,将抓取表述为检测问题。

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视觉输入表示

体素网格

  • 体素表示规则三维网格中的一个值。体素网格类似三维空间中的图像:体素类似像素,但位于三维网格而非二维图像。
  • 网络:VGN。
  • 显式几何;受体积分辨率限制。

TSDF截断符号距离场|质量|朝向|宽度|检测到的抓取。

M. Breyer、J. J. Chung、L. Ott、R. Siegwart、J. Nieto:《体积抓取网络:杂乱场景中的实时6自由度抓取检测》,CoRL 2020。

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视觉输入表示

点云

  • 骨干网络:PointNet、PointNet++。
  • 网络:GraspNet-baseline。
  • 显式几何;传感器噪声、深度误差(镜面反射/透明)。

PointNet

分类网络:输入点 n×3 → 输入变换 → 多层感知机(64,64),共享 → 特征变换 → 多层感知机(64,128,1024),共享 → 最大池化 → 1024维全局特征 → 多层感知机(512,256,k) → 输出分数 k。T-Net:3×3变换、64×64变换;矩阵乘法。

分割网络:点特征;n×1088 → 多层感知机(512,256,128),共享 → n×128 → 多层感知机(128,m),共享 → 输出分数 n×m。

PointNet++

分层点集特征学习:采样与分组 → PointNet → 集合抽象;采样与分组 → PointNet → 集合抽象。分割:插值 → 单位PointNet → 插值 → 单位PointNet → 逐点分数;跳跃链接拼接。分类:PointNet → 全连接层 → 类别分数。

GraspNet-baseline

输入:N个点 → 点编码器 / 点解码器 → M个样本及其特征 → 接近方向网络ApproachNet → 接近方向分数 → 分组与对齐 → K个分组簇 → 操作网络OperationNet / 容错网络ToleranceNet → 筛选 → 输出K′个抓取。物体性、V个接近向量、操作参数、抓取亲和场。维度:N×3、M×(3+C)、M×(2+V)、nᵢ×(3+C)、K×(12×R)、K×R×2。

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视觉输入表示

图像

  • 仅RGB:MonoGraspNet。
  • 多视角RGB:GraspNeRF。
  • 隐式几何。

MonoGraspNet

RGB输入;关键点网络;法线网络;裁剪;热图+RGB图;二维关键点;ROI对齐;CNN骨干;深度、角度、宽度;表面法线;三维关键点;三维视图、二维视图。

GraspNeRF

稀疏多视角RGB输入(6个视角);编码器;场景表示构建模块 F_scene:图像特征体 Vᵢ → 多视角特征聚合网络 → 聚合特征体 V_A → TSDF预测网络 → TSDF V_TSDF。体积抓取检测模块 F_grasp:抓取检测网络 → q、R、w;抓取损失、几何损失、颜色损失。体渲染:TSDF转密度 → σ;颜色预测网络 → c;射线距离。

Zhai G、Huang D、Wu S C等:《MonoGraspNet:利用单张RGB图像进行6自由度抓取》,arXiv:2209.13036,2022。

Dai Q.、Zhu Y.、Geng Y.、Ruan C.、Zhang J.、Wang H.:《GraspNeRF:利用可泛化NeRF,基于多视角检测透明与镜面物体的6自由度抓取》,arXiv:2210.06575。

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指标
  • 成功率
    • 成功执行抓取的比例。
  • 清理率
    • 每轮移除物体的百分比。
  • 规划时间
    • 从接收输入到返回抓取的时间。

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体积抓取网络:杂乱场景中的实时6自由度抓取检测(VGN)

深度传感器|TSDF截断符号距离场|质量|朝向|宽度|检测到的抓取。

M. Breyer、J. J. Chung、L. Ott、R. Siegwart、J. Nieto:《体积抓取网络:杂乱场景中的实时6自由度抓取检测》,CoRL 2020。

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VGN

如何定义抓取?

  • 用以下量定义抓取g:
    • 位置t(体积中的索引)。
    • 朝向r(四元数)。
    • 夹爪张开宽度w。
  • 每个位姿关联标量q∈[0,1],表示抓取成功概率。
  • 体积边界对应抓取工作空间的边界。

张开宽度|手指深入距离。

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VGN

检测网络

  • 输入表示为由多视角深度图融合得到的TSDF体积。
  • 输出是三个体积,各体素分别包含质量、朝向、宽度。
  • 采用三维全卷积网络编码器—解码器架构。
  • 训练损失与S4G类似。

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VGN

后处理

  • 用三维高斯核平滑抓取质量张量,使高抓取质量区域的抓取更受偏好。
  • 掩蔽距最近表面小于手指深入距离的体素。
  • 应用非极大值抑制。

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VGN

合成数据生成

  • 使用PyBullet模拟器,以“堆叠”和“紧密排列”两种策略创建用于仿真抓取试验的虚拟场景。
  • 从真值点云中采样一个点及其法线。
  • 围绕法线测试6种抓取朝向:在给定位姿生成夹爪。
  • 导致与环境碰撞的位姿标为负例。

堆叠|紧密排列。

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VGN

真实演示。

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VGN
  • 由于多视角观测,对遮挡更鲁棒。
  • 受预定义工作空间限制。
  • 受体积分辨率限制。

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GS-Net

为快速准确的抓取检测发现杂乱场景中的可抓取性(ICCV 2021)。

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GS-Net
  • 自然场景中的抓取位姿检测,可视为两阶段问题。
  • 在哪里抓:具有高可抓取性的位置。
  • 怎样抓:确定抓取参数,例如平面内旋转、接近深度、抓取分数和夹爪宽度。

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可抓取性发现
  • 一种新的几何质量指标——可抓取性,用于区分杂乱场景中的可抓区域。
  • 对于点集P,V个接近方向均匀分布在球面空间。
  • 逐点可抓取性分数:$S^p=\{s_i^p\mid s_i^p\subset[0,1],i=1,\ldots,N\}$。
  • 逐视图可抓取性分数:$S^v=\{s_i^v\mid s_i^v\subset[0,1]^V,i=1,\ldots,N\}$。

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可抓取性度量
  • 单物体可抓取性。

$\tilde s_i^p=\frac{\sum_{j=1}^V\sum_{g\in\mathbf G_{i,j}}\mathbf1(g)}{\sum_{j=1}^V|\mathbf G_{i,j}|},\ i=1,\ldots,N.$

$\tilde s_i^v=\{\frac{\sum_{g\in\mathbf G_{i,j}}\mathbf1(g)}{|\mathbf G_{i,j}|}\mid1\le j\le V\},\ i=1,\ldots,N.$

  • 对每个抓取,利用力分析模型计算抓取质量分数。

$\tilde s_i^p=\frac{\sum_{j=1}^V\sum_{k=1}^L\mathbf1(q_k^{i,j}>c)}{\sum_{j=1}^V|\mathcal G_{i,j}|},\ i=1,\ldots,N.$

$\tilde s_i^v=\{\frac{\sum_{k=1}^L\mathbf1(q_k^{i,j}>c)}{|\mathcal G_{i,j}|}\mid1\le j\le V\},\ i=1,\ldots,N.$

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可抓取性度量
  • 场景级可抓取性。
  • 通过碰撞检查评估每个抓取,并赋予碰撞标签。

$\tilde s_i^p=\frac{\sum_{j=1}^V\sum_{k=1}^L\mathbf1(q_k^{i,j}>c)\cdot\mathbf1(c_k^{i,j})}{\sum_{j=1}^V|\mathcal G_{i,j}|},\ i=1,\ldots,N.$

$\tilde s_i^v=\{\frac{\sum_{k=1}^L\mathbf1(q_k^{i,j}>c)\cdot\mathbf1(c_k^{i,j})}{|\mathcal G_{i,j}|}\mid1\le j\le V\},\ i=1,\ldots,N.$

  • 根据物体6D位姿将物体点投影到场景中。
  • 对场景中的每个点,关联最近的投影物体点。

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GSNet架构

骨干网络

  • ResUNet14基于MinkowskiEngine构建。
  • 含残差块的U形架构。
  • 对于N×3点云,提取C通道特征,输出大小为N×(3+C)的点集。

点编码器|点解码器|输入点云|输出逐点特征。

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稀疏卷积
  • 三维点云中的大多数体素为空,因此三维体素中的点云数据通常是稀疏信号。
  • 高效地在稀疏数据上计算卷积,而不是扫描所有图像像素或空间体素。
  • 只有当卷积核覆盖一个活跃输入位置时才计算卷积输出。

输入|输出|稀疏卷积|卷积核。

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GSNet架构

可抓点最远点采样

  • 一个多层感知机生成逐点可抓取性分布,输出:
    • 可抓取性分布(N×1)。
    • 二分类物体性分数(N×2)。
  • 选择可抓取性分数高于阈值的点,采用最远点采样,使采样点间距离最大化。
  • 采样M个种子点,每点带(3+C)维特征。

点云|逐点可抓取性分布|可抓点最远点采样|种子点;N×(3+C)、M×(3+C)。

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GSNet架构

可抓取性概率化视图选择

  • 利用斐波那契网格从单位球面采样V个视图。
  • 一个多层感知机输出M×V向量作为逐视图可抓取性分布,并输出M×C残差特征用于抓取生成。
  • 将所有视图的可抓取性分数归一化到(0,1)作为概率分数,利用概率化视图选择(PVS)获得最佳视图。

种子点|逐视图可抓取性分布|概率化视图选择|选定视图;M×(3+C)、M×V、M×C。

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GSNet架构

从种子点进行圆柱分组

  • 对于M个点—视图对中的每一对,利用固定高度和半径的圆柱分组并采样K个点。
  • 抓取候选大小:M×K×(3+C)。
    • 以圆柱半径归一化点坐标。
    • 特征向量。

圆柱分组|抓取候选|选定视图。

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GSNet架构

从候选生成抓取

  • 利用多层感知机与最大池化层处理抓取候选。
  • 用多层感知机输出不同(平面内旋转)—(接近深度)组合的分数与宽度。
  • 输出大小M×(A×D×2),其中A为平面内转角数量,D为夹爪深入距离数量,2表示分数与宽度。

角度—深度搜索|输出抓取位姿|多层感知机|最大池化。

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GSNet

GSNet定性结果

真实抓取实验

编号物体数尝试数成功率
4,10,22,32,36,5766100%
2,38,58,59,61,696785.7%
34,37,64,66,68,72,777977.8%
0,2,23,29,39,56,6277100%
1,10,40,41,44,48,65,6988100%
3,9,10,23,33,42,63,688988.9%
总计424691.3%

表7:杂乱场景抓取结果。#Objects表示物体数量,#Attempts同样表示尝试数量。

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GSNet

分布类型

分布平均精度AP
物体级55.33
场景级59.70

视图可抓取性类型

视图可抓取性平均精度AP
平均分50.62
最高分56.95
可行比例59.70

GraspNet-1Billion上的推理速度。“CGM”为级联可抓取性模型,“GOM”为抓取操作模型。

相机CGMGOM总计
RealSense0.08秒0.02秒0.10秒
Kinect0.10秒0.02秒0.12秒

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GSNet

结论

  • 一种新的几何质量指标,称为可抓取性。
  • 采用向前看搜索方法度量可抓取性。
  • 开发端到端网络,将可抓取性融入抓取位姿检测问题。
  • 独立模型学习可抓取性分布。

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条件抓取生成模型

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数据:DexGraspNet 2.0

DexGraspNet 2.0:在大规模合成杂乱场景中学习生成式灵巧抓取

我们提出DexGraspNet 2.0:在大规模合成杂乱场景中学习生成式灵巧抓取。

投稿中。

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基于扩散的灵巧手位姿生成

推理

种子点提议:点云P(N×3)→ ResUNet14编码器 / 解码器 → 局部特征N×C → 可抓取性多层感知机 → 可抓取性GS(N×1)与物体性O(N×2);可抓取性前1%、最远点采样;种子特征f_s(M×C)。

抓取位姿生成:条件生成;扩散;g_E¹ → v_θ → g_E⁰;GS_E:12维,R:3×3,奇异值分解SVD;关节多层感知机 → θ:16维 → 抓取位姿g_r。

训练

真值可抓取性GS^gt、物体性O^gt、抓取g(T,R,θ)^gt;点云P(N×3)→ ResUNet14编码器 / 解码器 → 可抓取性多层感知机;对应点P_correspond;扩散的时间t、g_Eᵗ、g_E⁰及预测v_θ和真值v_gt;关节多层感知机。

总损失:$L=\lambda_oL_o+\lambda_gL_g+\lambda_dL_d+\lambda_\theta L_\theta$。

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方法

阶段1:在哪里抓

  • 使用稀疏卷积获得局部特征。
  • 预测可抓取性与物体性分数。
  • 物体性:是否为物体上的点。
  • 可抓取性:是否可能成为种子点。
    • 由邻近真值种子点累积得到。

推理

种子点提议:点云P(N×3)→ ResUNet14编码器 / 解码器 → 局部特征N×C → 可抓取性多层感知机 → 可抓取性GS(N×1)与物体性O(N×2);可抓取性前1%、最远点采样;种子特征f_s(M×C)。

抓取位姿生成:条件生成;扩散;g_E¹ → v_θ → g_E⁰;GS_E:12维,R:3×3,奇异值分解SVD;关节多层感知机 → θ:16维 → 抓取位姿g_r。

训练

真值可抓取性GS^gt、物体性O^gt、抓取g(T,R,θ)^gt;点云P(N×3)→ ResUNet14编码器 / 解码器 → 可抓取性多层感知机;对应点P_correspond;扩散的时间t、g_Eᵗ、g_E⁰及预测v_θ和真值v_gt;关节多层感知机。

总损失:$L=\lambda_oL_o+\lambda_gL_g+\lambda_dL_d+\lambda_\theta L_\theta$。

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方法

阶段2:怎样抓

  • 仅使用阶段1的局部特征。
  • 预测残差位置T、旋转R与手指关节角θ。
  • 为处理多峰抓取位姿分布,使用扩散模型生成T和R。
  • 随后直接预测θ。

推理

种子点提议:点云P(N×3)→ ResUNet14编码器 / 解码器 → 局部特征N×C → 可抓取性多层感知机 → 可抓取性GS(N×1)与物体性O(N×2);可抓取性前1%、最远点采样;种子特征f_s(M×C)。

抓取位姿生成:条件生成;扩散;g_E¹ → v_θ → g_E⁰;GS_E:12维,R:3×3,奇异值分解SVD;关节多层感知机 → θ:16维 → 抓取位姿g_r。

训练

真值可抓取性GS^gt、物体性O^gt、抓取g(T,R,θ)^gt;点云P(N×3)→ ResUNet14编码器 / 解码器 → 可抓取性多层感知机;对应点P_correspond;扩散的时间t、g_Eᵗ、g_E⁰及预测v_θ和真值v_gt;关节多层感知机。

总损失:$L=\lambda_oL_o+\lambda_gL_g+\lambda_dL_d+\lambda_\theta L_\theta$。

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灵巧抓取位姿扩散模型

DexGraspNet 2.0:在大规模合成杂乱场景中学习生成式灵巧抓取

我们提出DexGraspNet 2.0:在大规模合成杂乱场景中学习生成式灵巧抓取。

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实验
  • 在DexGraspNet 2.0基准达到最先进水平。
组别方法GraspNet密集GraspNet随机GraspNet疏松ShapeNet密集ShapeNet随机ShapeNet疏松
基线HGC-Net [8]46.037.826.746.444.830.4
基线GraspTTA† [11]62.554.142.856.657.846.4
基线ISAGrasp† [5]63.460.751.464.056.352.7
消融局部特征16.810.94.821.317.610.9
消融分解模型84.280.771.374.972.566.4
消融随机场景90.084.168.278.978.871.3
本文本文方法90.683.773.281.085.474.2

表1:灵巧抓取的基线与消融研究。†表示修改过的基线。消融研究围绕表格下半部分的三个方面进行。每个密集场景含8—11个物体;每个随机场景含1—10个物体,通过从密集场景删除物体获得;每个疏松场景含1—2个物体。

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抓取数据的规模规律
  • 探索扩大抓取位姿数量和场景数量的影响。
  • 使用更少位姿/场景时,性能显著下降。

使用的总场景比例:成功率(%)

比例本文方法ISAGrasp+局部特征
1/12852.841.1
1/6468.152.7
1/3276.860.0
1/1679.963.5
1/881.463.6
1/483.565.3
1/284.865.4
185.866.1

使用的总抓取比例:成功率(%)

比例本文方法ISAGrasp+局部特征
1/1000058.156.5
1/100074.561.3
1/10083.564.1
1/1084.665.5
185.866.1

Lecture 07 · PDF p47

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实验
  • 我们的方法可用于具有不同形态的机器人。
  • 对于平行夹爪,我们的方法能够达到与GSNet相近的性能,并优于其他方法。
方法已见物体AP相似物体AP新物体AP
GG-CNN [31]15.5/16.913.3/15.15.5/7.4
Chu等[32]16.0/17.615.4/17.47.6/8.0
GPD [33]22.9/24.421.3/23.28.2/9.6
PointGPD [34]26.0/27.622.7/24.49.2/10.7
GraspNet1B [15]27.6/29.926.1/27.810.6/11.5
GSNet [13]67.1/63.554.8/49.224.3/19.8
GSNet [13]*68.759.824.6
本文方法56.053.223.2
本文方法 # *66.6/61.561.7/53.327.4/23.2
GSNet(渲染)*78.469.736.7
本文方法(渲染)# *77.472.539.1

表2:GraspNet-1Billion实验结果。*表示采用分数大于0.9的抓取;#表示采用精化位姿;“渲染”表示使用渲染深度图。表中统计采用RealSense/Kinect格式,单个数字的结果使用RealSense设置。

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真实实验

DexGraspNet 2.0:在大规模合成杂乱场景中学习生成式灵巧抓取

我们提出DexGraspNet 2.0:在大规模合成杂乱场景中学习生成式灵巧抓取。

Lecture 07 · PDF p49

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真实实验

与夹爪比较

灵巧手有更强的包裹能力。

末端执行器普通大型
平行夹爪92.40.0
灵巧手81.5100.0

Lecture 07 · PDF p50

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小结

主要贡献

  • 杂乱场景灵巧抓取的大规模基准:7500个合成训练场景与670个测试场景。
  • 提出端到端生成式抓取预测管线。
    • 通过扩散模型生成手腕6D位姿。
    • 在手腕位姿条件下回归手关节姿态。

局限

  • 限于力量型/包裹式抓取。
  • 数据仅覆盖力闭合情况。

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漫反射物体的可泛化抓取

Fang, Hao-Shu等:《GraspNet-1Billion:通用物体抓取的大规模基准》,IEEE/CVF计算机视觉与模式识别会议论文集,2020。

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深度感知问题

RGB彩色图|深度|点云|镜面反射。

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演示:机器人抓取

仅GraspNet-baseline。

Lecture 07 · PDF p54

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演示:机器人抓取

精化点云+GraspNet-baseline。

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数据生成(STD-GraspNet)

Lecture 07 · PDF p56

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DREDS:域随机化

物体布局随机化:物体实例、排列。

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DREDS:域随机化

物体材质随机化:BSDF(双向散射分布函数)。

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DREDS:域随机化

背景随机化。

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DREDS:域随机化

光照随机化。

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DREDS:域随机化

相机视角随机化。

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ASGrasp:利用RGB-D主动立体相机进行可泛化透明物体重建与6自由度抓取检测

Jun Shi¹、Yong A¹、Yixiang Jin¹、Dingzhe Li¹、Haoyu Niu¹、Zhezhu Jin¹、He Wang†²˒³˒⁴

¹ 三星中国研究院,北京(SRC-B)

² 北京大学计算机学院前沿计算研究中心(CFCS)|³ Galbot

⁴ 北京智源人工智能研究院(BAAI)

†:通讯作者。

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ASGrasp管线

场景重建模块F₁

RGB彩色图I_c → 编码器 → 上下文F_c。左红外图I_ir_l → 编码器 → 特征F_ir_l;右红外图I_ir_r → 编码器 → 特征F_ir_r。相关金字塔C₁…C_n…C₀;Δ₁、Δ₂;几何损失L_geo。第一层深度图D₁ → 可见点云P_visible;第二层深度图D₂ → 不可见点云P_invisible;完整点云P_comp。

抓取检测模块F₂

GSNet F_gsnet → 抓取位姿g;抓取损失L_grasp;内积〈·,·〉。

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真实世界实验

全球首个材料无关抓取方法。

成功率>95%。

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中文翻译

十倍速|抓取位姿|RViz可视化。

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中文翻译

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D³RoMa:用于材料无关机器人操作的视差扩散深度感知

CoRL 2024

方法:几何引导的视差扩散

$x_T\sim\mathcal N(0,I)$;$\tilde D,I_l,I_r$;去噪网络;$-\frac1{\sqrt{1-\bar\alpha_t}}\epsilon^*$;立体匹配;$\nabla_{x_t}\mathcal L_{sm}$;$\nabla_{x_t}\log p(x_t\mid I_l,I_r,\tilde D)$;反向采样;循环t;$t\leftarrow t-1$;最终预测$x_0$。

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仿真到真实实验

(a)RealSense D415;(b)RealSense D435。

RGB彩色图|原始深度|D³RoMa(本文方法)|DepthAnything|Marigold|ZoeDepth。

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结果可视化

原始深度|D3RoMA。

* 使用RealSense D415采集。

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具身智能导论

下周:第7讲,视觉与抓取 III。

具身感知与交互实验室|2025年春季