Humanoid (人形机器人)

../../../_images/humanoid.gif

此环境是 Mujoco 环境的一部分,其中包含有关环境的通用信息。

动作空间

Box(-0.4, 0.4, (17,), float32)

观测空间

Box(-inf, inf, (348,), float64)

导入

gymnasium.make("Humanoid-v5")

描述

此环境基于 Tassa、Erez 和 Todorov 在 “通过在线轨迹优化综合和稳定复杂行为” 中介绍的环境。 3D 双足机器人旨在模拟人类。它有一个躯干(腹部),带有一对腿和手臂,以及一对将髋部连接到膝盖的肌腱。腿部各由三个身体部位(大腿、小腿、脚)组成,手臂由两个身体部位(上臂、前臂)组成。环境的目标是尽可能快地向前行走而不会摔倒。

动作空间

../../../_images/humanoid.png

动作空间是一个 Box(-0.4, 0.4, (17,), float32)。动作表示在铰链关节处施加的扭矩。

编号

动作

控制最小值

控制最大值

名称(在相应的 XML 文件中)

关节

类型(单位)

0

施加在腹部 y 坐标铰链上的扭矩

-0.4

0.4

abdomen_y (腹部_y)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

1

施加在腹部 z 坐标铰链上的扭矩

-0.4

0.4

abdomen_z (腹部_z)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

2

施加在腹部 x 坐标铰链上的扭矩

-0.4

0.4

abdomen_x (腹部_x)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

3

施加在躯干/腹部和右髋部(x 坐标)之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

right_hip_x (right_thigh) (右髋部_x (右大腿))

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

4

施加在躯干/腹部和右髋部(z 坐标)之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

right_hip_z (right_thigh) (右髋部_z (右大腿))

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

5

施加在躯干/腹部和右髋部(y 坐标)之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

right_hip_y (right_thigh) (右髋部_y (右大腿))

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

6

施加在右髋部/大腿和右小腿之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

right_knee (右膝盖)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

7

施加在躯干/腹部和左髋部(x 坐标)之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

left_hip_x (left_thigh) (左髋部_x (左大腿))

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

8

施加在躯干/腹部和左髋部(z 坐标)之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

left_hip_z (left_thigh) (左髋部_z (左大腿))

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

9

施加在躯干/腹部和左髋部(y 坐标)之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

left_hip_y (left_thigh) (左髋部_y (左大腿))

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

10

施加在左髋部/大腿和左小腿之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

left_knee (左膝盖)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

11

施加在躯干和右上臂之间转子上的扭矩(坐标 -1)

-0.4

0.4

right_shoulder1 (右肩部1)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

12

施加在躯干和右上臂之间转子上的扭矩(坐标 -2)

-0.4

0.4

right_shoulder2 (右肩部2)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

13

施加在右上臂和右下臂之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

right_elbow (右肘部)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

14

施加在躯干和左上臂之间转子上的扭矩(坐标 -1)

-0.4

0.4

left_shoulder1 (左肩部1)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

15

施加在躯干和左上臂之间转子上的扭矩(坐标 -2)

-0.4

0.4

left_shoulder2 (左肩部2)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

16

施加在左上臂和左下臂之间转子上的扭矩

-0.4

0.4

left_elbow (左肘部)

hinge (铰链)

torque (N m) (扭矩 (牛·米))

观测空间

观测空间由以下部分组成(按顺序)

  • qpos (默认 22 个元素): 机器人身体部位的位置值。

  • qvel (23 个元素): 这些单独身体部位的速度(它们的导数)。

  • cinert (130 个元素): 刚性身体部位相对于质心的质量和惯性,(这是过渡的中间结果)。它的形状为 13*10 (nbody * 10)。 (cinert - 惯性矩阵和身体质量偏移和身体质量)

  • cvel (78 个元素): 基于质心的速度。它的形状为 13 * 6 (nbody * 6)。 (com 速度 - 速度 x、y、z 和角速度 x、y、z)

  • qfrc_actuator (17 个元素): 在每个关节处作为执行器力生成的约束力。它的形状为 (17,) (nv * 1)

  • cfrc_ext (78 个元素): 这是基于质心的身体部位上的外力。它的形状为 13 * 6 (nbody * 6),因此向观测空间添加了另外 78 个元素。(外力 - 力 x、y、z 和扭矩 x、y、z)

其中 nbody 是机器人中的身体数量,nv 是自由度数 (= dim(qvel))。

默认情况下,观测不包括躯干的 x 和 y 坐标。可以通过在构造期间传递 exclude_current_positions_from_observation=False 来包含这些坐标。在这种情况下,观测空间将是一个 Box(-Inf, Inf, (350,), float64),其中前两个观测是躯干的 x 和 y 坐标。无论 exclude_current_positions_from_observation 设置为 True 还是 False,x 和 y 坐标都会在 info 中返回,键分别为 "x_position""y_position"

但是,默认情况下,观测空间是一个 Box(-Inf, Inf, (348,), float64),其中位置和速度元素如下

编号

观测

最小值

最大值

名称(在相应的 XML 文件中)

关节

类型(单位)

0

躯干的 z 坐标(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

位置 (m)

1

躯干的 w 方向(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角度 (rad)

2

躯干的 x 方向(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角度 (rad)

3

躯干的 y 方向(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角度 (rad)

4

躯干的 z 方向(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角度 (rad)

5

腹部的 z 角(在 lower_waist 中)

-Inf

Inf

abdomen_z (腹部_z)

hinge (铰链)

角度 (rad)

6

腹部的 y 角(在 lower_waist 中)

-Inf

Inf

abdomen_y (腹部_y)

hinge (铰链)

角度 (rad)

7

腹部的 x 角(在 pelvis 中)

-Inf

Inf

abdomen_x (腹部_x)

hinge (铰链)

角度 (rad)

8

骨盆和右髋部之间角度的 x 坐标(在 right_thigh 中)

-Inf

Inf

right_hip_x (右髋部_x)

hinge (铰链)

角度 (rad)

9

骨盆和右髋部之间角度的 z 坐标(在 right_thigh 中)

-Inf

Inf

right_hip_z (右髋部_z)

hinge (铰链)

角度 (rad)

10

骨盆和右髋部之间角度的 y 坐标(在 right_thigh 中)

-Inf

Inf

right_hip_y (右髋部_y)

hinge (铰链)

角度 (rad)

11

右髋部和右小腿之间角度(在 right_knee 中)

-Inf

Inf

right_knee (右膝盖)

hinge (铰链)

角度 (rad)

12

骨盆和左髋部之间角度的 x 坐标(在 left_thigh 中)

-Inf

Inf

left_hip_x (左髋部_x)

hinge (铰链)

角度 (rad)

13

骨盆和左髋部之间角度的 z 坐标(在 left_thigh 中)

-Inf

Inf

left_hip_z (左髋部_z)

hinge (铰链)

角度 (rad)

14

骨盆和左髋部之间角度的 y 坐标(在 left_thigh 中)

-Inf

Inf

left_hip_y (左髋部_y)

hinge (铰链)

角度 (rad)

15

左髋部和左小腿之间角度(在 left_knee 中)

-Inf

Inf

left_knee (左膝盖)

hinge (铰链)

角度 (rad)

16

躯干和右臂之间角度的坐标-1(多轴)(在 right_upper_arm 中)

-Inf

Inf

right_shoulder1 (右肩部1)

hinge (铰链)

角度 (rad)

17

躯干和右臂之间角度的坐标-2(多轴)(在 right_upper_arm 中)

-Inf

Inf

right_shoulder2 (右肩部2)

hinge (铰链)

角度 (rad)

18

右上臂和右下臂之间角度

-Inf

Inf

right_elbow (右肘部)

hinge (铰链)

角度 (rad)

19

躯干和左臂之间角度的坐标-1(多轴)(在 left_upper_arm 中)

-Inf

Inf

left_shoulder1 (左肩部1)

hinge (铰链)

角度 (rad)

20

躯干和左臂之间角度的坐标-2(多轴)(在 left_upper_arm 中)

-Inf

Inf

left_shoulder2 (左肩部2)

hinge (铰链)

角度 (rad)

21

左上臂和左下臂之间角度

-Inf

Inf

left_elbow (左肘部)

hinge (铰链)

角度 (rad)

22

躯干的 x 坐标速度(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

速度 (m/s)

23

躯干的 y 坐标速度(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

速度 (m/s)

24

躯干的 z 坐标速度(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

速度 (m/s)

25

躯干的 x 坐标角速度(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角速度 (rad/s)

26

躯干的 y 坐标角速度(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角速度 (rad/s)

27

躯干的 z 坐标角速度(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

角速度 (rad/s)

28

腹部的 z 坐标角速度(在 lower_waist 中)

-Inf

Inf

abdomen_z (腹部_z)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

29

腹部的 y 坐标角速度(在 lower_waist 中)

-Inf

Inf

abdomen_y (腹部_y)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

30

腹部的 x 坐标角速度(在 pelvis 中)

-Inf

Inf

abdomen_x (腹部_x)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

31

骨盆和右髋部之间角度的角速度的 x 坐标(在 right_thigh 中)

-Inf

Inf

right_hip_x (右髋部_x)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

32

骨盆和右髋部之间角度的角速度的 z 坐标(在 right_thigh 中)

-Inf

Inf

right_hip_z (右髋部_z)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

33

骨盆和右髋部之间角度的角速度的 y 坐标(在 right_thigh 中)

-Inf

Inf

right_hip_y (右髋部_y)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

34

右髋部和右小腿之间角度的角速度(在 right_knee 中)

-Inf

Inf

right_knee (右膝盖)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

35

骨盆和左髋部之间角度的角速度的 x 坐标(在 left_thigh 中)

-Inf

Inf

left_hip_x (左髋部_x)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

36

骨盆和左髋部之间角度的角速度的 z 坐标(在 left_thigh 中)

-Inf

Inf

left_hip_z (左髋部_z)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

37

骨盆和左髋部之间角度的角速度的 y 坐标(在 left_thigh 中)

-Inf

Inf

left_hip_y (左髋部_y)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

38

左髋部和左小腿之间角度的角速度(在 left_knee 中)

-Inf

Inf

left_knee (左膝盖)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

39

躯干和右臂之间角度的角速度的坐标-1(多轴)(在 right_upper_arm 中)

-Inf

Inf

right_shoulder1 (右肩部1)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

40

躯干和右臂之间角度的角速度的坐标-2(多轴)(在 right_upper_arm 中)

-Inf

Inf

right_shoulder2 (右肩部2)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

41

右上臂和右下臂之间角度的角速度

-Inf

Inf

right_elbow (右肘部)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

42

躯干和左臂之间角度的角速度的坐标-1(多轴)(在 left_upper_arm 中)

-Inf

Inf

left_shoulder1 (左肩部1)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

43

躯干和左臂之间角度的角速度的坐标-2(多轴)(在 left_upper_arm 中)

-Inf

Inf

left_shoulder2 (左肩部2)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

44

左上臂和左下臂之间角度的角速度

-Inf

Inf

left_elbow (左肘部)

hinge (铰链)

角速度 (rad/s)

已排除

躯干的 x 坐标(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

位置 (m)

已排除

躯干的 y 坐标(中心)

-Inf

Inf

根部

自由

位置 (m)

身体部位是

身体部位

ID(对于 v2v3v4)

ID(对于 v5

worldbody(注意:所有值均为常数 0)

0

已排除

torso (躯干)

1

0

lwaist (下腰)

2

1

pelvis (骨盆)

3

2

right_thigh (右大腿)

4

3

right_sin (右胫骨)

5

4

right_foot (右脚)

6

5

left_thigh (左大腿)

7

6

left_sin (左胫骨)

8

7

left_foot (左脚)

9

8

right_upper_arm (右上臂)

10

9

right_lower_arm (右下臂)

11

10

left_upper_arm (左上臂)

12

11

left_lower_arm (左下臂)

13

12

关节是

关节

ID(对于 v2v3v4)

ID(对于 v5

root (根部)(注意:所有值均为常数 0)

0

已排除

root (根部)(注意:所有值均为常数 0)

1

已排除

root (根部)(注意:所有值均为常数 0)

2

已排除

root (根部)(注意:所有值均为常数 0)

3

已排除

root (根部)(注意:所有值均为常数 0)

4

已排除

root (根部)(注意:所有值均为常数 0)

5

已排除

abdomen_z (腹部_z)

6

0

abdomen_y (腹部_y)

7

1

abdomen_x (腹部_x)

8

2

right_hip_x (右髋部_x)

9

3

right_hip_z (右髋部_z)

10

4

right_hip_y (右髋部_y)

11

5

right_knee (右膝盖)

12

6

left_hip_x (左髋部_x)

13

7

left_hiz_z (左髋部_z)

14

8

left_hip_y (左髋部_y)

15

9

left_knee (左膝盖)

16

10

right_shoulder1 (右肩部1)

17

11

right_shoulder2 (右肩部2)

18

12

right_elbow (右肘部)

19

13

left_shoulder1 (左肩部1)

20

14

left_shoulder2 (左肩部2)

21

15

left_elfbow (左肘部)

22

16

(x,y,z) 坐标是平移自由度,而方向是表示为四元数的旋转自由度。您可以在 MuJoCo 文档 中阅读有关自由关节的更多信息。

注意: 当使用 Humanoid-v3 或更早版本时,已报告使用 mujoco-py 版本 > 2.0 时出现问题,导致接触力始终为 0。因此,如果想要报告接触力的结果(如果实验中未使用接触力,则可以使用版本 > 2.0),建议在使用 Humanoid 环境时使用 mujoco-py 版本 < 2.0。

奖励

总奖励为:奖励 = 健康奖励 + 前进奖励 - 控制成本 - 接触成本

  • healthy_reward (健康奖励):在 Humanoid (人形机器人) 存活的每个时间步(请参阅“回合结束”部分中的定义),它都会获得固定值 healthy_reward 的奖励(默认为 \(5\))。

  • forward_reward (前进奖励):向前移动的奖励,如果 Humanoid (人形机器人) 向前移动(在正 \(x\) 方向/向右方向),则此奖励为正。\(w_{forward} \times \frac{dx}{dt}\),其中 \(dx\) 是质心的位移 (\(x_{after-action} - x_{before-action}\)),\(dt\) 是动作之间的时间,这取决于 frame_skip 参数(默认为 \(5\))和 frametime,即 \(0.001\) - 因此默认值为 \(dt = 5 \times 0.003 = 0.015\)\(w_{forward}\)forward_reward_weight(默认为 \(1.25\))。

  • ctrl_cost (控制成本):对 Humanoid (人形机器人) 采取过大动作进行惩罚的负奖励。\(w_{control} \times \|action\|_2^2\),其中 \(w_{control}\)ctrl_cost_weight(默认为 \(0.1\))。

  • contact_cost (接触成本):如果外部接触力过大,则对 Humanoid (人形机器人) 进行惩罚的负奖励。\(w_{contact} \times clamp(contact\_cost\_range, \|F_{contact}\|_2^2)\),其中 \(w_{contact}\)contact_cost_weight(默认为 \(5\times10^{-7}\)),\(F_{contact}\) 是外部接触力(请参阅观测中的 cfrc_ext 部分)。

info 包含各个奖励项。

注意: Humanoid-v4 环境中存在一个错误,导致 contact_cost (接触成本) 始终为 0。

起始状态

初始位置状态为 \([0.0, 0.0, 1.4, 1.0, 0.0, ... 0.0] + \mathcal{U}_{[-reset\_noise\_scale \times I_{24}, reset\_noise\_scale \times I_{24}]}\)。初始速度状态为 \(\mathcal{U}_{[-reset\_noise\_scale \times I_{23}, reset\_noise\_scale \times I_{23}]}\)

其中 \(\mathcal{U}\) 是多元均匀连续分布。

请注意,z 和 x 坐标为非零,以便人形机器人可以立即站起来并面向前方(x 轴)。

回合结束

终止

如果 terminate_when_unhealthy True(默认值),则当 Humanoid (人形机器人) 不健康时,环境将终止。如果发生以下任何一种情况,则认为 Humanoid (人形机器人) 不健康

  1. 躯干的 z 坐标(高度)healthy_z_range 参数给定的闭区间内(默认为 \([1.0, 2.0]\))。

截断

回合的默认持续时间为 1000 个时间步。

参数

Humanoid (人形机器人) 提供了许多参数来修改观测空间、奖励函数、初始状态和终止条件。这些参数可以在 gymnasium.make 期间以以下方式应用

import gymnasium as gym
env = gym.make('Humanoid-v5', ctrl_cost_weight=0.1, ....)

参数

类型

默认值

描述

xml_file

str

"humanoid.xml"

MuJoCo 模型的路径

forward_reward_weight

float

1.25

forward_reward (前进奖励) 项的权重(请参阅 奖励 部分)

ctrl_cost_weight

float

0.1

ctrl_cost (控制成本) 项的权重(请参阅 奖励 部分)

contact_cost_weight

float

5e-7

contact_cost (接触成本) 项的权重(请参阅 奖励 部分)

contact_cost_range

float

(-np.inf, 10.0)

钳制 contact_cost (接触成本) 项(请参阅 奖励 部分)

healthy_reward

float

5.0

healthy_reward (健康奖励) 项的权重(请参阅 奖励 部分)

terminate_when_unhealthy

bool

True

如果 True,则在不健康时发出 terminated 信号(请参阅 回合结束 部分)

healthy_z_range

tuple

(1.0, 2.0)

[1.0, 2.0]

reset_noise_scale

float

float

1e-2

exclude_current_positions_from_observation

bool

True

是否从观测中省略 x 和 y 坐标。排除位置可以用作归纳偏置,以在策略中诱导位置不可知行为(请参阅 观测状态 部分)

include_cinert_in_observation

bool

True

是否在观测中包含 cinert 元素(请参阅 观测状态 部分)

include_cvel_in_observation

bool

True

是否在观测中包含 cvel 元素(请参阅 观测状态 部分)

include_qfrc_actuator_in_observation

bool

True

是否在观测中包含 qfrc_actuator 元素(请参阅 观测状态 部分)

include_cfrc_ext_in_observation

bool

True

是否在观测中包含 cfrc_ext 元素(请参阅 观测状态 部分)

版本历史

  • v5

    • 最低 mujoco 版本现在为 2.3.3。

    • 添加了对使用 xml_file 参数完全自定义/第三方 mujoco 模型(以前只能对现有模型进行少量更改)的支持。

    • 添加了 default_camera_config 参数,这是一个用于设置 mj_camera 属性的字典,主要用于自定义环境。

    • 添加了 env.observation_structure,这是一个用于指定观测空间组成的字典(例如 qposqvel),用于为 MuJoCo 环境构建工具和封装器。

    • 返回带有 reset() 的非空 info,之前返回的是一个空字典,新键与 step() 的状态信息相同。

    • 添加了 frame_skip 参数,用于配置 dtstep() 的持续时间),默认值因环境而异,请查看环境文档页面。

    • 修复了错误:healthy_reward (健康奖励) 在每个步骤中都会给出(即使 Humanoid (人形机器人) 不健康),现在仅在 Humanoid (人形机器人) 健康时才给出。info["reward_survive"] 已使用此更改进行更新(相关 GitHub 问题)。

    • 恢复了 contact_cost (接触成本) 以及相应的 contact_cost_weightcontact_cost_range 参数,其默认值与 Humanoid-v3 中相同(在 v4 中已删除)(相关 GitHub 问题)。

    • 从观测空间中排除了 worldbodyroot/freejointcinert & cvel & cfrc_extqfrc_actuator,因为它始终为 0,因此没有为智能体提供有用的信息,从而略微加快了训练速度(相关 GitHub 问题)。

    • 恢复了 xml_file 参数(在 v4 中已删除)。

    • 添加了 include_cinert_in_observationinclude_cvel_in_observationinclude_qfrc_actuator_in_observationinclude_cfrc_ext_in_observation 参数,以允许从观测空间中排除观测元素。

    • 修复了 info["x_position"] & info["y_position"] & info["distance_from_origin"] 返回基于 xpos 而不是 qpos 的观测值(xpos 观测值比 qpos 观测值落后 1 个 mj_step() 此处)(相关 GitHub 问题 #1 & GitHub 问题 #2)。

    • 添加了 info["tendon_length"]info["tendon_velocity"],其中包含 Humanoid (人形机器人) 的 2 条连接髋部和膝盖的肌腱的观测值。

    • info["reward_alive"] 重命名为 info["reward_survive"],以与其他环境保持一致。

    • info["reward_linvel"] 重命名为 info["reward_forward"],以与其他环境保持一致。

    • info["reward_quadctrl"] 重命名为 info["reward_ctrl"],以与其他环境保持一致。

    • 删除了 info["forward_reward"],因为它等同于 info["reward_forward"]

  • v4:所有 MuJoCo 环境现在都使用 mujoco >= 2.1.3 中的 MuJoCo 绑定

  • v3:支持 gymnasium.make kwargs,例如 xml_filectrl_cost_weightreset_noise_scale 等。rgb 渲染来自跟踪相机(因此智能体不会逃离屏幕)

    • 注意:环境机器人模型在 gym==0.21.0 处略有更改,并且训练结果与 gym<0.21gym>=0.21 不可比较(相关 GitHub PR

  • v2:所有连续控制环境现在都使用 mujoco-py >= 1.50

    • 注意:环境机器人模型在 gym==0.21.0 处略有更改,并且训练结果与 gym<0.21gym>=0.21 不可比较(相关 GitHub PR

  • v1:机器人任务的最大时间步数增加到 1000。为环境添加了 reward_threshold (奖励阈值)。

  • v0:初始版本发布