3500元，人形機(jī)器人1:1復(fù)刻人類動(dòng)作 | 上海AI Lab開源新成果

一水 2025-02-27 15:51:49 來源：量子位

《環(huán)太平洋》名場(chǎng)面之“用真人操縱機(jī)甲”，如今照進(jìn)現(xiàn)實(shí)了。

話不多說，請(qǐng)看VCR：

原來，這是上海AI Lab最新推出的人形機(jī)器人“駕駛艙”——HOMIE（Humanoid Loco-Manipulation with Isomorphic Exoskeleton Cockpit） 。

一副機(jī)械臂外骨骼、一雙動(dòng)作感應(yīng)手套，以及一塊三軸腳踏板，人們就能對(duì)雙足人形機(jī)器人全身進(jìn)行精準(zhǔn)遙操作了。

這也意味著，無需昂貴動(dòng)作捕捉設(shè)備，人形機(jī)器人也能1:1復(fù)刻人類動(dòng)作。

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的說法，HOMIE主打一個(gè)“快準(zhǔn)省”：

• 快：與傳統(tǒng)最快VR手柄采集方案相比，速度還要快200%，任務(wù)完成時(shí)間縮短50%；
• 準(zhǔn)：解決了傳統(tǒng)人形機(jī)器人遙操作面臨的全身協(xié)調(diào)控制難（需同時(shí)控制移動(dòng)與操作）和高精度指令獲取難（依賴昂貴動(dòng)捕設(shè)備或視覺算法）兩大難題，支持其完成搬運(yùn)、協(xié)作、開門等復(fù)雜移動(dòng)操作任務(wù)；
• 省：整套硬件僅約3500元人民幣，而且HOMIE還開源了。

該系統(tǒng)由強(qiáng)化學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制框架和低成本同構(gòu)外骨骼硬件組成，首次實(shí)現(xiàn)了單一操作者對(duì)雙足人形機(jī)器人全身的精準(zhǔn)遙操作。

由強(qiáng)化學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制框架

這第一步，我們先來拆個(gè)箱，詳細(xì)康康上面提到的“三件套”。

三大核心組件

一直以來，傳統(tǒng)人形機(jī)器人遙操作面臨兩大難題：

• 全身協(xié)調(diào)控制難：需同時(shí)控制移動(dòng)與操作
• 高精度指令獲取難：依賴昂貴動(dòng)捕設(shè)備或視覺算法

而HOMIE的突破在于將“人機(jī)同構(gòu)”理念發(fā)揮到極致，其駕駛艙包含三大核心組件：

1、同構(gòu)機(jī)械臂外骨骼：7自由度機(jī)械臂與機(jī)器人關(guān)節(jié)一一對(duì)應(yīng)，操作者只需像控制自己手臂一樣運(yùn)動(dòng)，即可精準(zhǔn)映射機(jī)器人動(dòng)作，誤差小于0.09度，頻率高達(dá)260Hz。

2、動(dòng)作感應(yīng)手套：15自由度傳感器捕捉手指細(xì)微動(dòng)作，霍爾效應(yīng)磁感技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本高精度（200人民幣/只），可適配多種靈巧手型號(hào)。

3、三軸腳踏板：通過踏板控制機(jī)器人移動(dòng)速度、轉(zhuǎn)向與下蹲高度，支持“踩油門式”直覺操作。

挨個(gè)來看的話。

同構(gòu)外骨骼機(jī)械臂是基于Unitree G1與Fourier GR-1機(jī)器人形態(tài)定制，7自由度關(guān)節(jié)與機(jī)器人完全對(duì)應(yīng)。

它采用Dynamixel伺服電機(jī)（精度0.09°），通過URDF模型對(duì)齊坐標(biāo)系，確保操作者動(dòng)作與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)1:1映射。

通常情況下，它被固定于操作者背部與手掌，覆蓋機(jī)器人絕大部分工作空間且不限制人體活動(dòng)。

至于200元/只的動(dòng)作感應(yīng)手套，它每根手指配備3組霍爾傳感器，捕捉指尖彎曲、指節(jié)偏轉(zhuǎn)等15自由度動(dòng)作。

同時(shí)，磁鐵隨關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過微控制器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)角度，支持即插即用適配多種靈巧手。

而腳下踩的三軸腳踏板，可以看到線性速度、轉(zhuǎn)向角速度、下蹲高度分別由三個(gè)踏板控制，壓力信號(hào)經(jīng)高精度電位器轉(zhuǎn)換。

對(duì)了，模式切換按鈕支持前進(jìn)/后退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)快速切換，操作邏輯類似汽車油門。

以上設(shè)計(jì)能夠讓操作者如同“穿戴”機(jī)器人，徹底擺脫傳統(tǒng)VR手柄的延遲與誤差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HOMIE的指令采集速度比最快VR方案快200%，任務(wù)完成時(shí)間縮短50%。尤其當(dāng)操作者伸手抓取物體時(shí)，機(jī)器人幾乎同步響應(yīng)。

而且，背后團(tuán)隊(duì)特意提醒：

由于外骨骼基于同構(gòu)概念設(shè)計(jì)，僅手臂部分需要根據(jù)不同機(jī)器人的手臂設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)；不過因?yàn)楝F(xiàn)行人形機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)基本是7自由度的范式，因此這個(gè)調(diào)整并不會(huì)很大。

手套和踏板部分對(duì)所有市面上的人形機(jī)器人都是通用的。

其次，我們來重點(diǎn)談?wù)凥OMIE背后所采用的強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

在強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架中引入三大創(chuàng)新技術(shù)

現(xiàn)有的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法無法讓人形機(jī)器人穩(wěn)定、快速地下蹲到指定位置，同時(shí)現(xiàn)有方法均依賴于大量數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)先驗(yàn)來實(shí)驗(yàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)對(duì)上身姿勢(shì)的適配。

前者很大程度限制了機(jī)器人的可操作空間，后者則提高了機(jī)器人訓(xùn)練的成本。

為了最大程度拓展機(jī)器人的操作空間，并保證任何機(jī)器人都能快速學(xué)會(huì)在任何上身姿勢(shì)下保持平衡，HOMIE在其強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架中引入三大創(chuàng)新技術(shù)：

1、上半身姿勢(shì)課程學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)方法直接隨機(jī)采樣上身關(guān)節(jié)角度，訓(xùn)練初期機(jī)器人頻繁失衡，導(dǎo)致訓(xùn)練緩慢甚至無法訓(xùn)練。而HOMIE引入了設(shè)計(jì)漸進(jìn)式課程學(xué)習(xí)的方法，使得訓(xùn)練過程中機(jī)器人上肢動(dòng)作的采樣難度更平滑地提升：

• 初始階段限制上身動(dòng)作幅度（動(dòng)作比率ra=0），此時(shí)大概率上身姿勢(shì)保持默認(rèn)姿勢(shì)，更容易訓(xùn)得穩(wěn)定步態(tài)；
• 當(dāng)速度跟蹤獎(jiǎng)勵(lì)達(dá)標(biāo)后，逐步擴(kuò)大ra至1，最終采樣分布變?yōu)榧冸S機(jī)分布(0,1)；
• 采用特殊概率分布平滑過渡，避免動(dòng)作突變引發(fā)的失衡。

2、高度跟蹤獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)

為拓展機(jī)器人操作空間（如從地面撿物或高處放置），HOMIE在通用的追蹤高度的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)基礎(chǔ)上引入了一個(gè)新的輔助函數(shù)：

該函數(shù)通過膝關(guān)節(jié)角度與目標(biāo)高度的動(dòng)態(tài)耦合，引導(dǎo)機(jī)器人自主調(diào)整蹲姿。

訓(xùn)練中，每次對(duì)命令的采樣均保證有1/3環(huán)境專門學(xué)習(xí)下蹲，2/3環(huán)境學(xué)習(xí)站立行走，同一個(gè)環(huán)境在兩種模式下不斷切換，最終可以同時(shí)學(xué)會(huì)穩(wěn)定的行走和下蹲。

3、對(duì)稱性增強(qiáng)技術(shù)

為了充分利用人形機(jī)器人的左右對(duì)稱性，避免人形機(jī)器人左右不對(duì)稱動(dòng)作易導(dǎo)致失衡，HOMIE在數(shù)據(jù)采集與訓(xùn)練中引入鏡像翻轉(zhuǎn)：

• 將觀測(cè)狀態(tài)（關(guān)節(jié)角度、速度等）沿x-z平面鏡像，生成對(duì)稱樣本。
• 在策略網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，額外計(jì)算對(duì)稱動(dòng)作與價(jià)值的均方誤差損失，強(qiáng)制網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)對(duì)稱行為。

已通過從仿真到現(xiàn)實(shí)的全面驗(yàn)證

研究人員針對(duì)HOMIE強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架中提出的三個(gè)新的方法分別進(jìn)行了蒸餾實(shí)驗(yàn)，將得到的結(jié)果在幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上進(jìn)行測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)：

1）上半身姿勢(shì)課程學(xué)習(xí)可以充分幫助機(jī)器人更快的學(xué)會(huì)在各種連續(xù)變化的上身姿勢(shì)下保持平衡并穩(wěn)定行走，并且HOMIE的課程學(xué)習(xí)方式確實(shí)比直接利用隨機(jī)概率進(jìn)行課程學(xué)習(xí)更加優(yōu)越；

2）高度跟蹤獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的提出相比于只用高度追蹤獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，能夠讓機(jī)器人更好、更快的學(xué)會(huì)穩(wěn)定的下蹲，而簡(jiǎn)單粗暴的調(diào)大高度追蹤獎(jiǎng)勵(lì)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)比例反而會(huì)讓機(jī)器人的學(xué)習(xí)更加困難；

3）對(duì)稱性增強(qiáng)技術(shù)的使用不止讓訓(xùn)得的策略更加具有對(duì)稱性，更是直接大幅提高了機(jī)器人訓(xùn)練的速度，從而提高了數(shù)據(jù)效率。

上述結(jié)論都表明，HOMIE的訓(xùn)練框架很好的幫助機(jī)器人更好的學(xué)習(xí)完成移動(dòng)操作任務(wù)，可以使人們獲得更好的移動(dòng)操作底層控制策略。

而且，HOMIE不止能應(yīng)用于Unitree G1，研究人員還使用同樣的框架訓(xùn)練了傅利葉GR-1機(jī)器人。

結(jié)果證明，即使G1和GR-1在結(jié)構(gòu)和尺寸上差別很大，HOMIE的強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架依然能夠讓GR-1快速學(xué)到穩(wěn)定的行走和下蹲。

與此同時(shí)，研究人員對(duì)HOMIE的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的測(cè)試，并發(fā)現(xiàn)得益于舵機(jī)和霍爾傳感器的使用，這套低成本的硬件系統(tǒng)具有極高的響應(yīng)頻率和姿勢(shì)獲取精度。

同時(shí)由于同構(gòu)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)不需要額外進(jìn)行姿勢(shì)估計(jì)和求解，在無需GPU和SoC的前提下依然可以達(dá)到遠(yuǎn)超別的方法的姿勢(shì)獲取頻率。

此外，研究團(tuán)隊(duì)利用HOMIE在不同環(huán)境下完成了豐富的移動(dòng)操作任務(wù)。

包括從低貨架拿貨物到高貨架、兩人分別用HOMIE一起完成物體在兩臺(tái)機(jī)器人之間的傳遞、貨物搬運(yùn)、推人前進(jìn)、開微波爐、撿水平、捧花等復(fù)雜的動(dòng)作，這些任務(wù)充分體現(xiàn)了HOMIE遙操人形機(jī)器人完成任務(wù)的多樣性。

任務(wù)本身對(duì)機(jī)器人全身協(xié)調(diào)能力的高要求也證明了利用HOMIE框架訓(xùn)練得到的策略的穩(wěn)定性。

為了展示使用HOMIE的硬件系統(tǒng)進(jìn)行桌面遙操任務(wù)的優(yōu)越性，研究人員還在4項(xiàng)桌面任務(wù)中，用HOMIE和VR方案（OpenTelevision）分別完成四個(gè)不同的桌面任務(wù)。

最終發(fā)現(xiàn)，HOMIE在完成速度上具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其在需要精確徑向移動(dòng)的任務(wù)中完成速度超過VR方案的2倍。

同時(shí)，研究人員還初步嘗試了用HOMIE采集數(shù)據(jù)訓(xùn)練模仿學(xué)習(xí)算法的可能性。

通過在下蹲撿蘋果和站立撿蘋果兩個(gè)任務(wù)上分別采集50條數(shù)據(jù)，并利用Seer模型進(jìn)行訓(xùn)練，從而部署到真實(shí)機(jī)器人上，最終取得了超過70%的成功率。

概括而言，HOMIE的價(jià)值不僅在于技術(shù)突破，更在于其開源與低成本特性（整套硬件僅約3500人民幣）。

目前主流的基于VR的方法是OpenTelevision，是基于Apple的VisionPro進(jìn)行操作，目前一臺(tái)最基本的256G的Vision Pro國內(nèi)售價(jià)約3萬人民幣，因此其成本只有VisionPro的約12%。

它讓人形機(jī)器人擺脫動(dòng)捕依賴，像智能手機(jī)一樣通過“直覺化駕駛艙”走入倉庫等復(fù)雜場(chǎng)景。

正如團(tuán)隊(duì)所言：

或許不久的將來，每個(gè)機(jī)器人都會(huì)擁有自己的“神經(jīng)連接駕駛艙”，而HOMIE正是這條征途上的第一塊里程碑。

鑒于已經(jīng)開源，動(dòng)手能力強(qiáng)的小伙伴已經(jīng)躍躍欲試啰~

論文鏈接：
https://arxiv.org/abs/2502.13013
項(xiàng)目主頁：
https://homietele.github.io/
代碼申請(qǐng)：
https://forms.gle/NSLiABo3bPWN89wZ8