Jim Fan全華人團(tuán)隊(duì)HOVER問世，1.5M小模型讓機(jī)器人獲「潛意識(shí)」！

作者：新智元 2024-11-04 14:35:00

來自英偉達(dá)、CMU、UC伯克利等的全華人團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)全新的人形機(jī)器人通用的全身控制器HOVER，僅用一個(gè)1.5M參數(shù)模型就可以控制人形機(jī)器人的身體。人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作之前只是外表看起來類人，現(xiàn)在有了HOVER，連底層運(yùn)動(dòng)邏輯都可以類人了！

1.5M參數(shù)模型就可以控制人形機(jī)器人的身體？！

英偉達(dá)高級(jí)科學(xué)家Jim Fan表示，并不是每個(gè)基礎(chǔ)模型都需要規(guī)模龐大。我們訓(xùn)練了一個(gè)擁有150萬參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來控制人形機(jī)器人的身體。

來自英偉達(dá)、CMU、UC伯克利等團(tuán)隊(duì)提出了HOVER（Humanoid Versatile Controller），一個(gè)人形機(jī)器人通用的全身控制器。

對(duì)于人類來說，行走、保持平衡、將手臂和腿移動(dòng)到期望的位置都需要大量的潛意識(shí)處理。

相應(yīng)地，對(duì)于人形機(jī)器人來說，實(shí)現(xiàn)全身控制需要適應(yīng)多種任務(wù)，比如導(dǎo)航、行走和桌面操作。

每種任務(wù)都需要不同的控制模式。例如，導(dǎo)航依賴于根速度（root velocity）或位置追蹤，而桌面操作則主要關(guān)注上半身關(guān)節(jié)角度的跟蹤。

現(xiàn)有的方法通常針對(duì)特定任務(wù)設(shè)計(jì)獨(dú)立策略，這不僅使機(jī)器人開發(fā)過程重復(fù)且耗時(shí)，還限制了最終全身控制器的多功能性。

例如，使用根速度跟蹤（root velocity tracking）在不平地形上進(jìn)行兩足行走的機(jī)器人，在需要精確雙臂操作的任務(wù)中會(huì)遇到困難，因?yàn)檫@些任務(wù)可能需要關(guān)節(jié)角度或末端執(zhí)行器跟蹤。

所有這些運(yùn)動(dòng)控制模式都應(yīng)用于同一個(gè)硬件平臺(tái)，自然會(huì)引出一個(gè)問題：能否創(chuàng)建一個(gè)支持所有控制模式的統(tǒng)一控制器，以結(jié)合每種模式的優(yōu)勢(shì)？

這并非一個(gè)簡單的挑戰(zhàn)，因?yàn)槊糠N模式在不同的指令空間內(nèi)運(yùn)行，直接集成并不可行。

然而，盡管控制接口有所不同，其底層運(yùn)動(dòng)目標(biāo)往往是一致的：即實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、類人的運(yùn)動(dòng)，以滿足人形機(jī)器人的控制需求。

由此，Jim Fan團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)關(guān)鍵見解：全身運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作模仿可以作為這些任務(wù)的共同抽象，為學(xué)習(xí)多種全身控制模式提供通用的運(yùn)動(dòng)技能。

在此基礎(chǔ)之上，他們提出了HOVER（Humanoid Versatile Controller，人形通用控制器），這是一個(gè)多模式策略蒸餾框架，能夠?qū)⒉煌目刂颇Ｊ秸蠟橐粋€(gè)統(tǒng)一的策略。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2410.21229

HOVER支持在各控制模式之間的無縫切換，同時(shí)保留每種模式的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為人形機(jī)器人在廣泛的模式下提供了一種穩(wěn)健且可擴(kuò)展的控制解決方案。

也就是說，Jim Fan團(tuán)隊(duì)在HOVER中捕捉到了一種和人類相似的「潛意識(shí)」，這種「潛意識(shí)」能夠?qū)W習(xí)如何協(xié)調(diào)人形機(jī)器人的電機(jī)以支持各種運(yùn)動(dòng)和操作。

人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作之前只是外表看起來類人，現(xiàn)在有了HOVER，連底層運(yùn)動(dòng)邏輯都可以類人了！

HOVER能夠切實(shí)地消除為每個(gè)控制模式單獨(dú)重新訓(xùn)練策略的需求，該方法提高了未來人形機(jī)器人應(yīng)用的效率和靈活性。

相比之下，HOVER支持所有的控制模式

問題定義與分析

Jin Fan團(tuán)隊(duì)將此問題表述為一個(gè)針對(duì)人形機(jī)器人控制的目標(biāo)條件強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）任務(wù)，并進(jìn)行了人形機(jī)器人控制的指令空間設(shè)計(jì)。

指令空間包括兩個(gè)主要控制區(qū)域——上半身和下半身控制——并且整合了三種不同的控制模式：

1. 運(yùn)動(dòng)學(xué)位置跟蹤：機(jī)器人關(guān)鍵剛體點(diǎn)的目標(biāo)三維位置。

2. 局部關(guān)節(jié)角度跟蹤：每個(gè)機(jī)器人馬達(dá)的目標(biāo)關(guān)節(jié)角度。

3. 根追蹤：目標(biāo)根速度、高度和姿態(tài)，由橫滾、俯仰和偏航角指定。

高亮的方框表示正在被跟蹤的活動(dòng)指令，而右側(cè)的虛線框所示的屏蔽機(jī)制可以選擇性地激活不同的指令空間，以適應(yīng)各種任務(wù)需求

訓(xùn)練過程

「Oracle」策略

在訓(xùn)練HOVER策略之前，首先通過大量人類運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)「Oracle」策略，使其能夠模仿人類的全身運(yùn)動(dòng)。

這一過程包括設(shè)計(jì)狀態(tài)空間、獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)以及應(yīng)用域隨機(jī)化來支持從仿真到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)換。

狀態(tài)空間設(shè)計(jì)：Oracle策略的狀態(tài)包括機(jī)器人身體的剛體位置、姿態(tài)、速度和上一時(shí)刻的動(dòng)作歷史。同時(shí)引入目標(biāo)狀態(tài)，用來定義參考姿態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)的差異，為機(jī)器人提供詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)計(jì)：獎(jiǎng)勵(lì)分為三部分：懲罰、正則化以及任務(wù)獎(jiǎng)勵(lì)。具體權(quán)重和細(xì)節(jié)見下列表格，用以確保機(jī)器人能夠有效地執(zhí)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)并減少誤差。

域隨機(jī)化：為了使仿真環(huán)境中學(xué)到的策略能夠成功轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)中，對(duì)模擬環(huán)境中的物理參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)化，以提高模型在現(xiàn)實(shí)世界中的泛化能力。

策略蒸餾與DAgger算法的應(yīng)用

在訓(xùn)練Oracle策略后，使用「蒸餾」過程將Oracle策略中的技能轉(zhuǎn)移到HOVER策略中，以使其能夠?qū)崿F(xiàn)多模式控制。

這個(gè)過程通過DAgger算法完成，該算法是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，用于使學(xué)生策略的動(dòng)作逐漸與Oracle策略對(duì)齊。

任務(wù)指令屏蔽：HOVER使用特定模式和稀疏性屏蔽來生成不同的任務(wù)指令模式，并通過這些屏蔽激活不同的指令空間組件，從而支持多模式控制。HOVER策略能夠在上半身和下半身的控制中選擇性地跟蹤某些關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

動(dòng)作對(duì)齊與優(yōu)化：在每個(gè)時(shí)間步，學(xué)生策略從Oracle策略中獲取目標(biāo)動(dòng)作，通過最小化目標(biāo)動(dòng)作和當(dāng)前動(dòng)作的差距來更新自身，從而優(yōu)化策略的表現(xiàn)。此過程的核心是將Oracle策略的優(yōu)點(diǎn)有效地轉(zhuǎn)移到HOVER策略中，使其能夠支持多種控制模式的無縫切換。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)主要圍繞3個(gè)問題展開：

Q1：HOVER作為一種通用策略，能否在特定指令配置下表現(xiàn)優(yōu)于其他策略？

Q2：HOVER能否優(yōu)于其他多模式人形機(jī)器人控制器的訓(xùn)練方法？

Q3：HOVER能否遷移到真實(shí)硬件上并執(zhí)行多樣的多模式控制？

A1：與特定控制模式的比較

與已有研究工作中特定控制模式策略的比較

Jim Fan團(tuán)隊(duì)將HOVER策略在不同控制模式下的表現(xiàn)與相應(yīng)的特定策略進(jìn)行了比較。

例如，HOVER在ExBody模式下的表現(xiàn)通過固定屏蔽來匹配ExBody模式，并在整個(gè)數(shù)據(jù)集Q?上進(jìn)行評(píng)估。

HOVER在各種控制模式下表現(xiàn)出優(yōu)越的泛化能力。在每個(gè)指令模式下，HOVER至少在12項(xiàng)指標(biāo)中的7項(xiàng)上優(yōu)于此前工作的特定控制器，顯著性指標(biāo)在下表中以粗體標(biāo)出。

HOVER與基線方法在數(shù)據(jù)集Q?上的仿真運(yùn)動(dòng)模仿評(píng)估

HOVER在不同控制模式中的一致優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)了其多功能性。此外，即使僅在單一控制模式下，基于Oracle策略的蒸餾方法仍優(yōu)于RL訓(xùn)練的特定策略。

與其他常用控制模式特定策略的比較

除了前述基線之外，Jim Fan團(tuán)隊(duì)還評(píng)估了四種附加模式：左手模式、右手模式、雙手模式和頭部模式。他們分別訓(xùn)練了四個(gè)RL特定策略以單獨(dú)跟蹤這些模式。

左手模式、雙手模式、右手模式

下表的結(jié)果表明，HOVER在跟蹤特定指令配置的指標(biāo)上持續(xù)優(yōu)于這些特定策略。

A2：與其他通用訓(xùn)練方法的比較

Jim Fan團(tuán)隊(duì)將HOVER與一種多模式RL基線進(jìn)行比較，該基線采用相同的指令屏蔽過程，但從零開始以RL目標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練。

在下圖中，他們?cè)u(píng)估了四項(xiàng)指標(biāo)的跟蹤誤差：根部姿態(tài)、上半身關(guān)節(jié)角度、局部身體位置和全局身體位置，測(cè)量于八種不同模式下。

結(jié)果顯示，HOVER在32項(xiàng)指標(biāo)和模式中的跟蹤誤差始終較低。這一性能提升表明，從跟蹤全身運(yùn)動(dòng)學(xué)的Oracle策略中蒸餾出通用全身控制器具有重要意義。

A3：真實(shí)環(huán)境評(píng)估

Jin Fan團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了定量的跟蹤實(shí)驗(yàn)和定性的行走測(cè)試，以評(píng)估HOVER多模式控制能力。

站立運(yùn)動(dòng)評(píng)估

他們?cè)谡鎸?shí)環(huán)境中評(píng)估HOVER的性能，測(cè)試了數(shù)據(jù)集Q?中的20種不同站立運(yùn)動(dòng)。

其中兩種運(yùn)動(dòng)在下圖中有視覺示例。如下圖中間所示，他們展示了根部俯仰運(yùn)動(dòng)的成功跟蹤；在下圖右側(cè)展示了全身運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤，機(jī)器人能夠跟蹤高度動(dòng)態(tài)的跑步運(yùn)動(dòng)。

下表中展示的定量指標(biāo)表明，HOVER在12項(xiàng)指標(biāo)中有11項(xiàng)優(yōu)于特定策略。

多模式評(píng)估

Jim Fan團(tuán)隊(duì)還評(píng)估了HOVER在行走任務(wù)中的泛化能力。他們?cè)诓僮鬟^程中突然切換指令模式，以模擬真實(shí)場(chǎng)景。

如下圖(a)中，HOVER成功在前進(jìn)行走時(shí)從ExBody模式切換到H2O模式；

(b)中，在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎和后退行走時(shí)，從HumanPlus模式切換到OmniH2O模式。

此外，他們使用Vision Pro進(jìn)行了一個(gè)真實(shí)的遠(yuǎn)程操作演示，隨機(jī)屏蔽了頭部和手部的位置。例如，下圖(c)中間，機(jī)器人在頭部模式下僅跟蹤人的頭部位置，忽略揮動(dòng)的手部動(dòng)作。

結(jié)果表明，HOVER能夠在不同模式下平穩(wěn)地跟蹤運(yùn)動(dòng)，展示出其在真實(shí)場(chǎng)景中的穩(wěn)健性。

作者介紹

Tairan He

共同一作Tairan He是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的二年級(jí)博士生，由Guanya Shi教授和Changliu Liu教授指導(dǎo)。他同時(shí)也是NVIDIA GEAR小組的成員。該小組由Jim Fan和Yuke Zhu領(lǐng)導(dǎo)。

此前，他在上海交通大學(xué)獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位，導(dǎo)師是Weinan Zhang。并曾在微軟亞洲研究院工作過一段時(shí)間。

他的研究目標(biāo)是打造能改善每個(gè)人生活質(zhì)量的機(jī)器人；重點(diǎn)是如何為機(jī)器人構(gòu)建數(shù)據(jù)飛輪，使其獲得媲美人類的運(yùn)動(dòng)能力和語義理解能力，以及如何讓機(jī)器人既能安全可靠，又能靈活適應(yīng)各種環(huán)境，具備通用性和敏捷性來完成各類實(shí)用任務(wù)；采用的是隨計(jì)算能力和數(shù)據(jù)規(guī)模擴(kuò)展的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。