让具身智能更快更强！华东师大上大提出TinyVLA：高效视觉-语言-动作模型，遥遥领先

news2024/9/28 15:57:07

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2409.12514
项目链接：https://tiny-vla.github.io/

具身智能近期发展迅速，拥有了大模型"大脑"的机械臂在动作上更加高效和精确，但现有的一个难点是：模型受到算力和数据的制约。如何使用更少的训练数据，以更快的推理速度，实现媲美OpenVLA的性能？今天给大家分享的TinyVLA，就是来解决这个难题的，还有多种规模的模型可供选择！

总结速览

解决的问题：现有的视觉-语言-动作（VLA）模型在推理速度慢和需要大量机器人数据进行预训练方面面临挑战，限制了实际应用。

提出的方案：引入一种新型紧凑型视觉-语言-动作模型TinyVLA，提供更快的推理速度和更高的数据效率，消除预训练阶段的需求。

应用的技术：TinyVLA框架包括两个关键组件：1) 使用高效的多模态模型初始化策略骨干；2) 在微调过程中集成扩散策略解码器，以实现精确的机器人动作。

达到的效果：TinyVLA在仿真和实际机器人上进行了广泛评估，显著优于现有的VLA模型OpenVLA，在速度和数据效率上表现更佳，同时在语言指令、未知物体、位置变化等方面展现出强大的泛化能力。

方法

1. 训练轻量级VLM模型。 现有的VLM大多在30亿参数以上，推理速度较慢，训练周期长，因此我们训练了一系列更加紧凑的VLM模型,我们使用pythia作为我们的LLM部分，参照LLaVA的框架我们训练了3个不同大小的VLM，参数量从4亿到14亿。以此作为我们VLA的主干网络。

2. 机器人数据微调VLA模型。 我们用训练好的VLM权重来初始化我们的VLA模型，但是VLM只能生成语言，无法直接生成动作；OpenVLA和RT-2采用将动作离散化的方式，将动作预测任务转变成next token prediction任务，但这种方式会使得模型的训练难度大大增加；因此我们采取用policy head 网络替换原有的llm head，从而在不破坏动作连续性的同时，使得模型训练更加简单。我们采取Diffusion policy网络来预测动作。为了增加动作的一致性以及提升动作预测效率，TinyVLA一次性会预测未来16步的动作。为了进一步减少资源消耗，我们使用LoRA微调VLM部分，使得需要训练的参数只占总参数的5%。

实验

仿真实验结果

如图所示，TinyVLA-H在metaworld的50个任务上都超越baseline，特别是较难的任务中，更是大幅领先。

多任务真机实验结果

1. 单臂多任务实验。 如图所示，在5个真实环境下的任务分别测试20次，使用不同的权重测试3轮并且统计成功率均值和方差。TinyVLA-H实现了最好的效果，在翻马克杯任务、叠方块任务以及关抽屉任务上都达到了96%以上的成功率，平均成功率达到94%，比OpenVLA提升了25.7%。并且，从TinyVLA-S到TinyVLA-H，随着模型增加，成功率也在增加，证明TinyVLA符合Scaling Law。

2. 双臂任务实验。 双臂环境和单臂完全不同，因为对应的动作维度不同，而OpenVLA是自回归形式生成动作，切换到双臂环境导致动作长度不一致，使得OpenVLA没法正常生成动作，并且Open-x Embodiedment数据集也只包含单臂任务，这进一步导致OpenVLA无法正常生成双臂动作。而TinyVLA无需修改模型结构，只需要更改动作维度，即可直接迁移到双臂环境。如图所示，在3个真实环境下的任务分别测试10次，使用不同的权重测试3轮并且统计成功率均值和方差。TinyVLA-H 仍然大幅领先Baseline。

泛化实验结果

1. 指令泛化。 由于TinyVLA的主干网络是一个在大规模图片文本数据集上预训练的VLM模型，尽管没在相应的机器人指令数据集上预训练，但TinyVLA-H体现出了一些类似于RT-2的指令理解能力。为了更好的区分难度，划分了3个难度等级（越大越难），第1级，理解未在机器人数据中出现的颜色；第2级，区分不同物体；第3级，辨别新的物体并且实现已知物体的新用途。对于第1级，TinyVLA能准确区分不同颜色的同一物体，且该颜色并没有在机器人数据集中出现。第2级，TinyVLA能区分不同物体，这些物体虽然都出现在机器人数据中但并没有同时出现过，也没有在相应的区分任务中训练过。第3级，指令是全新的，要求TinyVLA抓起一个没有在机器人任务中见过的小车并放到盒子里，注意盒子只在开盖子的任务中出现过。

2. 视角泛化。 视角泛化是机器人领域的一大难题，轻微晃动视角都可能会导致任务完成失败。TinyVLA在一定范围内展现出了视角泛化能力。如图所示，我们测试了4个视角度数，范围从-30度到+30度，左右视角分别测试。对于关抽屉任务，TinyVLA展现出较好的能力，但是精度要求更高的叠方块任务则较难完成任务。

3. 位置泛化。 位置泛化要求模型不仅要能在图片中识别出目标物体的位置，还要求模型能泛化到不同的动作空间。而TinyVLA在这项测试中大部分位置能够完成任务，少部分极端位置则逊色于OpenVLA。这可能是由于OpenVLA在大规模的机器人数据集上预训练，且该数据集主要是pick place的任务类型。

4. 物体以及外观泛化。 更换不同的物体或者相同的物体变换颜色，TinyVLA能实现媲美OpenVLA的性能，而只需要OpenVLA约1/5的参数量，且推理速度更快。

5. 背景泛化。 背景变化同样会导致任务失败，因为背景通常会导致大面积的干扰，从而影响任务的完成。我们测试了6种背景下模型是否还能正常完成任务，且我们选择的叠方块和抓网球都是位置敏感性任务，更容易收到干扰。测his结果如图，TinyVLA与OpenVLA展现出了相近的能力。

6. 光照泛化。

结论

在机器人领域，VLA模型展现出了强大的泛化能力，包括但不限于物体、干扰物、指令泛化等。但VLA模型同时也面临着两个严峻的问题，一方面现有的VLA如RT-2、OpenVLA有着70亿参数甚至550亿参数，庞大的参数量到导致模型的推理速度十分缓慢，OpenVLA在H100上推理也只能达到约6Hz的运行频率。另一方面，现有VLA都是在庞大的机器人数据上预训练过的，比如OpenVLA在Open-x Embodiedment dataset上预训练大约970K轨迹，而真实环境很难收集到如此大规模的数据，因此如何高效地利用少量数据也是机器人领域难点之一。为了缓解这两个问题，本文推出了TinyVLA，以实现更快的推理速度以及不使用大量的预训练数据，并且实现媲美OpenVLA的性能。

TinyVLA将现有的VLM模型和Diffusion policy网络相结合，将VLM的泛化能力迁移到机器人领域的同时，还能利用Diffusion policy网络从而缓解自回归生成导致的推理速度缓慢。我们根据LLaVA的框架首先预训练了一系列不同大小的VLM，然后将VLM的权重直接迁移到我们的VLA模型，再用下游机器人数据进行LoRA微调。根据VLM的参数量变化，我们的TinyVLA也有三种规模，总参数量从4亿到13亿参数。

在下游任务上，我们最大的TinyVLA-H推理延迟比OpenVLA快20倍且单臂环境平均任务成功率高出25.7%，如下图所示。同时我们的TinyVLA还能够直接迁移到双臂环境，无需修改网络结构等，只需要修改预测的动作维度即可；但受限于OpenVLA的自回归结构以及预训练数据均为单臂，导致其很难在双臂环境下正常运行。此外我们的TinyVLA在多个泛化指标上能达到与OpenVLA相媲美的性能，比如物体泛化、位置泛化、干扰物、背景泛化；而在视角变化泛化上，TinyVLA更是遥遥领先，在-30度到30度的超大范围测试中，部分情况仍能准确完成任务。