一塊GPU訓(xùn)練，15分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)境遷移，人形機(jī)器人端到端控制新策略來了！

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文丨譚梓馨

大規(guī)模并行仿真已將機(jī)器人強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）的訓(xùn)練時(shí)間從數(shù)天縮短至數(shù)分鐘。

然而，由于高維性、域隨機(jī)化等因素帶來的挑戰(zhàn)，在人形機(jī)器人控制方面實(shí)現(xiàn)快速且可靠的仿真實(shí)境遷移（Sim2Real）仍面臨困難。

近日，Amazon FAR團(tuán)隊(duì)提出一種基于離策略強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法（即FastSAC與 FastTD3）的簡潔實(shí)用方案，僅需單塊RTX 4090 GPU，即可在15分鐘內(nèi)快速訓(xùn)練出人形機(jī)器人移動(dòng)控制策略。

研究人員在宇樹G1（Unitree G1）和加速進(jìn)化T1（Booster T1）機(jī)器人上驗(yàn)證了該方案的有效性。在強(qiáng)域隨機(jī)化條件下，如動(dòng)力學(xué)隨機(jī)化、崎嶇地形、推力擾動(dòng)等，可實(shí)現(xiàn)端到端的人形機(jī)器人控制策略快速學(xué)習(xí)，同時(shí)也支持全身人體運(yùn)動(dòng)跟蹤策略的快速訓(xùn)練，該方案開源發(fā)布在Holosoma代碼庫中。

極簡策略，給訓(xùn)練提提速

仿真實(shí)境遷移（Sim2Real）開發(fā)本質(zhì)上是一個(gè)迭代過程：在仿真環(huán)境中訓(xùn)練策略并部署到硬件后，會(huì)暴露出未建模動(dòng)力學(xué)、感知誤差等域差異問題。

隨后需通過改進(jìn)仿真環(huán)境修正這些差異，這就要求重新訓(xùn)練整個(gè)流程，由于這類迭代需持續(xù)至策略達(dá)到可靠水平，因此快速仿真成為保障迭代可行性的關(guān)鍵前提。

盡管現(xiàn)代并行仿真器具備高效特性，但這些迭代周期在實(shí)際應(yīng)用中仍存在較高成本，尤其適用于人形機(jī)器人等高維系統(tǒng)時(shí)，而想要實(shí)現(xiàn)策略向真實(shí)世界的魯棒遷移，訓(xùn)練時(shí)間又要重回?cái)?shù)小時(shí)級(jí)別。

因此，盡管并行仿真在原始吞吐量上實(shí)現(xiàn)了顯著提升，但人形機(jī)器人領(lǐng)域控制實(shí)現(xiàn)快速、可靠的仿真實(shí)境遷移迭代仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

這項(xiàng)研究提出的FastSAC and FastTD3方案，將人形機(jī)器人仿真實(shí)境遷移的迭代時(shí)間重新縮短至分鐘級(jí)。
FastSACFastTD3是流行的離策略強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法SAC和TD3的高性能變體，針對(duì)大規(guī)模并行仿真訓(xùn)練進(jìn)行了優(yōu)化。
該方案采用大規(guī)模并行仿真對(duì)FastSAC與FastTD3智能體進(jìn)行訓(xùn)練。研究發(fā)現(xiàn)，增加并行環(huán)境數(shù)量的效果在具有挑戰(zhàn)性的全身運(yùn)動(dòng)跟蹤任務(wù)中尤為顯著，此外，在每個(gè)仿真步驟中執(zhí)行更多梯度更新步驟通常能加快訓(xùn)練收斂速度。

訓(xùn)練SAC或TD3等離策略強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法時(shí)，一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)是為其雙曲正切（Tanh）策略設(shè)置合理的動(dòng)作邊界，研究人員提出一種簡潔技術(shù)：在使用比例-微分（PD）控制器時(shí)，基于機(jī)器人的關(guān)節(jié)限位來設(shè)定動(dòng)作邊界。
他們計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的限位與默認(rèn)位置之間的差值，并將該差值作為對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的動(dòng)作邊界，實(shí)驗(yàn)表明，該方法可有效降低FastSAC與FastTD3訓(xùn)練過程中動(dòng)作邊界的調(diào)參需求。
人形機(jī)器人移動(dòng)控制與全身控制的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)上依賴復(fù)雜的獎(jiǎng)勵(lì)塑形技術(shù)，通常包含20余項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)，這項(xiàng)研究證實(shí)：通過大幅簡化的目標(biāo)函數(shù)（不足10項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)），即可讓機(jī)器人產(chǎn)生魯棒且自然的行為。

具體而言，該方案遵循極簡獎(jiǎng)勵(lì)設(shè)計(jì)理念——僅在必要時(shí)添加獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)，并力求在不同算法與機(jī)器人之間保持近乎一致的獎(jiǎng)勵(lì)集合，設(shè)計(jì)目標(biāo)并非強(qiáng)制機(jī)器人遵循特定運(yùn)動(dòng)模式，而是在保留行為多樣性的前提下，為魯棒移動(dòng)控制與全身控制提供足夠的約束結(jié)構(gòu)。

更少的獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)還能簡化超參數(shù)調(diào)優(yōu)過程，支持快速遍歷超參數(shù)空間，這對(duì)于仿真實(shí)境遷移的迭代效率至關(guān)重要。
而針對(duì)全身運(yùn)動(dòng)跟蹤任務(wù)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，以速度推力形式引入外部擾動(dòng)，可進(jìn)一步提升仿真實(shí)境遷移的魯棒性。

時(shí)間雖短，但效果很好

研究人員在單塊RTX 4090 GPU上，僅用15分鐘便完成了端到端的完整人形機(jī)器人移動(dòng)控制策略訓(xùn)練——訓(xùn)練過程涵蓋動(dòng)力學(xué)隨機(jī)化、崎嶇地形、推力擾動(dòng)等強(qiáng)域隨機(jī)化條件，并融入自動(dòng)動(dòng)作頻率學(xué)習(xí)機(jī)制。

來看看實(shí)訓(xùn)效果：

此外，該離策略強(qiáng)化學(xué)習(xí)方案具備優(yōu)異的可擴(kuò)展性，能夠顯著加速全身運(yùn)動(dòng)跟蹤策略的訓(xùn)練——在4塊L40s GPU、16384個(gè)并行環(huán)境的配置下，F(xiàn)astSAC與FastTD3算法在相同實(shí)驗(yàn)條件下，學(xué)習(xí)完成完整舞蹈動(dòng)作序列的速度也顯著快于PPO算法。

而且，雖然只接受了15分鐘的訓(xùn)練，但機(jī)器人已能穩(wěn)定地站立和行走，并且能夠抵抗推力擾動(dòng)。

FastSAC與FastTD3同樣能夠快速訓(xùn)練宇樹G1人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)跟蹤，包括持續(xù)時(shí)間超過2分鐘的長序列舞蹈動(dòng)作，其性能效果與主流的PPO算法相當(dāng)或更優(yōu)。

亞馬遜發(fā)力機(jī)器人

值得關(guān)注的是，亞馬遜FAR團(tuán)隊(duì)同步開源了Holosoma，這是一個(gè)綜合軟件框架，旨在簡化訓(xùn)練和部署人形機(jī)器人的復(fù)雜流程。

Holosoma源自希臘語，意為“全身”，通過在單個(gè)訓(xùn)練代碼庫中支持多個(gè)仿真后端來解決各種仿真環(huán)境之間的脫節(jié)，以及“后端”碎片化等問題。

近期報(bào)道顯示，亞馬遜的內(nèi)部目標(biāo)是在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)75%的運(yùn)營自動(dòng)化，在2033年前可能會(huì)減少雇傭超過60萬名人類員工，同時(shí)還能將運(yùn)營效率翻一番，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要能夠適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境并操作各種物體的機(jī)器人——而這些問題是傳統(tǒng)的、硬編碼的自動(dòng)化方式無法解決的。

FAR團(tuán)隊(duì)目前匯聚了不少核心華人學(xué)者，Rocky Duan目前為FAR研究負(fù)責(zé)人，此外還匯聚了Peter Chen、Tianhao Zhang、Liang-Chieh Chen、Ziqi Lu等頂尖華人研究員。

FAR團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來將離策略強(qiáng)化學(xué)習(xí)與人形機(jī)器人學(xué)習(xí)領(lǐng)域的最新進(jìn)展融入該方案，有望進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)前沿。

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