如何利用Unity快速搭建训练机器人数字孪生？

Unity 的人工智能与机器学习高级副总裁 Danny Lange 博士曾表示：“目前，多种新技术、多种新理念相互碰撞结合，终将引发一场新革命。我们正处于这场革命的临界点。”

这场革命的具体形态尚未确定，但可以确定的是，这是一场打破现实与虚拟次元壁的革命。

比如“野生钢铁侠”、华为天才少年、AI 算法工程师稚晖君的作品《我把自行车做成了自动驾驶！！》中，就在 Unity 引擎中构建了一个虚拟的物理环境，引擎中的模拟自行车有着真实的质量，他将自行车的“自行”的过程算法在虚拟环境中可视化了出来，模拟过程没有问题后他才将仿真过程搬到现实。

在Unity中进行模拟

或许在不远的未来，现实中的产品在投入使用之前，都会在虚拟空间里先“演练”一番。

Unity 内部的 AI 团队一直致力于为机器学习、计算机视觉和机器人等领域打造工具，帮助所有需要 AI 和实时 3D 环境的行业加速项目开发。

在今年的 OpenCV Spatial AI 竞赛中，Gerard Espona 及其 Kauda Team 的参赛作品中包含了多个使用 Unity AI 工具和软件包制作而来的实例，充分利用了 Unity 的机器人、计算机视觉、强化学习和增强现实技术：Perception Package 被用于辅助训练计算机视觉模型，ML-Agents 工具套被用于训练机器学习模型及机械臂的 sim2real 演示。

我们采访了 Gerard，了解他们是如何利用 Unity，在现实世界和虚拟世界中搭起一座桥梁。

Kauda Team 的队名是从哪来的？

Kauda Team 由 Giovanni Lerda 和我（Gerard Espona）两人组成，队名来自 Giovanni 开发的可 3D 打印、电脑主机大小、免费开源的五轴机械臂：Kauda。这款机械臂能由任何人用 3D 打印设备制作，我们也用它开展了项目的远程协作。

Unity 中的 Kauda 数字孪生是怎样制作的呢？

我们专门开发了一个 Unity 应用：Kauda Studio，来驱动 Kauda 的数字孪生。软件提供了一个功能齐全、精确的 Kauda 模拟，带有反向运动学（IK）控制、USB/蓝牙连接，还支持多个 OpenCV OAK-D 摄像机。

什么是 OAK-D 摄像机，它如何在 Unity 中使用？

OAK-D 摄像机由两个立体深度摄像机、一个带有内置处理功能（由英特尔 MyriadX VPU 驱动）、可自动识别多种特征的 4K 彩色摄像机组成。在参赛期间，我们为 OAK 设备创建了一个 Unity 插件，并且也想在 Unity 中为其制作一个数字孪生。

OAK-D 的 Unity 数字孪生集成了一个虚拟的 3D 摄像机，其精确的模拟能力可用于收集合成数据。摄像机还支持将虚拟图像传输到真实设备上，我们能用 Unity Perception Package 和模拟的 OAK-D 摄像机收集合成数据、训练项目。

Unity中的OAK-D摄像机模型

在制作过程中，使用了 Unity 的哪些功能？

我们可以使用数字孪生为 Kauda 开发更多的功能。通过Unity 的增强现实（AR）功能在现实环境中与虚拟的机器人进行互动，比如在无机器人实物的情况下学习机器人维护，或者使用虚拟但精确的机器人模型来无代码地编写连续性任务。

数字孪生还使得强化学习（RL）训练成为了可能。RL 的训练周期普遍较长，如果训练不是极其简单的例子，模拟的使用就会非常必要。在 Unity 中制作出 Kauda 模型后，我们使用了ML-Agents 工具套来进行操控相关的 RL 训练。

我们还在 Unity 中使用机器人与摄像机来检测人类在工作区域内的位置，用于实验人机协作和安全程序。如果一个大型机器人在运行中发生故障，就很可能会对人造成伤害，因此这种实验非常有必要。模拟环境能让我们在不冒危险的情况下开展测试。

项目怎样是用到 ML-Agents 工具包的？

RL 是一个强大的机器人框架，而Unity ML-Agents 是工具套能让数字孪生学习并执行复杂任务。由于时间有限，我们的目标是实现一个简单的“触碰”任务，并让模型在 OAK-D 设备有能力进行推理。在 ML-Agents 的帮助下，机器人习得了最佳运动路径，可借助 IK 来灵活地触碰检测到的 3D 物体。

为了达成这一目标，我们首先使用 spatial tiny-YOLO 开发了一个 3D 物体检测器。RL 模型（PPO）使用检测结果和IK控制点的位置作为观测输入，动作输出则由 IK 控制点的 3 轴运动实现。在模型的奖励机制中，每一步运动都会带来少量的惩罚，而触碰到物体则会带来大量奖励（1.0）。为了加快训练速度，我们使用了多个智能代理同时训练，成倍地生成 spatialtiny-YOLO 的训练数据。

在训练完成后，我们接着使用 OpenVino 工具包将模型转换为 OpenVino IR 和 Myriad Blob 格式，方便在 OAK-D 设备上加载模型并运行推理。最后一道流程是结合 spatial tiny YOLO 与 RL 模型。多亏我们的 Unity 插件，我们能够在 Unity 内比较 ML-Agents 和 OAK-D 代理的推理成果。

合成数据在项目中起了什么作用？

我们开发流程的第一阶段制作一个 3D 物体检测器，这也是 AI 计算机视觉和机器人开发的常见起点。这里，我们使用 Unity Perception 软件包来训练 tiny YOLO v3 模型识别自定义的物品类型。Perception 包能够在几分钟内生成大量的 3D 合成数据，还能自动标注出参考边界框，如果人工来收集数据和添加标注会耗费大量时间。支持生成丰富的数据集，以及转向、光照、纹理等多种随机化选项是一个很大的优势。

你们有遇到什么困难吗？

虚拟物品与现实物品的同步时机有时会出现偏差。不过幸亏Unity 支持 ROS（Robot Operating Syetem，机器人操作系统），我们可以在以后使用 ROS 来解决这个问题。

了解更多详情

很高兴看到 Unity 的工具在开发者手中发挥作用。如果你也想为自己的 Unity 项目加入人工智能，可以前来学习我们的示例项目与教程！你也可以使用Unity Perception Package在 Unity 中轻松生成合成数据。而Unity RoboticsHub上的教程和资源包可帮助初学者快速入门 ROS 集成和机器人模拟。最后，ML-Agents 工具套带有的多个训练环境也能让强化学习入门更为简单。

[1] Unity Perception Package：

https://plastichub.unity.cn/unity-tech-cn/com-unity-perception

[2] Unity Robotics Hub：

https://plastichub.unity.cn/unity-tech-cn/Unity-Robotics-Hub

[3] ML-Agents工具套：

https://plastichub.unity.cn/unity-tech-cn/ml-agents

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