MANISKILL3：GPU 并行机器人模拟和渲染，用于通用的具身AI

本文介绍了一种名为ManiSkill3的机器人仿真系统，它采用了GPU并行化技术，并针对通用性进行了优化。该系统支持多种视觉输入方式和异构模拟，能够在物理场景中进行高效的仿真和渲染，达到比其他平台更快的速度和更少的GPU内存使用量。此外，ManiSkill3还提供了广泛的任务和环境选择，包括12个不同的领域，如移动操作、人形机器人等，同时还提供了大量的演示数据和基准线算法。通过这些功能，ManiSkill3可以显著缩短训练时间，为机器人学习提供了一个快速而有效的工具。

论文方法

方法描述

ManiSkill3是一种GPU模拟框架，它支持多种不同类型的机器人任务，并具有以下特点：

1. 统一支持GPU并行化任务：ManiSkill3提供了一个灵活的任务构建API，可以轻松地支持各种不同的任务类别，这些任务包括桌面操作、移动操作、房间规模场景下的操作等。
2. GPU并行化仿真和渲染：ManiSkill3是第一个支持快速视觉输入下复杂机器人操作任务的GPU并行化仿真平台。它可以显著提高机器人的训练速度，使得机器人可以在几分钟内完成之前需要数小时才能完成的任务。
3. 异构GPU仿真：ManiSkill3是唯一一个支持在多个平行环境中模拟不同几何形状、数量和articulations的机器人任务的仿真框架。这有助于实现更通用的学习，使算法能够同时在YCB对象数据集或PartNet Mobility Dataset中的每个物体上进行训练。
4. 简单统一的API用于构建GPU仿真机器人任务：ManiSkill3提供了易于使用的API来创建和定制自己的机器人任务，包括对象导向的API用于articulations、links、joints和actors，以及支持URDF和Mujoco定义格式的机器人和控制器。

方法改进

与现有的其他机器人仿真框架相比，ManiSkill3的主要改进在于其支持的多样化任务类型和GPU并行化仿真和渲染能力。此外，ManiSkill3还引入了异构GPU仿真功能，使得算法能够在多个平行环境中同时学习，从而提高了机器人的泛化能力。

解决的问题

ManiSkill3主要解决了以下问题：

1. 提供了一种灵活且易于使用的方式来创建和定制机器人任务，使其适用于各种不同的应用场景。
2. 支持GPU并行化仿真和渲染，加快了机器人的训练速度，使得机器人可以在短时间内完成复杂的任务。
3. 引入了异构GPU仿真功能，提高了机器人的泛化能力，使其能够适应更多的实际应用场景。

论文实验

本文介绍了ManiSkill3机器人学习平台的四个基线和结果，包括墙时效率强化学习、样本效率强化学习、离线模仿学习和在线模仿学习等四种类型的算法。作者通过统一基准和机器人仿真环境来比较和研究这些算法，并确保所有基准报告相同的指标并运行相同的评估环境设置。同时，作者还提供了用于评估策略的环境包装器，以自动记录定义好的指标，如成功一次、失败一次、成功结束、失败结束等。此外，作者还跟踪了所有的模仿学习（在线和离线）基线中使用的演示次数、演示类型以及演示数据来源的具体信息。最后，作者使用GPU模拟和渲染加速强化学习训练的速度，并在PickCube任务上进行了实验。

论文总结

文章优点

该论文介绍了一个名为ManiSkill3的新型机器人仿真框架，其在通用机器人仿真和渲染方面具有最先进的水平。与替代方案相比，ManiSkill3运行更快，使用更少的GPU内存，并支持最多样化的机器人任务。特别是，ManiSkill3为仿真实验室和现实世界之间的转换提供了前所未有的支持。此外，ManiSkill3提供了一个易于使用的对象导向API来构建GPU模拟异构任务，使机器人学习更加民主化。最后，该论文开源了演示和RL/IL基准线，以及明确定义的指标，供用户使用。

方法创新点

ManiSkill3的主要贡献包括以下几点：

1. 状态-of-the-art GPU并行化仿真和渲染：ManiSkill3采用了快速并行渲染和低系统开销的设计，使得算法如PPO等能够以比其他仿真器快10到1000倍的速度解决视觉任务。
2. 最全面的环境范围：ManiSkill3提供了12种不同类型的环境和20多种不同的机器人，这些都通过GPU并行化实现，同时还有丰富的教程和文档，教用户如何添加新的环境和机器人，以及如何为扩展仓库做出贡献。
3. 异构仿真以实现一般化学习：ManiSkill3允许每个并行环境包含完全不同的场景，这得益于数据驱动的设计和易于管理GPU内存的对象/关节数组。这种设计可以使算法更容易地训练出更具泛化能力的模型。
4. 简单统一的API，轻松创建GPU模拟任务：ManiSkill3提供了用户友好的API，用于创建各种机器人环境。它还包括一些关键改进，例如对象导向API和消除复杂的张量索引，简化了操作流程，例如域随机化（例如相机位置、机器人控制器）、轨迹重放、动作空间转换等等。
5. 可扩展的数据集生成管道：对于某些难以设计奖励的任务，ManiSkill3提供了一种可扩展的、高效的在线模仿学习算法，可以从几个示例中学习一个一般性的神经网络策略，然后用这个策略产生更多的示例，形成更大的数据集。

未来展望

ManiSkill3是一个非常有前途的机器人仿真框架，可以极大地加速机器人的研究和发展。然而，仍然有一些挑战需要克服，例如如何更好地处理多模态输入，如何进一步提高仿真器的真实感，以及如何更好地将仿真结果应用于实际机器人控制等方面。我们相信，在未来的几年里，ManiSkill3将继续成为机器人领域的一个重要工具，推动机器人技术的发展。